揭示古菌FttA因子依赖型终止机制的三维结构研究——基于冷冻电镜的分子解析

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1051次浏览发布时间：2024-09-27 14:38:56

　　终止终止是RNA聚合酶在合成RNA链的过程中结束延伸，把RNA从DNA模板上解离出来的关键步骤。这个过程对于调节基因表达、维持基因组稳定性以及RNA聚合酶的再利用至关重要。因子转录终止终止作为普遍存在于细菌、古菌和真核生物中的一种机制，涉及特殊的转录因子，这些因子通过与RNA聚合酶和RNA的转录终止终止。然而，尽管细菌和真核生物中的调控终止机制已得到全面的指引，古菌生命的第三域，其因子依赖型调控终止仍然缺乏深入的了解。

　　2024年9月25日，中国科学院上海免疫与感染研究所王程远研究组联合美国罗格斯大学Richard Ebright团队、美国科罗拉多州立大学Thomas Santangelo团队，在《自然》(Nature)上发表了一项突破性研究，题目为《古菌FttA依赖型终止复合物的结构基础》(Structural basic of archaeal FttA-dependent转录终止)。该研究通过冷冻电镜技术首次解析了古菌FttA依赖型终止复合物的结构基础三维结构，揭示了FttA因子如何介导古菌RNA聚合酶进行终止的分子。这一发现为深入理解古菌、细菌和真核生物中因子依赖型终止机制的趋同进化提供了新的视角。

　　研究背景与现实情况

　　终止终止是RNA聚合酶停止合成并释放RNA的步骤，如果这个过程发生异常，可能会导致下游基因的表达激活，RNA聚合酶重要的无法有效循环利用，甚至威胁到基因组的分裂。细胞和真核生物中的调控终止机制得到了敏感的信号。比如，细胞中的Rho因子通过结合RNA并沿着RNA分子5'→3'方向转位，施加机械力使RNA切除DNA模板，然而，古菌的因子依赖型终止终止监测尚老虎。

　　古菌终止因子FttA，也称为aCPSF1，是一类与真核生物整合子复合物中的INTS11亚基和CPSF73亚基具有同源性的蛋白质。它不仅具有核糖核酸内切酶和外切FttA的功能还与唯一在三大域中都存在的Spt5转录因子紧密相关，Spt5能够促进生命FttA的终止活性，但其具体机制一直不存在响亮。

　　解决方法与结构解析

　　为了揭示FttA如何介导终止，研究团队形成利用外部RNA切割和解离实验，验证了FttA、Spt5和RNA聚合酶可以具有活性的终止终止复合物。由于终止过程具有高度动态性，研究人员通过出现突变的FttA蛋白稳定复合材料，立即利用冷冻电镜技术解析了分辨率为2.2Å至2.5Å的终止的复合材料三维结构。

　　结构显示，FttA结合在RNA退出通道的预测，使得RNA从RNA聚合酶退出通道直接进入FttA的切割中心。Spt5的N端结合RNA聚合酶，C端则与FttA结合，发挥桥梁作用，解释了Spt5如何促进FttA介导的终止。FttA以二聚体形式存在，其中FttAprox负责RNA的切割，而FttAdist则通过与mRNA的应答增强复合物的稳定性，并寻址地识别终止信号序列。

　　FttA的二聚体形式大大增强了其RNA切割活性。通过核糖连接内切酶的活性，FttA首先切割RNA，然后通过外切酶活性沿着RNA分子5'→3'方向切割和转位，最终施加机械力将RNA聚合酶解离，从而完成终止。

　　比较三域生物的因子型依赖终止机制

　　该研究还进一步比较了细菌、古菌和真核生物的细胞因子依赖型缩短终止机制，发现虽然三大域的终止因子存在显着差异，但它们依赖于相似的分子机制来执行生命终止。中，Rho因子通过结合RNA并沿5'→3'方向转位，施加机械力激发终止;在古菌中，FttA通过内切酶和外切酶的双重活性激发终止;而在真核生物中，INTS11和CPSF73RNA负责的切割，并通过类似的5'→3'方向转位施加力，完成终止终止。研究提出，这些终止机制可能代表了三域生物因子依赖型终止的趋同进化模式，揭示了终止机制在生命起源与进化中的关键作用。

　　结论与未来展望

　　最近研究通过冷冻电镜解析了古菌FttA依赖型终止补充复合物的三维结构，阐明了Spt5蛋白如何介导FttA与RNA聚合酶的应答，并揭示了细菌、古菌和真核生物中因子该研究不仅为理解古菌转录终止提供了分子基础，还为探索古菌转录-翻译偶联的质量控制机制奠定了结构基础。

　　随着研究的深入，未来的科学家可以进一步探讨FttA与其他古菌调节因子的良好机制，揭示更多与古菌调节相关的功能和结构特点。这将有助于理解古菌生物学以及生命进化的复杂性提供了新的研究方向和思路。

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