Nature | 中国科学院张余/浙江大学冯钰等合作揭示细菌固有转录终止过程的关键机制
时间：2023-01-12 21:02:42 热度：37.1℃ 作者：网络
高效和准确的终止是所有生物基因转录所必需的。细菌和真核生物中的细胞RNA聚合酶都可以通过一种不依赖因子的终止途径(细菌中的固有终止转录)来终止它们的转录，在这种途径中，RNA聚合酶识别终止序列，停止核苷酸的添加并自发释放新生RNA。
2023年1月11日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室张余研究团队和美国威斯康辛大学麦迪逊分校Robert Landick团队以及浙江大学冯钰团队合作在Nature杂志在线发表题为“Structural basis for intrinsic transcription termination”的研究论文，该研究捕获了细菌固有转录终止的中间状态冷冻电镜结构，揭示了细菌RNA聚合酶识别终止序列、停止转录、并解离RNA的分子机制。
基因转录单元的界限由启动子和终止子界定。RNA聚合酶正确识别启动子和终止子序列，是基因正常转录的先决条件。转录终止异常会引起RNA降解、干扰下游基因表达、干扰DNA复制、破坏基因组稳定性等。
RNA聚合酶一般通过两种途径终止转录，一条途径是依赖于终止因子的转录终止，例如细菌RNA聚合酶依赖具有RNA解旋酶活性的Rho因子终止转录，动植物细胞Pol II依赖具有RNA外切酶活性的XRN终止mRNA转录。另一种是不依赖于终止因子的转录终止，也称为固有转录终止。固有转录终止是噬菌体、细菌和真核生物RNA聚合酶（Pol III）保守的转录终止方式。
在这项研究中，研究人员报道了一组大肠杆菌转录本征终止复合物的单粒子冷冻电子显微镜结构，代表了该事件的关键中间状态。这些结构显示了RNA聚合酶如何在终止序列上暂停，终止RNA发夹如何在RNA聚合酶内折叠，以及RNA聚合酶如何反转转录泡以释放RNA和DNA。
图1. 转录终止过程中，RNA发卡结构竞争破坏10-bp的DNA-RNA的杂合双链（图源自Nature）
由此，该研究提出了固有转录终止的五个中间步骤：
1. 转录暂停（TTC-pause）：Poly U序列阻止RNAP结合NTP，诱发转录暂停；
2. RNA发卡部分折叠（TTC-hairpin）：RNA发卡折叠进入RNA聚合酶的RNA退出通道，诱导RNA聚合酶构象变化，削弱RNAP和RNA-DNA杂合双链的相互作用；
3. DNA闭合（Bubble rewinding）：转录泡的两条DNA单链碱基重新配对，破坏RNA-DNA杂合双链；
4. RNA发卡完全折叠（hairpin completion）：DNA闭合破坏RNA-DNA杂合双链，清除RNA发卡完全折叠的能量壁垒，RNA发卡结构完全折叠可能诱导三种形式的RNAP-DNA-RNA的构象变化（这三种形式在之前的研究中各有实验证据支持）。
在Hybrid shearing模型中，由于RNA和DNA均为A-U碱基对，RNA可在DNA上相对滑动2 bp，使RNA的3‘端从催化中心远离。在hypertranslocation模型中，RNA聚合酶向前移位，使RNA的3‘端从催化中心远离。
在Hairpin invasion模型中，RNA聚合酶发生构象变化，发卡结构入侵至RNA聚合酶内部。
以上三种形式都在RNA发卡结构完全折叠的过程中进一步破坏了RNA-DNA杂合双链。
5. RNA释放（TTC-release）：RNA聚合酶释放RNA，但其仍可以在基因组上自由滑动，最终解离或者滑动至启动子DNA开始下一轮转录。
图2.细菌固有转录终止机制模型（图源自Nature）
综上所述，该研究报导了细菌固有转录终止关键中间态的冷冻电镜结构，还原了细菌固有转录终止的全过程，揭示了细菌RNA聚合酶在转录终止序列暂停转录，RNA发卡结构在RNAP内部折叠并诱导RNA释放的分子机制。回答了转录终止的关键基础科学问题。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05604-1
