轉錄和翻譯的一次「牽手」——「紅娘」NusG 背後的故事

撰文 | dust
責編 | 兮

分子生物學的中心法則（Central dogma）包括了三個主要的過程：複製（replication）、轉錄（transcription）和翻譯（translation），描述了遺傳信息由DNA到RNA到蛋白質的傳遞過程。其中，轉錄過程由RNA聚合酶以DNA為模板，轉錄生成信使RNA （mRNA）；翻譯過程由核糖體以信使RNA為模板，利用胺基酸合成蛋白質。在細菌中，轉錄和翻譯過程在相同時間相同位置內進行。早在1970年，O. L. Miller等人就通過電鏡觀察到大腸桿菌體內多個核糖體結合在同一條信使RNA上，並在此信使RNA起始位點發現可能的轉錄中RNA聚合酶【1】。之後的研究進一步發現，RNA聚合酶的轉錄速度受到mRNA上結合的第一個核糖體（「lead ribosome」）調節【2】，同時一系列重要的轉錄因子也被發現，參與了轉錄翻譯協同過程（transcription-translation coupling）的調控。其中最重要的包括NusG/RfaH 轉錄調控因子家族蛋白【3】。

NusG/RfaH 轉錄調控因子蛋白包含N端，C端兩個保守結構域，其中N端結構域與RNA聚合酶的β，β』亞基結合，C端結構域與核糖體蛋白S10結合。兩個保守結構域之間由一段相對自由活動的胺基酸loop連接。因此，NusG/RfaH 轉錄調控因子被認為在可能存在的細菌轉錄翻譯協同過程中起到了重要的橋梁連接作用【3】。

2017年，Science 報導了Cramer及其合作者解析的7.6 Å轉錄翻譯複合體結構，命名為expressome。作者以一個停止狀態的RNA聚合酶延伸複合體，通過其信使RNA，結合核糖體並使其進行翻譯，直至最終與RNA聚合酶碰撞結合的方式獲得樣品，並通過冷凍電鏡的方法解析出其蛋白質複合體三維結構。結構顯示了在此狀態下的轉錄翻譯複合體中RNA聚合酶和核糖體各亞基之間相互作用的可能胺基酸位點，證明了在分子層面轉錄翻譯協同過程的存在。

然而就像文章的通訊作者之一R. Landick教授接受美國生物化學與分子生物學學會採訪時所說：「像所有好的研究結果一樣，這篇文章沒能回答所有的問題，而是因此提出了更多的問題（「like all good results do, more questions than there are answers」）」: 在其解析的轉錄翻譯複合體結構中，並沒有NusG/RfaH轉錄調控因子；RNA聚合酶NusG/RfaH轉錄調控因子C端結構域結合位點，與核糖體S10的距離大約為160 Å，遠遠超過NusG/RfaH轉錄調控因子N端，C端之間胺基酸loop所能延申長度的極限。因此NusG/RfaH 轉錄調控因子是否參與了細菌轉錄翻譯協同過程的調控；其參與調控的分子機理是什麼；Cramer等人所解析的「expressome「轉錄翻譯複合體結構是否是細菌轉錄翻譯協同過程中真實存在的狀態；在協同過程中是否存在其他狀態的轉錄翻譯複合體結構等，都是在此研究結果之後亟需回答的問題。

2020年8月，美國羅格斯大學（Rutgers University）Richard Ebright研究團隊在Science上發表了題為Structural basis of transcription-translation coupling 的研究論文。該論文揭示了在大腸桿菌中NusG轉錄因子參與轉錄翻譯協同過程的作用機理；並進一步發現另一轉錄因子NusA在協同過程中的重要作用；最終解析了依賴於NusG, NusA轉錄因子的轉錄翻譯協同過程的分子機理。

與Cramer等人構建expressome複合體的方法不同，Richard Ebright研究團隊首先構建了一系列RNA聚合酶延申複合體：包括RNA聚合酶，NusG轉錄因子，10鹼基長度DNA轉錄泡（transcription bubble）以及7種不同長度的信使RNA（包括5』端AUG鹼基；4，5，6，7，8，9和10密碼子各長度鹼基；9nt轉錄泡配對鹼基）；利用tRNA固定信使RNA，使其結合於核糖體P-site位置；最終將獲得的樣品利用冷凍電鏡方法解析其三維結構。這種含有不同長度信使RNA的複合體，能很好的模擬核糖體不斷接近轉錄中RNA聚合酶時可能存在的轉錄翻譯協同過程。

