科學家解析結核桿菌轉錄起始複合物的晶體結構

中科院之聲2019-03-20 12:17:33

基因組的遺傳信息得以表達,首先需要RNA polymerase (RNAP)以DNA為模板合成RNA。基因轉錄不僅是基因表達第一步,還是基因表達的主要調控步驟。對RNAP分子機器結構、運行機理以及調控機制的研究能夠回答基因表達調控的基礎生物學問題。在轉錄起始階段,細菌的RNAP與轉錄起始σ因子形成複合物,依次執行啟動子雙鏈DNA的識別、解鏈以及RNA起始合成等關鍵步驟。細菌RNAP通過與多個σ因子結合特異性調控基因轉錄,其中Extra-Cytoplasmic Function(ECF)σ因子是細菌中種類最多的一類σ因子,它可以感受細菌胞內外環境變化,起始特異性的基因轉錄。ECF σ因子賦予細菌適應逆境的能力,對於致病菌的致病性和耐藥性尤為重要。以結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis)為例,其RNAP分別與10種ECF σ因子結合,通過識別特異啟動子序列啟動相應基因表達,多個ECF σ因子與結核分枝桿菌的致病、侵染以及耐藥直接相關。


3月11日,國際學術期刊《自然-通訊》(Nature communications)在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所/中科院合成生物學重點實驗室張餘研究組題為Structure basis for transcription initiation by bacterial ECF σ factors 的研究論文。該論文解析了兩個結核分枝桿菌RNA聚合酶與σH的高分辨率轉錄起始複合物晶體結構。這兩個首次解析的細菌RNAP與ECF σ因子的複合物結構回答了以下幾個關鍵問題:1)ECF σ因子與RNAP 組裝成全酶的方式與housekeeping σ因子類似,特別是ECF σ因子連接σ2和σ4結構域的linker區域,雖然其序列上與housekeeping σ因子沒有任何的相似性,但是該linker區域與RNAP結合方式與housekeeping σ因子的σ3.2結構域類似,均結合到RNA聚合酶的活性中心,在轉錄起始過程中起着至關重要的作用;2)ECF σ因子採用獨特的機制打開啟動子雙鏈DNA形成轉錄泡;3)ECF σ因子採用獨特的方式結合單鏈的啟動子DNA -10區的保守序列,通過對比RNAP-σH全酶以及RNAP-σH-DNA的兩個複合物結構,張餘課題組發現ECF σ因子採用Induced-Fit方式結合解鏈的啟動子DNA,而housekeeping σ因子識別啟動子採用Lock-and-Key的模式。兩種模式的區別在於Induced-Fit的方式只能結合正確的啟動子DNA序列,因為只有正確的啟動子DNA序列才能夠誘導DNA的結合口袋打開,該方式保證了ECF σ因子轉錄起始的專一性;而Lock-and-Key的方式能夠容忍一定的啟動子DNA序列差異,從而保證了housekeeping σ因子的轉錄起始的高效性和廣泛性。該研究揭示了細菌ECF σ因子轉錄起始的結構基礎以及分子機制,為基於ECF σ因子的合成生物學正交轉錄元件設計提供了理論基礎,為靶向細菌RNAP的抗生素髮現提供了新的思路。


張餘研究組博士李玲婷和方城力是這篇論文的共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金(31670067和3182201)、中科院先導專項(XDB29020000)、中科院重點部署項目(QYZDB-SSW-SMC005)的資助。


 

科學家解析結核桿菌轉錄起始複合物的晶體結構


來源:中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所


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