研究揭示細菌固有轉錄終止的結構基礎

　　1月12日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心合成生物學重點實驗室張余研究團隊、美國威斯康辛大學麥迪遜分校Robert Landick團隊與浙江大學馮鈺團隊合作，在《自然》（Nature）上，發表題為Structural basis for intrinsic transcription termination的研究論文。該研究捕獲了細菌固有轉錄終止的中間狀態冷凍電鏡結構，揭示了細菌RNA聚合酶識別轉錄終止序列、停止轉錄、解離RNA的分子機制。

　　轉錄是基因表達的第一步，是遺傳中心法則的重要組成。RNA聚合酶以DNA為模板進行的轉錄分為轉錄起始、轉錄延伸和轉錄終止三個階段。RNA聚合酶的轉錄終止通過兩種途徑發生：一是依賴于終止因子的轉錄終止；二是不依賴于終止因子的轉錄終止，也稱固有轉錄終止。固有轉錄終止是病毒、細菌和真核生物RNA聚合酶保守的轉錄終止方式。細菌固有轉錄終止是RNA聚合酶轉錄至終止序列時自發停止轉錄的轉錄終止方式，不依賴于轉錄終止Rho蛋白，因而又稱不依賴Rho因子的轉錄終止。細菌的固有轉錄終止序列由富含GC的發卡結構以及緊隨其后的U-tract序列組成（圖1）。

　　在轉錄終止環節，RNA聚合酶需要從高速的延伸狀態（～50 堿基/秒）緊急剎車停止轉錄，隨后RNA聚合酶迅速發生構象變化，RNA和DNA從高度穩定的RNAP-DNA-RNA復合物解離。由于轉錄終止具有高度動態和且反應迅速的特征，因此解析轉錄終止的結構和分子機制具有較大難度。科研團隊借鑒既往成果，拆分了轉錄終止序列，捕獲了三個關鍵的轉錄終止中間態結構。研究團隊解析了只包含U-tract序列的TTC-pause結構發現，包含U-tract序列的RNA-DNA雜合雙鏈呈現非活性構象，阻止NTP進一步結合，促使轉錄暫停。隨后，研究人員解析了包含U-tract序列和部分RNA發卡結構的TTC-hairpin結構發現，RNA發夾折疊進RNA聚合酶內部，誘導RNA聚合酶發生構象變化，削弱了RNA聚合酶和RNA-DNA雜合雙鏈的相互作用。進一步，生化實驗證明，上述構象變化促使轉錄泡的兩條DNA單鏈閉合，進一步破壞RNA-DNA雜合雙鏈結構，促進RNA解離。最后，研究在轉錄暫停復合物中添加antisense RNA模擬形成完整的發卡結構并誘導轉錄終止，解析了TTC-release結構。該結構捕獲了轉錄終止發生過程中RNA已解離但DNA仍結合在RNA聚合酶的中間狀態。

　　基于上述轉錄終止關鍵中間狀態的三維結構和生化實驗結果，該研究提出了固有轉錄終止的四個反應步驟，即“DNA-rewinding triggered RNA release”RNA解離機制（圖2）——轉錄暫停（TTC-pause）：轉錄終止子的U tract序列誘導催化中心的RNA-DNA 雜合雙鏈呈半移位狀態（RNA已移位，但DNA未移位），阻止NTP的添加并誘導轉錄暫停；發夾入侵（TTC-hairpin）：RNA發夾折疊進入RNA聚合酶內部，占據RNA通道，誘導RNA聚合酶結構域構象變化，并削弱RNAP和RNA-DNA雜合雙鏈的相互作用；轉錄泡DNA閉合（TTC-rewinding）：轉錄泡的兩條DNA單鏈堿基重新配對，進一步破壞RNA-DNA雜合雙鏈；RNA解離（TTC-release）：RNA聚合酶釋放RNA，仍可以在基因組上自游滑動，最終解離或者滑動至啟動子DNA開始下一輪轉錄。

　　該研究報導了細菌固有轉錄終止關鍵中間態的冷凍電鏡結構，還原了細菌固有轉錄終止的全過程，回答了細菌RNA聚合酶如何識別轉錄終止序列、暫停轉錄、釋放RNA的分子機制。該研究拓展了人們對于轉錄終止的認識。該成果提出的“DNA-rewinding triggered RNA release”機制為真核RNA聚合酶的轉錄終止機制提供了參考。

　　研究工作中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃、上海市基礎研究特區計劃、上海市科技創新行動計劃等的支持。

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