通過解析這一系列複合體結構，作者發現當信使RNA spacer長度為4，5，6，7和8密碼子長度時，複合體呈現「expressome」一致的三維構象，作者將此構象命名為轉錄翻譯協同複合體A（trancription-translation coupling complex A， TTC-A）。在此構象中，信使RNA從RNA聚合酶RNA釋放通道口（RNA exit channel）直接進入核糖體信使RNA進入通道（ribosome mRNA-entrance portal）；NusG位於遠離核糖體S10的一側，且只有N端結構域結合於RNA聚合酶上；在不加入NusG轉錄因子時，此狀態構象仍可存在；在RNA聚合酶中缺少w亞基電子云；結構模擬顯示，此構象結構不能進一步結合其他轉錄調控因子。這些結構預示TTC-A可能是一種特殊狀態的轉錄翻譯協同複合體構象；或是由於RNA聚合酶和核糖體距離過近造成的碰撞所導致的構象（「collision-ome」 or 「crash-ome」）。

有趣的是，當信使RNA spacer長度為8，9或10密碼子長度時，複合體呈現另一種三維構象，作者將此構象命名為轉錄翻譯協同複合體B（transcription-translation coupling complex B，TTC-B）。在此構象中，信使RNA從核糖體S3亞基表面延申進入核糖體；具有完整的NusG電子云，並且由N端結構域與RNA聚合酶結合，C端結構域與核糖體S10亞基結合；當不加入NusG時，複合體無法形成。因此作者認為，TTC-B是依賴NusG的轉錄翻譯協同複合體構象（NusG-dependent transcription-translation coupling）。

通過結構模擬，作者進一步發現，另一轉錄因子NusA也可能與TTC-B結合。因此嘗試並最終解析了NusA-NusG共同調控的轉錄翻譯協同複合體結構。此構象與NusG-TTC-B類似：在此構象中，信使RNA從核糖體S3亞基表面延申進入核糖體；具有完整的NusG電子云，並且由N端結構域與RNA聚合酶結合，C端結構域與核糖體S10亞基結合；具有完整的NusA電子云，NusA與核糖體S2/S5亞基結合，並同時結合RNA聚合酶a亞基CTD結構域。最終通過NusG, NusA的同時作用，進一步穩定了轉錄翻譯協同過程。

綜合上述結果，作者闡明了大腸桿菌中轉錄翻譯協同過程的結構基礎和分子機理，證明了NusG, NusA轉錄因子在協同過程中的重要作用，同時為進一步研究在轉錄翻譯協同過程中可能的其他機制提供了可行的方法。

Science雜誌同期還報導了法國斯特拉斯堡大學（Université de Strasbourg）Albert Weixlbaumer教授研究團隊題為 Structural basis of transcription-translation coupling and collision in bacteria 的研究論文。該研究團隊解析了大腸桿菌中，信使RNA spacer為5.67和7密碼子長度，依賴NusG轉錄因子調控的轉錄翻譯複合體結構，得到了與Richard Ebright研究團隊類似的研究結論。

而在今年7月31號，Science還發表了德國柏林技術大學（Technische Universität Berlin）Julia Mahamid和Juri Rappsilber教授研究團隊題為 In-cell architecture of an actively transcribing translating expressome 的研究論文。該研究團隊通過冷凍斷層掃描技術，解析了在肺炎支原體細胞中，依賴NusA轉錄因子調控肺炎支原體細胞中存在的轉錄翻譯協同複合體結構。有趣的是，在此結構中，RNA聚合酶與核糖體的相對位置同Ebright及Weixlbaumer教授研究團隊的結果並不一致，整體構象與「expressome」類似。

正如加州伯克利大學的Jamie Cate教授評論這一系列新的轉錄翻譯協同複合體結構所說，這些新的結構極大的推進了轉錄翻譯協同過程這一研究領域，但對於協同過程的研究還遠遠沒有結束（「This convergence of new structures is definitely taking the field to another level, But it’s far from the end of the story」）。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/08/19/science.abb5317

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/08/19/science.abb5036

https://science.sciencemag.org/content/369/6503/554

製版人：十一

參考文獻

1. O. L. Miller, Jr., B. A. Hamkalo, C. A. Thomas, Jr., Visualization of bacterial genes in action. Science 169, 392-395 (1970).

2. S. Proshkin, A. R. Rahmouni, A. Mironov, E. Nudler, Cooperation between translating ribosomes and RNA polymerase in transcription elongation. Science 328, 504-508 (2010).

3. B. M. Burmann, K. Schweimer, X. Luo, M. C. Wahl, B. L. Stitt, M. E. Gottesman, P. Rosch, A NusE:NusG complex links transcription and translation. Science 328, 501-504 (2010).