《Science》又一项研究驳斥了生物学教科书

　　

教科书上点到为止，但科学家们至今始终无法理解一个过程：基因一旦开始复制，为什么那些被复制的材料就马上被正确的关闭了？

新发现涉及生命所必需的一个关键过程：基因表达的转录阶段。

在转录过程中，一种名为RNA聚合酶的酶将自身包裹在DNA的双螺旋上，利用一条链与核苷酸匹配来复制遗传物质，从而产生一条新合成的RNA链，在转录完成后断裂。RNA使蛋白质的产生成为可能，蛋白质对所有生命都至关重要，并在细胞内完成大部分工作。

就像任何连贯的信息一样，RNA需要在正确的地方开始和停止，这样才有意义。一种在50多年前被发现的细菌蛋白Rho，有阻止或终止转录的能力。在每一本教科书中，Rho都被用作一个模型终结者，它利用其强大的运动力，与RNA结合并将其从RNA聚合酶中拉出。但是，这些科学家仔细观察后发现，Rho无法用教科书上的机制找到它需要释放的RNA。

“我们开始研究Rho，并意识到它不可能以书本告诉我们的方式起作用，”该研究的共同一作、俄亥俄州立大学微生物学教授Irina Artsimovitch说。

2020年11月26日《Science》在网上发表的研究结果表明，Rho在转录过程中并不是附着在特定的RNA片段上并帮助它从DNA中释放出来，而是在转录过程中“搭便车”在RNA聚合酶上。Rho与其他蛋白质协同作用，最终通过一系列结构变化来诱导酶，最终导致RNA释放的非活性状态。

研究小组用精密显微镜揭示了Rho是如何作用于一个由RNA聚合酶和两个辅助蛋白组成的完整的转录复合物上的。

Artsimovitch说：“我们看到了首个（无论任何系统）终端复合体的结构，而且由于它分解得太快，原本不可能获得。”

“它回答了一个基本的问题——转录是生命的基础，但如果不加以控制，什么都不会起作用。RNA聚合酶本身必须是完全中性的。它必须能够制造任何RNA，包括那些被破坏或可能伤害细胞的RNA。当携带RNA聚合酶旅行时，Rho可以判断合成的RNA是否值得制造——如果不值得，Rho会释放它。”

在RNA聚合酶如何成功完成转录方面Artsimovitch有许多重要发现。但她一开始并没有反驳多年来人们对Rho在终止中的作用的理解，直到她实验室的一名本科生在从事一项遗传学项目时发现了Rho的令人惊讶的突变。

众所周知，Rho可以抑制细菌中毒力基因的表达，使细菌保持休眠状态，直到需要引起感染为止。但是这些基因没有已知的Rho优先结合的RNA序列。正因为如此，Artsimovitch说，Rho只寻找特定的RNA序列，甚至不知道它们是否仍然附着在RNA聚合酶上，这是没有道理的。

事实上，对Rho机制的科学理解是通过简化的生化实验建立起来的，这些实验常常忽略了RNA聚合酶——本质上，定义了一个过程如何结束而不考虑过程本身。

在这项工作中，研究人员利用低温电子显微镜技术捕捉了在大肠杆菌（模型系统）的DNA模板上运行的RNA聚合酶的图像。这种高分辨率可视化，结合高端计算，使精确的转录终止建模成为可能。

RNA聚合酶在移动，与细菌中数十万个核苷酸相匹配。“这种复合物非常稳定，因为它必须这样，如果RNA被释放，它就会丢失，”Artsimovitch说。“然而Rho即使不是几秒钟，也能在几分钟内使这个复合体瓦解。你可以看看，但你无法得到一个稳定的复合体来分析。”

科学家们利用一种巧妙的方法在复合物分解之前捕获它们，使科学家们能够想象出7种复合物，它们代表着终止途径中的顺序步骤，从Rho与RNA聚合酶的结合开始，到一个完全不活跃的RNA聚合酶结束。研究小组根据他们所看到的建立了模型，然后使用遗传和生化方法确保这些模型是正确的。

虽然这项研究是在细菌中进行的，但Artsimovitch说这种终止过程很可能发生在其他生命形式中。

“这似乎很常见，”她说。“一般来说，细胞使用来自同一祖先的类似工作机制。只要这些技巧有用，它们就会继承。”