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9月25日，中國(guó)科學(xué)院上海免疫與感染研究所王程遠(yuǎn)研究組聯(lián)合美國(guó)羅格斯大學(xué)Richard Ebright團(tuán)隊(duì)、美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)Thomas Santangelo團(tuán)隊(duì)，在《自然》（Nature）上發(fā)表了題為Structural basis of archaeal FttA-dependent transcription termination的研究論文。該研究解析了古菌FttA因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，揭示了FttA因子介導(dǎo)古菌RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止的分子機(jī)制。

轉(zhuǎn)錄終止是RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄延伸，并使RNA從DNA上解離釋放的過程。異常的轉(zhuǎn)錄終止會(huì)干擾下游基因的表達(dá)，阻礙RNA聚合酶的循環(huán)利用，破壞基因組的穩(wěn)定性。因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止是普遍存在于細(xì)菌、古菌和真核生物中的一類轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制。近年來，細(xì)菌和真核生物的轉(zhuǎn)錄終止的分子機(jī)制相繼被闡明。然而，作為第三生命域的古菌，它的因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制尚不清楚。

古菌轉(zhuǎn)錄終止因子FttA又稱aCPSF1。FttA是真核生物整合子復(fù)合物中INTS11亞基和切割與加聚腺苷酸特異性因子復(fù)合物中CPSF73亞基的同源蛋白，負(fù)責(zé)古菌中多數(shù)轉(zhuǎn)錄單元的轉(zhuǎn)錄終止。FttA具有核糖核酸內(nèi)切酶活性和5'→3'核糖核酸外切酶活性。同時(shí)，唯一在三域內(nèi)保守的轉(zhuǎn)錄因子Spt5能夠促進(jìn)FttA的轉(zhuǎn)錄終止活性。然而，F(xiàn)ttA如何介導(dǎo)古菌RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄終止以及Spt5如何促進(jìn)轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制尚不清楚。

該研究利用體外RNA切割和解離實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了各個(gè)組分可以組裝成具有轉(zhuǎn)錄終止活性的復(fù)合物。由于轉(zhuǎn)錄終止的過程動(dòng)態(tài)且不穩(wěn)定，為了捕捉穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物，研究使用突變的FttA蛋白進(jìn)行復(fù)合物組裝，并通過單顆粒冷凍電鏡方法解析了分辨率為2.2?-2.5?的轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)表明，F(xiàn)ttA結(jié)合在RNA退出通道的外側(cè)，使RNA可以直接從RNA聚合酶退出通道而進(jìn)入FttA的切割活性中心。Spt5在FttA與轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物（TEC）之間發(fā)揮橋梁作用，其N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合RNA聚合酶，C端結(jié)構(gòu)域結(jié)合FttA，解釋了Spt5如何促進(jìn)FttA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄終止。FttA以二聚體形式發(fā)揮作用，而FttAprox和FttAdist在功能上不同。FttAprox負(fù)責(zé)執(zhí)行終止所需的RNA切割，而FttAdist提供支持，通過擴(kuò)展與mRNA的相互作用面，增強(qiáng)序列U的選擇性和終止復(fù)合物的穩(wěn)定性。FttA的二聚體形式增強(qiáng)了其RNA切割活性。FttA利用核糖核酸內(nèi)切酶活性對(duì)mRNA進(jìn)行切割，進(jìn)而利用外切酶活性進(jìn)行5'→3'切割mRNA，并沿著mRNA進(jìn)行5'→3'轉(zhuǎn)位，從而對(duì)TEC施加機(jī)械力，引發(fā)轉(zhuǎn)錄終止。

進(jìn)一步，該研究比較了細(xì)菌、古菌和真核生物的因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制。結(jié)果表明：在細(xì)菌中，具有轉(zhuǎn)位酶活性的Rho因子結(jié)合RNA，并沿RNA的5'→3'方向轉(zhuǎn)位，對(duì)TEC施加機(jī)械力，從而引發(fā)終止；在古菌中，具有核糖核酸內(nèi)切酶和外切酶活性的FttA切割RNA，并同樣進(jìn)行5'→3'轉(zhuǎn)位，觸發(fā)終止；在真核生物中，INTS11或CPSF73切割RNA，隨后INTS11、CPSF73或XRN2沿著RNA 5'→3'方向進(jìn)一步切割和轉(zhuǎn)位，引發(fā)轉(zhuǎn)錄終止。這些終止機(jī)制依賴于終止因子在RNA通道外側(cè)與RNA聚合酶和RNA結(jié)合，通過轉(zhuǎn)位酶活性或外切酶活性對(duì)TEC施加機(jī)械力，引發(fā)轉(zhuǎn)錄終止。該研究提出的三域生物因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制的趨同進(jìn)化模型，為探索生命的起源與進(jìn)化奠定了研究基礎(chǔ)。

該研究通過冷凍電鏡解析了古菌FttA依賴性轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，闡明了Spt5蛋白介導(dǎo)FttA與RNA聚合酶的相互作用方式，揭示了細(xì)菌、古菌和真核生物中因子依賴性終止機(jī)制的基本統(tǒng)一性，并為進(jìn)一步探究古菌轉(zhuǎn)錄終止及古菌轉(zhuǎn)錄-翻譯偶聯(lián)質(zhì)量控制的結(jié)構(gòu)和功能奠定了基礎(chǔ)。?

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、上海市2023年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

轉(zhuǎn)錄終止因子FttA和轉(zhuǎn)錄延伸因子NusG/Spt5

轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物結(jié)構(gòu)

細(xì)菌、古菌和真核生物因子依賴性轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制模型