2020年11月29日訊/
生物谷BIOON/---基因表達分為轉錄階段和翻譯階段。科學家們之前一直並不知道在細胞中，DNA轉錄一旦開始，是如何被正確關閉的。
在轉錄過程中，一種稱為RNA聚合酶的酶將自身包裹在DNA的雙螺旋周圍，使用一條DNA鏈與核苷酸匹配以形成
遺傳物質的副本---一條新合成的RNA鏈，該RNA鏈的合成在轉錄完成後會釋放出來。所產生的RNA可以產生蛋白，而蛋白對於所有生命都是必不可少的，並可以在細胞內完成大部分工作。
就像任何連貫的信息一樣，RNA轉錄需要在正確的位置啟動和停止才有意義。50年前發現了一種叫做Rho的
細菌蛋白，它具有停止或終止轉錄的能力。在每本教科書中，Rho都用作模型終止子，利用它的強大動力，與RNA結合併將它從RNA聚合酶中拉出。但是，在一項新的研究中，來自德國柏林自由大學、亥姆霍茲柏林材料與能源中心和美國俄亥俄州立大學等研究機構的研究人員仔細觀察後發現，Rho無法使用教科書中描述的機制找到需要釋放的RNA。相關研究結果於2020年11月26日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Steps toward translocation-independent RNA polymerase inactivation by terminator ATPase ρ」。
圖片來自Vossman/Wikipedia。
論文共同通訊作者、俄亥俄州立大學微生物學教授Irina Artsimovitch說，「我們開始研究Rho，並意識到它不可能以人們告訴我們的方式起作用。」
這項研究確定Rho不是在轉錄即將結束時附著在特定的RNA片段上並幫助它從DNA上解脫出來，而是在轉錄持續期間在RNA聚合酶上「搭便車」。Rho與其他蛋白協同作用，誘導RNA聚合酶發生一系列結構改變而最終進入無活性狀態，從而讓RNA得以釋放。
這些作者使用精密的顯微鏡揭示了Rho如何作用於由RNA聚合酶和兩個伴隨它在整個轉錄過程中移動的輔助蛋白組成的完整轉錄複合體。Artsimovitch說，「這是轉錄終止複合體（termination complex）在任何系統中的第一個結構，並且之前一直被認為是不可能獲得的，這是因為它分解得太快了。它回答了一個基本問題---轉錄是生命的基礎，但是如果不加以控制，什麼都不會起作用。RNA聚合酶本身必須是完全中性的。它必須能夠製造任何RNA，包括那些受損的或者能夠損害細胞的RNA。在與RNA聚合酶一起移動時，Rho可以判斷合成的RNA是否值得製造---如果不值得，Rho就會釋放它。」
關於RNA聚合酶如何成功完成轉錄，Artsimovitch取得了許多重要發現。她原本並沒有打算反駁多年來對Rho在轉錄終止中的作用的理解，直到她的實驗室的一名本科生在從事
遺傳學項目時發現了Rho的令人驚訝的突變。
眾所周知，Rho可以沉默細菌中的毒力基因，本質上是讓
細菌處於休眠狀態，直到引起感染時才需要激活它們。但是這些基因沒有任何已知的讓Rho優先結合的RNA序列。Artsimovitch說，正因為如此，若認為Rho只尋找特定的RNA序列，甚至不知道它們是否還附著在RNA聚合酶上，這是說不通的。
事實上，對Rho機制的科學理解是通過簡化的生化實驗建立的，這些實驗往往忽略了RNA聚合酶，這在本質上定義了一個過程如何結束，而未考慮這個過程本身。
在這項研究中，這些作者使用低溫電鏡捕獲了在他們的模式生物大腸桿菌的DNA模板上運行的RNA聚合酶的圖像。這種高解析度的可視化觀察與高端計算相結合，使得對轉錄終止進行精確建模成為可能。
Artimovitch說，「RNA聚合酶向前移動，從而與
細菌中的數十萬個核苷酸匹配。這種複合物非常穩定，這是因為它必須如此，如果RNA被釋放，那麼它就會丟失。然而，Rho能夠在幾分鐘（甚至幾秒鐘）內讓這種複合物解體。你可以觀察它，但無法獲得穩定的複合物進行分析。」
使用巧妙的方法在這種複合物分解之前將它捕獲，使得這些作者可以觀察到代表轉錄終止途徑中一系列連續步驟的七種複合物，從Rho與RNA聚合酶的結合開始到完全無活性的RNA聚合酶結束。他們根據他們觀察到的內容構建模型，然後使用
遺傳和生化方法確保這些模型正確。
儘管這項研究是在
細菌中進行的，但是Artsimovitch說，這種轉錄終止過程很可能會在其他生命形式中發生。
她說，「這似乎很常見。一般來說，細胞使用來自共同祖先的類似工作機制。只要這些技巧有用，它們都會學習同樣的技巧。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Nelly Said et al. Steps toward translocation-independent RNA polymerase inactivation by terminator ATPase ρ. Science, 2020, doi:10.1126/science.abd1673.