Science:改写教科书!揭示Rho让RNA聚合酶失活终止转录新机制

基因表达分为转录阶段和翻译阶段。科学家们之前一直并不知道在细胞中,DNA转录一旦开始,是如何被正确关闭的。在转录过程中,一种称为RNA聚合酶的酶将自身包裹在DNA的双螺旋周围,使用一条DNA链与核苷酸匹配以形成遗传物质的副本---一条新合成的RNA链,该RNA链的合成在转录完成后会释放出来。所产生的RNA可以

参考资料:

1.Nelly Said et al. Steps toward translocation-independent RNA polymerase inactivation by terminator ATPase ρ. Science, 2020, doi:10.1126/science.abd1673.

2.Study revealing the secret behind a key cellular process refutes biology textbooks
https://phys.org/news/2020-11-revealing-secret-key-cellular-refutes.html

2020年11月29日讯/医药达1YAODA/---基因表达分为转录阶段和翻译阶段。科学家们之前一直并不知道在细胞中,DNA转录一旦开始,是如何被正确关闭的。

在转录过程中,一种称为RNA聚合酶的酶将自身包裹在DNA的双螺旋周围,使用一条DNA链与核苷酸匹配以形成遗传物质的副本---一条新合成的RNA链,该RNA链的合成在转录完成后会释放出来。所产生的RNA可以产生蛋白,而蛋白对于所有生命都是必不可少的,并可以在细胞内完成大部分工作。

就像任何连贯的信息一样,RNA转录需要在正确的位置启动和停止才有意义。50年前发现了一种叫做Rho的细菌蛋白,它具有停止或终止转录的能力。在每本教科书中,Rho都用作模型终止子,利用它的强大动力,与RNA结合并将它从RNA聚合酶中拉出。但是,在一项新的研究中,来自德国柏林自由大学、亥姆霍兹柏林材料与能源中心和美国俄亥俄州立大学等研究机构的研究人员仔细观察后发现,Rho无法使用教科书中描述的机制找到需要释放的RNA。相关研究结果于2020年11月26日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Steps toward translocation-independent RNA polymerase inactivation by terminator ATPase ρ”。

图片来自Vossman/Wikipedia。

论文共同通讯作者、俄亥俄州立大学微生物学教授Irina Artsimovitch说,“我们开始研究Rho,并意识到它不可能以人们告诉我们的方式起作用。”

这项研究确定Rho不是在转录即将结束时附着在特定的RNA片段上并帮助它从DNA上解脱出来,而是在转录持续期间在RNA聚合酶上“搭便车”。Rho与其他蛋白协同作用,诱导RNA聚合酶发生一系列结构改变而最终进入无活性状态,从而让RNA得以释放。

这些作者使用精密的显微镜揭示了Rho如何作用于由RNA聚合酶和两个伴随它在整个转录过程中移动的辅助蛋白组成的完整转录复合体。Artsimovitch说,“这是转录终止复合体(termination complex)在任何系统中的第一个结构,并且之前一直被认为是不可能获得的,这是因为它分解得太快了。它回答了一个基本问题---转录是生命的基础,但是如果不加以控制,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,包括那些受损的或者能够损害细胞的RNA。在与RNA聚合酶一起移动时,Rho可以判断合成的RNA是否值得制造---如果不值得,Rho就会释放它。”

关于RNA聚合酶如何成功完成转录,Artsimovitch取得了许多重要发现。她原本并没有打算反驳多年来对Rho在转录终止中的作用的理解,直到她的实验室的一名本科生在从事遗传学项目时发现了Rho的令人惊讶的突变。

众所周知,Rho可以沉默细菌中的毒力基因,本质上是让细菌处于休眠状态,直到引起感染时才需要激活它们。但是这些基因没有任何已知的让Rho优先结合的RNA序列。Artsimovitch说,正因为如此,若认为Rho只寻找特定的RNA序列,甚至不知道它们是否还附着在RNA聚合酶上,这是说不通的。

事实上,对Rho机制的科学理解是通过简化的生化实验建立的,这些实验往往忽略了RNA聚合酶,这在本质上定义了一个过程如何结束,而未考虑这个过程本身。

在这项研究中,这些作者使用低温电镜捕获了在他们的模式生物大肠杆菌的DNA模板上运行的RNA聚合酶的图像。这种高分辨率的可视化观察与高端计算相结合,使得对转录终止进行精确建模成为可能。

Artimovitch说,“RNA聚合酶向前移动,从而与细菌中的数十万个核苷酸匹配。这种复合物非常稳定,这是因为它必须如此,如果RNA被释放,那么它就会丢失。然而,Rho能够在几分钟(甚至几秒钟)内让这种复合物解体。你可以观察它,但无法获得稳定的复合物进行分析。”

使用巧妙的方法在这种复合物分解之前将它捕获,使得这些作者可以观察到代表转录终止途径中一系列连续步骤的七种复合物,从Rho与RNA聚合酶的结合开始到完全无活性的RNA聚合酶结束。他们根据他们观察到的内容构建模型,然后使用遗传和生化方法确保这些模型正确。

尽管这项研究是在细菌中进行的,但是Artsimovitch说,这种转录终止过程很可能会在其他生命形式中发生。

她说,“这似乎很常见。一般来说,细胞使用来自共同祖先的类似工作机制。只要这些技巧有用,它们都会学习同样的技巧。”(医药达 1yaoda.com)

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