研究解析結核桿菌轉(zhuǎn)錄起始復合物的晶體結構！
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，首先需要RNA polymerase (RNAP)以DNA為模板合成RNA。基因轉(zhuǎn)錄不僅是基因表達第一步，還是基因表達的主要調(diào)控步驟。對RNAP分子機器結構、運行機理以及調(diào)控機制的研究能夠回答基因表達調(diào)控的基礎生物學問題。在轉(zhuǎn)錄起始階段，細菌的RNAP與轉(zhuǎn)錄起始σ因子形成復合物，依次執(zhí)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(diào)控基因轉(zhuǎn)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(nèi)外環(huán)境變化，起始特異性的基因轉(zhuǎn)錄。ECF σ因子賦予細菌適應逆境的能力，對于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(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所/中科院合成生物學重點實驗室張余研究組題為Structure basis for transcription initiation by bacterial ECF σ factors 的研究論文。該論文解析了兩個結核分枝桿菌RNA聚合酶與σH的高分辨率轉(zhuǎn)錄起始復合物晶體結構。
這兩個首次解析的細菌RNAP與ECF σ因子的復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(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(zhuǎn)錄起始過程中起著至關重要的作用；
2）ECF σ因子采用獨特的機制打開啟動子雙鏈DNA形成轉(zhuǎn)錄泡；
3）ECF σ因子采用獨特的方式結合單鏈的啟動子DNA -10區(qū)的保守序列，通過對比RNAP-σH全酶以及RNAP-σH-DNA的兩個復合物結構，張余課題組發(fā)現(xiàn)ECF σ因子采用Induced-Fit方式結合解鏈的啟動子DNA，而housekeeping σ因子識別啟動子采用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(zhuǎn)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(zhuǎn)錄起始的高效性和廣泛性。
該研究揭示了細菌ECF σ因子轉(zhuǎn)錄起始的結構基礎以及分子機制，為基于ECF σ因子的合成生物學正交轉(zhuǎn)錄元件設計提供了理論基礎，為靶向細菌RNAP的抗生素發(fā)現(xiàn)提供了新的思路。
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