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9月25日，中國科學院上海免疫與感染研究所王程遠研究組聯(lián)合美國羅格斯大學Richard Ebright團隊、美國科羅拉多州立大學Thomas Santangelo團隊，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)錄終止復合物的三維結(jié)構(gòu)，揭示了FttA因子介導古菌RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止的分子機制。

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)錄終止會干擾下游基因的表達，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菌、古菌和真核生物中的一類轉(zhuǎn)錄終止機制。近年來，細菌和真核生物的轉(zhuǎn)錄終止的分子機制相繼被闡明。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合物中INTS11亞基和切割與加聚腺苷酸特異性因子復合物中CPSF73亞基的同源蛋白，負責古菌中多數(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，唯一在三域內(nèi)保守的轉(zhuǎn)錄因子Spt5能夠促進FttA的轉(zhuǎn)錄終止活性。然而，F(xiàn)ttA如何介導古菌RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄終止以及Spt5如何促進轉(zhuǎn)錄終止的機制尚不清楚。

該研究利用體外RNA切割和解離實驗，確認了各個組分可以組裝成具有轉(zhuǎn)錄終止活性的復合物。由于轉(zhuǎn)錄終止的過程動態(tài)且不穩(wěn)定，為了捕捉穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄終止復合物，研究使用突變的FttA蛋白進行復合物組裝，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入FttA的切割活性中心。Spt5在FttA與轉(zhuǎn)錄延伸復合物（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FttA介導的轉(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負責執(zhí)行終止所需的RNA切割，而FttAdist提供支持，通過擴展與mRNA的相互作用面，增強序列U的選擇性和終止復合物的穩(wěn)定性。FttA的二聚體形式增強了其RNA切割活性。FttA利用核糖核酸內(nèi)切酶活性對mRNA進行切割，進而利用外切酶活性進行5'→3'切割mRNA，并沿著mRNA進行5'→3'轉(zhuǎn)位，從而對TEC施加機械力，引發(fā)轉(zhuǎn)錄終止。

進一步，該研究比較了細菌、古菌和真核生物的因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止機制。結(jié)果表明：在細菌中，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TEC施加機械力，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'方向進一步切割和轉(zhuǎn)位，引發(fā)轉(zhuǎn)錄終止。這些終止機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TEC施加機械力，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)錄終止機制的趨同進化模型，為探索生命的起源與進化奠定了研究基礎(chǔ)。

該研究通過冷凍電鏡解析了古菌FttA依賴性轉(zhuǎn)錄終止復合物的三維結(jié)構(gòu)，闡明了Spt5蛋白介導FttA與RNA聚合酶的相互作用方式，揭示了細菌、古菌和真核生物中因子依賴性終止機制的基本統(tǒng)一性，并為進一步探究古菌轉(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)。?

研究工作得到國家自然科學基金面上項目、上海市2023年度“科技創(chuàng)新行動計劃”基礎(chǔ)研究項目等的支持。

論文鏈接

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

轉(zhuǎn)錄終止復合物結(jié)構(gòu)

細菌、古菌和真核生物因子依賴性轉(zhuǎn)錄終止機制模型