研究解析結(jié)核桿菌轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)！
中國微生物菌種查詢網(wǎng) / 2019-03-23 09:21:09
基因組的遺傳信息得以表達(dá)，首先需要RNA polymerase (RNAP)以DNA為模板合成RNA?；蜣D(zhuǎn)錄不僅是基因表達(dá)第一步，還是基因表達(dá)的主要調(diào)控步驟。對(duì)RNAP分子機(jī)器結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理以及調(diào)控機(jī)制的研究能夠回答基因表達(dá)調(diào)控的基礎(chǔ)生物學(xué)問題。在轉(zhuǎn)錄起始階段，細(xì)菌的RNAP與轉(zhuǎn)錄起始σ因子形成復(fù)合物，依次執(zhí)行啟動(dòng)子雙鏈DNA的識(shí)別、解鏈以及RNA起始合成等關(guān)鍵步驟。
細(xì)菌RNAP通過與多個(gè)σ因子結(jié)合特異性調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，其中Extra-Cytoplasmic Function（ECF）σ因子是細(xì)菌中種類最多的一類σ因子，它可以感受細(xì)菌胞內(nèi)外環(huán)境變化，起始特異性的基因轉(zhuǎn)錄。ECF σ因子賦予細(xì)菌適應(yīng)逆境的能力，對(duì)于致病菌的致病性和耐藥性尤為重要。
以結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）為例，其RNAP分別與10種ECF σ因子結(jié)合，通過識(shí)別特異啟動(dòng)子序列啟動(dòng)相應(yīng)基因表達(dá)，多個(gè)ECF σ因子與結(jié)核分枝桿菌的致病、侵染以及耐藥直接相關(guān)。
3月11日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》（Nature communications）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所/中科院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張余研究組題為Structure basis for transcription initiation by bacterial ECF σ factors 的研究論文。該論文解析了兩個(gè)結(jié)核分枝桿菌RNA聚合酶與σH的高分辨率轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。
這兩個(gè)首次解析的細(xì)菌RNAP與ECF σ因子的復(fù)合物結(jié)構(gòu)回答了以下幾個(gè)關(guān)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(jié)構(gòu)域的linker區(qū)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(qū)域與RNAP結(jié)合方式與housekeeping σ因子的σ3.2結(jié)構(gòu)域類似，均結(jié)合到RNA聚合酶的活性中心，在轉(zhuǎn)錄起始過程中起著至關(guān)重要的作用；
2）ECF σ因子采用獨(dú)特的機(jī)制打開啟動(dòng)子雙鏈DNA形成轉(zhuǎn)錄泡；
3）ECF σ因子采用獨(dú)特的方式結(jié)合單鏈的啟動(dòng)子DNA -10區(qū)的保守序列，通過對(duì)比RNAP-σH全酶以及RNAP-σH-DNA的兩個(gè)復(fù)合物結(jié)構(gòu)，張余課題組發(fā)現(xiàn)ECF σ因子采用Induced-Fit方式結(jié)合解鏈的啟動(dòng)子DNA，而housekeeping σ因子識(shí)別啟動(dòng)子采用Lock-and-Key的模式。兩種模式的區(qū)別在于Induced-Fit的方式只能結(jié)合正確的啟動(dòng)子DNA序列，因?yàn)橹挥姓_的啟動(dòng)子DNA序列才能夠誘導(dǎo)DNA的結(jié)合口袋打開，該方式保證了ECF σ因子轉(zhuǎn)錄起始的專一性；而Lock-and-Key的方式能夠容忍一定的啟動(dòng)子DNA序列差異，從而保證了housekeeping σ因子的轉(zhuǎn)錄起始的高效性和廣泛性。
該研究揭示了細(xì)菌ECF σ因子轉(zhuǎn)錄起始的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及分子機(jī)制，為基于ECF σ因子的合成生物學(xué)正交轉(zhuǎn)錄元件設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，為靶向細(xì)菌RNAP的抗生素發(fā)現(xiàn)提供了新的思路。
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