研究揭示細菌RNA聚合酶轉錄起始後期的動態過程

2021-01-08 生物谷



3月3日，國際學術期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）在線發表了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餘研究組與美國Rutgers University的Richard Ebright研究組合作完成的題為RNA extension drives a stepwise displacement of an initiation-factor structural module in initial transcription 的研究論文。

基因轉錄起始需要RNA聚合酶和轉錄起始因子σ組成複合物，再一起錨定到基因的啟動子區域，解開雙鏈DNA，起始RNA合成。在這個過程中，RNA聚合酶與大約60-bp DNA建立牢固的相互作用，以確保轉錄起始的高效進行。然而，RNAP隨後必須完全掙脫上述相互作用才能啟航完成RNA的延伸，這一過程稱為promoter escape。RNA聚合酶從哪裡獲得能量，並且如何積累能量來實現promoter escape，一直是大家感興趣的問題。

該研究發現在細菌、真核和古菌這三界生物中，轉錄起始因子都存在一個結構模塊(在細菌中為σ finger)，這個模塊深入到RNAP的催化中心，在RNA聚合酶解鏈雙鏈DNA的時候，其能夠穩定單鏈的轉錄泡結構。但是該結構模塊的位置卻堵住了新生RNA的延伸路徑。在RNA的延長過程中，它勢必會與RNA發生衝突。在這項研究中，作者解析了

細菌

轉錄起始階段的大約20個複合物晶體結構，還原了這一個衝突的細節。作者發現，RNA的延長會逐漸擠壓σ finger，並最終將其推出RNAP聚合酶中心，根據結構信息，作者提出了promoter escape分子機制的假設。作者認為σ finger相當於一個彈簧，RNA在剛開始延長的過程中不斷地擠壓這一彈簧，能夠將NTP水解的自由能不斷轉換成機械能，並積累到σ finger的蛋白彈簧上，當這一彈簧被擠壓到極限時能夠促發RNAP與啟動子DNA的解離，完成Promoter escape。這一假設與15年前提出的DNA彈簧（DNA scrunching）理論相互補充，完善了promoter escape的分子機制。（

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