Nature子刊发现维持基因组稳定性的新机制

新的研究揭示了RapA酶是如何保护大肠杆菌免受r环细胞毒性的。

　　

从遗传学上讲，这是细菌最糟糕的情况：在转录过程中，新生成的RNA粘在DNA模板上，形成一个被称为r环的3链结构。虽然这些结构在细胞中扮演着重要的角色，但在错误的时间出现在错误的位置上的r环可能是灾难性的，会导致DNA断裂、突变和细胞死亡。

现在，《自然结构与分子生物学》杂志上的一项新研究描述了RapA酶如何阻止大肠杆菌中r环的形成，这对所有细胞如何保持基因组稳定性具有深远的意义。研究结果表明，在某些情况下，负责将DNA复制成RNA的RNA聚合酶（RNAP）可以产生猖獗的r -环——如果没有一种叫做RapA的蛋白质的干预的话。

“r环通常是坏消息，所以细胞有许多多余的机制来阻止它们的形成，”分子生物物理实验室的负责人Seth Darst说。“我们发现RapA，一种我们多年来一直好奇的蛋白质，是这些关键机制之一。”

生命之颚

所有生物都依靠RNAP将DNA转录成RNA。在细菌中，研究人员早就知道，当RNAP夹在DNA链上并在接收到sigma蛋白的绿光后启动转录过程时，转录就开始了。但是转录如何结束的细节仍然很模糊。例如，新的研究表明，即使在新完成的RNA转录物被释放后，RNAP仍然经常被夹在DNA上——人们对其原因和方式知之甚少。

早在20世纪90年代，达斯特实验室就发现了RapA，这是一种明显与rna相互作用的atp酶，但没有明显的功能。“当时，我们真的不知道RapA在做什么，”他说。但几十年后，当一个独立的研究小组发现大肠杆菌暴露在高压、高盐的条件下，没有RapA就无法生长时，达斯特对这种神秘蛋白质的兴趣重新燃起。

他的团队开始使用冷冻电镜来检查转录终止后RNAP如何保持夹在DNA上，以及RapA如何与之相互作用。他们选择了负超螺旋DNA——一种双螺旋的低缠绕和扭曲形式——因为它比结构研究中经常使用的线性DNA更能模拟细菌DNA的自然状态。“我们的研究是第一个在低温电子显微镜实验中使用负超螺旋DNA的研究之一，”第一作者约书亚·布鲁尔说，他设计了这个实验。“这种方法帮助我们更好地可视化DNA的拓扑状态，蛋白质如何重新排列自己，以及它们如何与DNA相互作用。”

他们惊讶地发现，当转录完成后RNAP仍然夹在DNA上时，它很少闲置。相反，它可以再次启动转录，这一次没有正常的sigma蛋白保护。在缺少sigma的情况下，转录起始形成有害的r环，除非RapA能够首先干预，撬开RNAP夹。达斯特说：“RNAP就像一只大爪子，紧紧地抓住DNA。”“RapA结合RNAP并打开夹子，使其在产生r环之前从DNA上脱落。”

除了细菌

拉帕所扮演角色的清晰图景开始浮现。当研究小组将没有RapA的细菌置于高压、高盐条件下时，这些微生物经历了遗传不稳定性——证据表明，在某些情况下，RNAP更有可能保持在DNA上，更有可能形成r环。

他们还了解到，虽然大肠杆菌也拥有Rho，一种经过充分研究的酶，能够将r环分开，但当RapA缺失时，Rho不能完全补偿。布鲁尔说：“当你击倒RapA时，Rho就不得不加班。“当大肠杆菌受到高盐胁迫时，RapA和Rho似乎是基因组稳定性的补充而非冗余保障。”

其影响可能是巨大的。达斯特、布鲁尔和同事们怀疑rapa或类似的东西（可以这么说，一种RNAP释放因子）不仅存在于大肠杆菌中，而且存在于所有细菌中，也许存在于所有细胞中。在其他生物体中发现类似的机制可能会激发新的策略来靶向与转录相关的基因组不稳定性相关的疾病。

达斯特说：“我们预测，在整个生命之树中，其他酶可能具有类似的功能。”“我们对这些机制了解得越多，我们对细胞如何保护其基因组的理解就越深入。”