分子植物卓越中心等揭示細菌Class III轉錄激活機制

9月28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研究員張餘課題組在Nature Chemical Biology上，在線發表題為CueR activates transcription through a DNA distortion mechanism的研究論文，主要研究細菌Class III轉錄因子CueR轉錄激活的分子機制。

大約50年前，法國科學家Jacob和Monod發現乳糖操縱子，首次提出基因表達受到蛋白調控。阻遏蛋白Lac I和代謝物激活蛋白CRP（cAMP receptor protein；也稱catabolite activator protein，CAP）被證明能夠直接結合乳糖操縱子，分別發揮轉錄抑制和轉錄激活的功能。因此，學界對轉錄因子如何抑制及激活轉錄產生研究興趣。大約30年前，Thomas A. Steitz研究組解析出CAP/CRP與DNA的複合物晶體結構，該結構首次展示轉錄因子識別DNA的方式。在隨後的幾十年中，科學家們利用化學交聯、DNA足跡、遺傳突變等方法嘗試了解轉錄因子調控基因轉錄的具體機制，發現轉錄因子在啟動子DNA的結合位置直接決定其對下遊基因的影響，一般來說，轉錄因子結合在核心啟動子區域（-35區和-10區）上遊發揮轉錄激活功能，在核心啟動子區域或基因內部則抑制轉錄。其中，轉錄激活按照轉錄因子結合位點距離核心啟動子區域遠近分為兩類，結合位點位於啟動子核心區域上遊稱為第一類轉錄激活（Class I），結合位點與啟動子核心區域稍有重疊稱為第二類轉錄激活（Class II）。2016年、2017年，Richard H. Ebright和Thomas A. Steitz研究組以CAP為模型，在Science上報導細菌Class I與II轉錄激活因子與RNA聚合酶及啟動子DNA的複合物結構，揭示出經典的轉錄激活分子機制。總體來說，它們通過DNA結合結構域與啟動子DNA相互作用，通過其轉錄激活結構域與RNA聚合酶相互作用，將RNAP聚合酶富集到其調控的啟動子DNA區域激活轉錄。

在探索CAP轉錄激活機制的同時，David C. Fritzinger發現一種機制特異的轉錄因子MerR，其能夠結合在耐汞基因簇啟動子核心區域，與RNAP的結合位置完全重疊，在一般情況下，抑制下遊基因表達；胞內汞離子濃度高時，則激活下遊基因表達。該現象與上述Class I和Class II的轉錄激活調控方式完全相悖，因為MerR的結合位置與RNAP結合位置完全重疊，按照此前的規律其應該只發揮轉錄抑制功能，且MerR調控的基因啟動子DNA的-35區和-10區間隔為19bp，而細菌RNA聚合酶只能識別-35區和-10區間隔為17±1的啟動子。科研人員在多種細菌中發現該類轉錄因子的存在，因此該類蛋白被命名為MerR家族轉錄因子，能夠感受胞內的金屬離子、氧化狀態及抗生素脅迫。自20世紀90年代，科研人員利用DNA足跡手段，發現MerR處於抑制態和激活態時，其結合的啟動子DNA構象可能有較大的構象變化。Thomas V. O』Halloran研究組針對MerR家族蛋白進行晶體結構研究，從2003年到2015年，科研人員分別解析CueR apo protein，CueR-DNA二元複合物及CueR-Ag+-DNA三元複合物的晶體結構，闡明該家族成員在不結合配體時，結合標準的B型雙鏈DNA；結合配體後，能夠使B型雙鏈DNA發生約90度的彎折，使其局部區域呈現出A型雙鏈DNA的構象，這為該類轉錄因子的激活機制增加了神秘面紗。鑑於其轉錄調控方式的特殊性，科研人員將MerR家族轉錄激活方式命名為非典型的轉錄激活或Class III轉錄激活。

為揭示MerR家族轉錄因子的轉錄激活機制，張餘課題組以大腸桿菌中感應銀離子和亞銅離子的CueR蛋白為研究對象，解析CueR、Ag+、啟動子DNA及RNA聚合酶的轉錄激活複合物電鏡結構。結果顯示，CueR結合在啟動子DNA的兩個關鍵區域-35區和-10區之間，使雙鏈DNA在四個位置發生較大程度彎折，特別是位於CueR二聚體中心的位置，DNA發生約90度的彎曲。這種由CueR結合導致的啟動子DNA彎曲，使19bp的-35/-10間隔區域重新壓縮到17bp的物理距離，從而使RNA聚合酶能夠啟動下遊基因轉錄。此外，該複合物結構顯示，雖然CueR在啟動子DNA上的結合位點與RNAP聚合酶的結合位點完全重疊，但是CueR結合在啟動子DNA的一側，而RNAP結合在啟動子的另一側，CueR與RNA聚合酶沒有相互作用，二者互不幹擾，這一點與Class I及Class II的轉錄激活機制完全不同。該研究解析以CueR為代表的細菌Class III轉錄激活複合物結構，揭示該類轉錄激活蛋白不依賴與RNA聚合酶的相互作用，僅通過改變DNA構象激活轉錄的分子機制。

張餘課題組博士生方城力和美國西北大學博士Steven J. Philips為論文的第一作者。浙江大學醫學院研究員馮鈺、西北大學教授Thomas V. O』Halloran、張餘為論文的通訊作者。研究工作得到浙江大學電鏡中心以及國家蛋白質中心（上海）的支持，受到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項計劃（B類）和上海市科技創新行動計劃的資助。

論文連結

細菌Class III轉錄激活機制

來源：中科院