Cell：细胞的转录机制如何达到完美的境地

　　

 遗传信息从DNA传递到信使RNA的过程是生物体中最最关键的步骤，这个信息的传递指导基因图谱表达成蛋白再构成复杂的生命体。现在，研究者已经发现细胞的主要转录机制的详细信息，RNA聚合酶II (Pol II)是维持转录过程的高度保真和高度准确性的一种酶。Pol II几乎从未出过错，它能从繁杂的环境中选取正确的分子材料，这些合成材料为核苷（NTP），它将这些核苷加入到信使RNA的链上，尽管有许多令它混淆的相似材料它仍能清楚准确的选择。

 

研究结果被分为两篇论文发表在6月6号的《Molecular Cell》上，文章主要描述Pol II的高保真性。研究工作主要由斯坦福大学的Craig Kaplan和国立癌症研究中心Mikhail Kashlev以及他们的同事完成。

 

研究表明，他们不仅空前详细地发现Pol II的保真机制，还发现了遗传复制的保真机制。他们还发现缺陷型的Pol II是如何产生错误的转录信息至mRNA上的，这些错误的转录信息能导致产生癌症。两个研究小组都聚焦在Pol II的活性位点上，在这个位点上Pol II酶捕获RNA成分（称为核苷NTP）,并且用化学的方法将核苷添加到延伸的RNA链上。尽管Pol II使用DNA做模板来合成特异的RNA序列，Pol II还具有识别错误NTP的不知名的保真机制。这些保真机制极端的准确，它能准确识别来自DNA和脱氧核苷和RNA核苷，尽管两者核苷只存在极小的基团差异。

 

文章中，Kaplan和他的同事发现酶的关键活性部位称为触发回路（trigger loop）。这个极小的蛋白具有高度的移动性，尽管研究者认为它在识别NTP的过程中起关键的作用，但是对于它的功能了解的十分少。

 

Kaplan和他的同事进行了多年的研究，他们制造出一种突变的Pol II，将触发回路（trigger loop）做一个细小的改动。在触发回路（trigger loop）中的一个被认为是关键位置的地方替换一个氨基酸，并且加入一个His 1085标签来与正常的Pol II进行区别。研究者将正常的Pol II和His 1085标记的Pol II做分子功能的比较，分别将它们放入正确的NTP环境和错误的NTP环境中。Kaplan.说， 研究者还将两种Pol II加入到有毒的α蝇蕈碱环境中，α蝇蕈碱被认为能干预触发环路（trigger loop）阻断Pol II的功能。研究人员通过α蝇蕈碱研究揭示触发环路（triggerloop）保真机制的细节。

 

Kaplan.说，我们发现蝇蕈碱对野生型的酶和改造的酶有相同的损伤。他说，事实上，实验中对活性部位结构信息的研究展示出，α蝇蕈碱对两种酶都影响触发回路（trigger loop）上His 1085的位置。Kaplan推论，研究结果揭示，触发回路（trigger loop）具有十分特异且关键的功能。他说，这些研究结果揭示Pol II 的动力选择机制，这与许多的酶具有相似的机制。这个活性位点在正确与不正确的NTPs环境下具有相似的关系。不过，在研究中发现，在正确的NTPs环境中触发回路的酶催化活性部位的效率比错误的NTPs环境中的催化效率要高很多。触发回路（trigger loop）具有移动性，它只在准确的位置和反应底物中才被激活发挥作用。

 

Kaplan说，我们认为酶底物识别的作用模式是系统中常见的模式，它可以在大量错误的分子中选择对的分子。举个例子，合成蛋白的核糖体工厂必须选择准确的转运RNA，这些RNA中有些是与要选择的RNA极度相似却又不是所要的RNA。除Kaplan外，另外的第一作者Karl-Magnus Larsson和Roger Kornberg。

 

在另外一篇发表在《Molecular Cell》的论文中，Kashlev和他的研究小组使用不同的突变酵母来研究Pol II的活性位点。他们对Pol II突变株进行筛选发现E1103G株的错误率比正常的Pol II要高出好几倍。

 

Kashlev说，重要的是，研究者使用新的检测法可以准确的测量出转录的错误率，这个新的检测法称为：retrotransposition assay，由共同作者Jeffrey Strathern建立。

 

研究者对E1103G的分析使我们对触发回路（trigger loop）有了更多的了解。

 

正常情况下，NTP进入酶的活性位点并散开来，触发回路（trigger loop ）像门一样将位点关闭，直到酶将NTP准确的加入到RNA链上再重新打开。如果NTP信息不准确，这个回路又将把门打开更长的时间，以便让错误的NTP从活性位点离去，活性位点将接受下一个正确的信息。

 

Kashlev说，我们突变的位置是回路门的关键位置，就像是门的插销。因此，在突变的位置上，门的关闭状态将延续更长的时间，如果错误的NTP移居到这个位点上去，那么将可能使得酶将错误NTP加入到RNA链上。

 

Kashlev说，他们研究的目的是要弄清楚Pol II的转录保真机制，以及Pol II在基因组的保真率中的错误率。尤其是Pol II产生的错误可能导致错误的信使RNA导致产生异常的DNA聚合酶本底。DNA聚合酶是基因复制的酶，DNA聚合酶发生故障将直接导致基因突变，引发巨大错误发生，导致基因组不稳定和生成癌症。

（生物通 张欢）