細菌ClassIII轉錄因子CueR轉錄激活的分子機制被揭示

Nature Chem Biol | 張餘研究組揭示細菌ClassIII轉錄因子CueR轉錄激活的分子機制

以下文章來源於中科院分子植物卓越中心 ，作者CEMPS

2020年9月28日，Nature Chemical Biology 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題為「CueR activates transcription through a DNA distortion mechanism」的研究論文。該論文主要研究了細菌Class III轉錄因子CueR轉錄激活的分子機制。

大約50年前，法國著名科學家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; 也被稱為catabolite activator protein, CAP )緊接著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。隨後大家對轉錄因子如何抑制以及激活轉錄發生了濃厚的興趣。大約30年前，Thomas A. Steitz研究組解析了CAP/CRP與DNA的複合物晶體結構，該結構首次展示了轉錄因子識別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，大家發現轉錄因子在啟動子DNA的結合位置直接決定了其對於下遊基因的影響，一般來講，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，轉錄因子結合在核心啟動子區域或者基因內部則抑制轉錄。而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又分為兩類，結合位點位於啟動子核心區域上遊為第一類轉錄激活（Class I），而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）。直到2016年和2017年，Richard H. Ebright和Thomas A. Steitz研究組以CAP為模型，在Science雜誌上報導了細菌Class I與II轉錄激活因子與RNA聚合酶以及啟動子DNA的複合物結構，揭示了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發現了一種機制特異的轉錄因子MerR，它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，而胞內汞離子濃度高時，則激活下遊基因表達。這種現象與上述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，按照之前的規律其應該只發揮轉錄抑制功能，並且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。隨後大家在很多細菌中都發現了該類轉錄因子的存在，於是這類蛋白被命名為MerR家族轉錄因子，它們能夠感受胞內的金屬離子、氧化狀態以及抗生素脅迫。從20世紀90年代開始，大家利用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家族蛋白進行了大量的晶體結構研究，他們從2003到2015年分別解析了CueR apo protein, CueR-DNA二元複合物，以及CueR-Ag+-DNA三元複合物的晶體結構解析，闡明了該家族成員在不結合配體時，結合標準的B型雙鏈DNA，而結合配體後，能夠使B型雙鏈DNA發生約90度的彎折，使其局部區域呈現A型雙鏈DNA的構象。這為該類轉錄因子的激活機制更加增加了一層神秘的面紗。鑑於其轉錄調控方式的特殊性，大家將MerR家族轉錄激活方式命名為非典型的轉錄激活或者Class III轉錄激活。

為了揭示MerR家族轉錄因子的轉錄激活機制，在該論文中，作者以大腸桿菌中感應銀離子和亞銅離子的CueR蛋白為對象，解析了CueR、Ag+、啟動子DNA以及RNA聚合酶的轉錄激活複合物電鏡結構。結構顯示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在四個位置發生了較大程度彎折，特別是位於CueR二聚體中心的位置，DNA發生了約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了17bp的物理距離，從而使RNA聚合酶能夠成功啟動下遊基因轉錄。另外，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，而這一點也與Class I以及Class II的轉錄激活機制完全不同。最後，該研究解析了以CueR為代表的細菌Class III轉錄激活複合物結構，揭示了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。

論文第一作者為張餘研究組博士生方城力和美國西北大學（Northwestern University）Steven J. Philips博士。浙江大學醫學院馮鈺研究員，美國西北大學Thomas V. O』Halloran教授以及張餘研究員是該論文的通訊作者。感謝浙江大學電鏡中心以及國家蛋白質中心（上海）對於本課題的大力支持，特別是感謝蛋白中心在疫情期間批准的緊急電鏡機時與孔亮亮老師和王芳芳老師在疫情期間對我們數據收集的幫助。該研究受到國家自然科學基金、中科院先導B以及上海市科技創新行動計劃的資助。

論文連結：

https://doi.org/10.1038/s41589-020-00653-x