本期CELL封面：诺贝尔奖获得者揭开RNA聚合酶高保真之谜

　　

生物通报道：上个月，斯坦福大学Roger Kornberg因揭示真核转录的分子基础，独得今年诺贝尔化学奖。真核转录主要是指酶指导真核细胞的遗传信息从DNA转录到RNA，再转移到细胞质翻译蛋白质的过程。最近，Kornberg及其同事在12月1日Cell杂志发表文章，对真核转录尚无人知的另一个问题：“聚合酶Ⅱ（polymerase II ）是怎样区分不同的核糖核酸单体，保证转录过程的精确性的？”进行了阐释。

研究人员发现聚合酶II中一个叫做trigger loop的部分，作用如同暗门（trap door），在与模板匹配的三磷酸腺苷（nucleoside triphosphate，NTP）下活动，关闭活性中心，与NTP和酶的其它部分组成相互作用的广泛的网络。这些相互作用使trigger loop的另一条侧链精确定位，以机械地“激活”延长RNA链所需的化学键的形成。如果NTP发生轻微的变动，这些关键的相互作也将失败。

trigger loop机制具有NTP识别和催化双重作用，保证转录的高保真度。Kornberg说从转录复合物结构中得到的信息，也许最为基础。“我们很早就知道酶在选择正确的碱基和糖时精确性很高，但是不知道是怎样实现这种高精确度的。”这些发现提供了“一个意想不到的一流解释，即漂亮又简单，并且被自然一而再地验证了。”

转录的基本机制就存在于进化保守的RNA聚合酶中。共同特征包括有15个碱基对的一段未被卷绕的区域。其中与RNA转录物与DNA杂交的八个碱基，位于转录起始位点（transcription bubble）中心。聚合酶在DNA上可以前后移动，结合NTP后会向前移动，遇到阻碍物后（如受损DNA）后会发生向后运动。

2001年，Kornberg小组利用X射线结晶学获得聚合酶II转录复合物的第一张图片，展示了仍有一个核苷酸停留于聚合酶添加位点（addition site，生物通编者译）的复合物。

后来的X射线结果显示，具有添加位点的转录复合物能够纳入相匹配的NTP。这些晶体揭示了聚合酶的第二个NTP结合位点——插入位点（entry site）。尽管所有的NTP都可结合到插入位点，但是只有与DNA模板相匹配的NTP才能够与添加位点结合，连接到正在延长的RNA链上。酶是利用怎样一种机制精确区分匹配和错误匹配的NTP的？至今仍没有答案。

RNA碱基（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶）与其互补的DNA模板上的碱基之间的化学吸引，来自于聚合酶Ⅱ的难以置信的选择性。但是研究人员不清楚的是聚合酶是怎样避免把构成DNA链的NTP添加到RNA链上的，毕竟脱氧核核苷酸和核糖核苷酸只是相差一个氧原子。

此次实验中，研究人员检测了数百个晶体，获得比前次更高清晰的图片和高质量数据。Kornberg说此次实验将目光放在先前从未重视的一些现象——在配对碱基之下（beneath）的附加蛋白密度（protein density，生物同编者译）。追溯这种蛋白密度一直到达聚合酶II的trigger loop区域。

Kornberg说现在报道的14种观察到有trigger loop的晶体结构，只有两种的trigger loop位于NTP下方。也只有这两种晶体中，NTP能与DNA模板精确配对，证明trigger loop“与选择NTP有明显关系。”

进一步研究发现，当一个匹配的NTP到达添加位点后，trigger loop在其未知较远的通常所在的位点摆动，直至与NTP平行，然后与NTP的组成部分形成一个相互作用的网络，这个过程“识别添加位点的NTP的所有特征，检测其精确定位。”

Kornberg 说：“这种特异性是与NTP平行排列的结果，依赖于碱基、糖、磷酸和trigger loop摆动的位置，假如偏离，即便很小，这种相互接触也不会发生。”作为平行排列的结果，一亿分之一厘米（埃）的精度。

Kornberg说，为了NTP能够通过形成磷酸二酯键（phosphodiester bond）连接到RNA链上，trigger loop停留在β磷酸的一个组胺酸侧链的键必须断裂，提示侧有对于键的形成有刺激作用。整个的决策过程极为迅速（皮秒级别）。

研究人员总结到：“RNA聚合酶转录DNA的高度特异性的基础在于一个名为trigger loop的结构，其与聚合酶活性中心的核苷酸的所有方面进行直接或者间接的接触。”（生物通记者 子元）