科學家揭示古菌因子依賴型轉錄終止分子機制

中國科學院上海免疫與感染研究所研究員王程遠團隊、美國羅格斯大學教授理查德·艾布賴特團隊及科羅拉多州立大學托馬斯·圣唐杰洛團隊合作，解析了古菌轉錄終止因子（FttA）依賴型轉錄終止復合物的三維結構，揭示了FttA介導古菌RNA聚合酶轉錄終止的分子機制，為進一步理解古菌轉錄終止及古菌轉錄-翻譯偶聯質量控制的結構和功能提供了基礎。9月25日，相關研究發表于《自然》。

轉錄終止是RNA聚合酶停止轉錄延伸，并使RNA從DNA上解離釋放的過程。因子依賴型轉錄終止普遍存在于細菌、古菌和真核生物中。近兩年，關于細菌和真核生物的轉錄終止的分子機制相繼被闡明，但古菌的因子依賴型轉錄終止機制尚未被闡明。

FttA（也稱作aCPSF1）負責古菌中大多數轉錄單元的轉錄終止。前期研究發現，唯一在三域內保守的轉錄因子Spt5，能促進FttA的轉錄終止活性。FttA如何介導古菌RNA聚合酶的轉錄終止？Spt5又是如何促進轉錄終止的？相關機制仍不清楚。

研究團隊確認了各組分可以組裝成具有轉錄終止活性的復合物，并使用突變的FttA蛋白進行復合物組裝，再通過單顆粒冷凍電鏡方法解析了轉錄終止復合物結構。

結果顯示，FttA結合在RNA退出通道的外側，使RNA可以直接從RNA聚合酶退出通道進入FttA的切割活性中心。FttA以二聚體的形式發揮作用，其中FttAprox 負責執行終止所需的RNA切割，FttAdist通過擴展與mRNA的相互作用面，增強序列U的選擇性和終止復合物的穩定性。在轉錄過程中，FttA首先用核糖核酸內切酶活性對mRNA進行切割，再利用外切酶活性進行5'→3'切割mRNA，并沿著mRNA進行5'→3'轉位，從而對轉錄延伸復合物（TEC）施加機械力，引發轉錄終止。

在此過程中，Spt5的N端結構域結合RNA聚合酶，C端結構域結合FttA，在FttA與TEC之間起到了橋梁的作用。

研究團隊進一步比較了細菌、古菌和真核生物的因子依賴型轉錄終止機制，發現終止機制均依賴于終止因子在RNA通道外側與RNA聚合酶和RNA結合，通過轉位酶活性或外切酶活性對TEC施加機械力，引發轉錄終止。

據此，研究團隊提出了三域生物因子依賴型轉錄終止機制的趨同進化模型，為后續探尋生命的起源與進化提供了重要的研究基礎。