Nature | 中国科学院合作揭示古菌因子依赖型转录终止分子机制

　　

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、美国罗格斯大学Richard Ebright团队及科罗拉多州立大学Thomas Santangelo团队合作在Nature上发表了题为“Structural basis of archaeal FttA-dependent transcription termination”的研究论文，该研究解析了古菌FttA因子依赖型转录终止复合物的三维结构，揭示了FttA因子介导古菌RNA聚合酶转录终止的分子机制。

转录终止是RNA聚合酶停止转录延伸，并使RNA从DNA上解离释放的过程。异常的转录终止会干扰下游基因的表达，阻碍RNA聚合酶的循环利用，破坏基因组的稳定性。因子依赖型转录终止是普遍存在于细菌、古菌和真核生物中的一类转录终止机制。近两年，关于细菌（Nature | 王程远等解析细菌Rho因子依赖型转录终止的结构基础）和真核生物（Nature | 张余研究组揭示Pol II 终止mRNA合成的机制）的转录终止的分子机制相继被阐明。然而作为第三生命域的古菌，其因子依赖型转录终止的机制尚未被阐明。

古菌转录终止因子FttA（Factor terminates transcription in Archaea），也称作aCPSF1（Archaeal cleavage and polyadenylation specificity factor 1），是真核生物整合子复合物（INT）中INTS11亚基和切割与加聚腺苷酸特异性因子复合物（CPSF）中CPSF73亚基的同源蛋白（图1a），负责古菌中大多数转录单元的转录终止。FttA具有核糖核酸内切酶活性和5'→3'核糖核酸外切酶活性。另一方面，唯一在三域内保守的转录因子Spt5能促进FttA的转录终止活性（在细菌中为NusG，在古菌和真核生物中为Spt5）（图1b）。但关于FttA如何介导古菌RNA聚合酶的转录终止，Spt5又是如何促进转录终止的机制尚不清楚。

图1 转录终止因子FttA和转录延伸因子NusG/Spt5

在本研究中，研究团队首先利用体外RNA切割和解离实验，确认了各个组分可以组装成具有转录终止活性的复合物。由于转录终止的过程动态且不稳定，为了捕捉稳定的转录终止复合物，研究团队使用突变的FttA蛋白（具有结合活性但切割和解离活性有限）进行复合物组装，并通过单颗粒冷冻电镜方法成功解析了分辨率为2.2-2.5 ?的转录终止复合物结构（图2）。结构表明：

图2 转录终止复合物结构

1. FttA结合在RNA退出通道的外侧，使RNA可以直接从RNA聚合酶退出通道进入FttA的切割活性中心；

2. Spt5在FttA与转录延伸复合物（TEC）之间起到桥梁的作用，其N端结构域结合RNA聚合酶，C端结构域结合FttA，从而解释了Spt5如何促进FttA介导的转录终止；

3. FttA以二聚体形式发挥作用，FttAprox 和FttAdist在功能上有所不同。FttAprox 负责执行终止所需的RNA切割，而FttAdist提供支持，通过扩展与mRNA的相互作用面，增强序列U的选择性和终止复合物的稳定性，FttA的二聚体形式增强了其RNA切割活性；

4. FttA首先用核糖核酸内切酶活性对mRNA进行切割，随后利用外切酶活性进行5'→3'切割mRNA，并沿着mRNA进行5'→3'转位，从而对TEC施加机械力，引发转录终止。

本研究进一步比较了细菌、古菌和真核生物的因子依赖型转录终止机制，结果表明：

在细菌中，具有转位酶活性的Rho因子结合RNA，并沿RNA的5'→3'方向转位，对TEC施加机械力，从而引发终止（图3a）。

在古菌中，具有核糖核酸内切酶和外切酶活性的FttA切割RNA，并同样进行5'→3'转位，触发终止（图3b）。

在真核生物中，INTS11或CPSF73首先切割RNA，随后INTS11、CPSF73或XRN2沿着RNA 5'→3'方向进一步切割和转位，引发转录终止（图3c）。

这些终止机制均依赖于终止因子在RNA通道外侧与RNA聚合酶和RNA结合，通过转位酶活性或外切酶活性对TEC施加机械力，引发转录终止。研究团队提出的三域生物因子依赖型转录终止机制的趋同进化模型，为进一步探寻生命的起源与进化提供了重要的研究基础。

图 3 细菌、古菌和真核生物因子依赖性转录终止机制模型

综上所述，本研究通过冷冻电镜解析了古菌FttA依赖性转录终止复合物的三维结构，阐明了Spt5蛋白介导FttA与RNA聚合酶的相互作用方式，揭示了细菌、古菌和真核生物中因子依赖性终止机制的基本统一性，并为进一步理解古菌转录终止及古菌转录-翻译偶联质量控制的结构和功能提供了基础。?

该工作得到国家自然科学基金面上项目、上海市2023年度“科技创新行动计划”基础研究等项目支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07979-9

王程远课题组长期从事极端环境古细菌、致病菌转录机制以及利用药用植物天然代谢产物筛选抗生素药物的研究工作。近期以（含共同）通讯或第一作者在Nature，Science，Nature Communications，Nature Structural & Molecular Biology，PNAS等杂志发表高水平论文多篇，并被Science，Nature Reviews of Microbiology?等杂志点评引用。近期代表作包括阐明了细菌重要环境适应调控机制——转录翻译偶联机制（Wang C. et al，Science，2020）和细菌Rho因子依赖型转录终止（Molodtsov V. et al，Nature，2023）的分子机制；解析了沙门氏菌重要毒力调控蛋白Rof通过Rho因子调控其毒力因子表达的分子机制（Zhang J. et al，Nature Communications，2024)；解析了致病菌转录调控蛋白RfaH依赖转录翻译偶联机制激活毒力基因表达的分子机制（Molodtsov V. et al，Nature Structural & Molecular Biology，2024)。

---

附件下载：