Nature | 王程远等解析细菌Rho因子依赖型转录终止的结构基础

　　

 1月25日，美国罗格斯大学 Richard Ebright 团队在Nature上发表题为Structural basis of Rho-dependent transcription termination 的研究论文，该研究解析了细菌Rho因子依赖型转录终止复合体冷冻电镜结构，揭示了细菌Rho因子介导RNA聚合酶转录终止的分子机制。

本文的共同第一作者及共同通讯作者王程远博士现为中国科学院上海巴斯德研究所微生物、发育与健康研究中心研究员。

 

　　

　　Rho因子依赖型转录终止（Rho dependent transcription termination）是普遍存在于细菌中的一类转录终止机制。与终止信号编码在DNA中的固有终止不同，Rho因子依赖型转录终止主要通过具有5′→3′转移酶/解旋酶活性的Rho因子完成RNA聚合酶转录终止过程，同时与转录翻译偶联过程相互协作，在细菌应激基因表达、外源基因沉默、毒力因子调控、维持基因组稳定性等过程起着重要调控作用。

　　细菌Rho因子依赖型转录终止过程主要包括四个步骤：1）Rho解旋酶形成开环状态（open-ring state）六聚体，并通过其初始RNA结合位点（Primary binding site，PBS）识别信使RNA上的特殊序列（Rho utilization site，rut site）并与信使RNA结合；2）开环状态Rho六聚体通过其中心位置第二个RNA结合位点（secondary binding site，SBS）与富嘧啶RNA序列结合；3）开环状态六聚体闭合形成闭环六聚体（close-ring state），并通过水解ATP提供能量沿着5’-3’方向在信使RNA上移动；4）Rho解旋酶六聚体接近延伸状态RNA聚合酶，并通过NusG转录因子介导与RNA聚合酶结合，通过水解ATP提供机械力解离信使RNA与RNA聚合酶，最终完成RNA聚合酶的转录终止过程。

　　

　　　　

　　图1：Rho依赖型转录终止过程模型图

　　

　　然而Rho因子如何识别rut序列、NusG如何介导RNA聚合酶与Rho的相互作用等机制尚不清晰。研究团队首先设计带有不同长度信使RNA的核酸骨架，测试不同组合情况下（不同PBS底物λtR1、dC5、dC15和dC75；NusG；ATP等）体外转录终止效率，确定Rho依赖的转录终止需要PBS底物（λtR1、dC75）、NusG、ATP、Rho同时存在的情况下才能发挥转录终止活性，并且当信使RNA spacer为6密码子长度时具有最高的终止效率；之后通过单颗粒冷冻电镜方法分别解析了Rho-NusG-RNAP与不同PBS底物结合的转录终止复合体结构（分辨率为4.2-6.5 ？）。最终基于这些结构，研究团队证明：　　

　　图2：转录终止复合体结构（上）及Rho因子驱动模型（下）

　

　　1）NusG蛋白通过N端结构域结合RNA聚合酶，C端KOW结构域结合Rho蛋白C端结构域，连接RNA聚合酶和Rho因子； 　

　　2）Rho因子六聚体处于闭环状态，其PBS位点特异性与信使RNA rut序列结合，SBS位点与信使RNA spacer部分结合；

　　3）Rho因子六聚体分别结合ATP分子，依次连续发生水解反应，提供能量驱动Rho因子沿着5′→3′方向在RNA上移动，并最终通过对RNA聚合酶施加机械力，破坏其活性反应中心RNA-DNA杂合双链，完成转录终止过程；

　　4）RNA聚合酶通过ω亚基、β亚基FTH结构域、信使RNA以及NusG与Rho因子相互作用，最终完成转录终止反应。

　　该研究报道了细菌Rho依赖型转录终止复合体冷冻电镜结构，解析了Rho因子特异性识别rut序列，PBS、SBS位点分别结合信使RNA的分子机制，揭示了NusG蛋白介导Rho因子与RNA聚合酶结合的作用方式。该研究回答了转录终止的关键基础科学问题。　　

　　原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05658-1