RNA聚合酶I核心因子通过DNA结构特征识别核心启动子元件的分子机制研究

本研究针对RNA聚合酶I（Pol I）转录起始过程中核心因子（CF）如何识别高度变异的rDNA核心启动子元件（CE）这一关键问题，通过多物种序列分析、竞争性EMSA和SELEX等技术，首次揭示CF通过DNA结构特征（如弯曲度、曲率和小沟宽度）而非序列特异性结合CE的分子机制，为理解真核生物核糖体生物合成的进化保守性提供了新视角。

　　

在真核细胞中，核糖体作为蛋白质合成的分子机器，其生物合成效率直接决定细胞增殖能力。而这一过程的核心环节——核糖体RNA（rRNA）的转录，几乎全部由RNA聚合酶I（Pol I）完成，其转录活性占细胞总转录量的60%以上。然而长期以来，科学家们面临一个进化谜题：尽管Pol I转录机器在物种间结构高度保守，但其识别的rDNA核心启动子元件（Core Element, CE）序列却呈现显著变异。这种矛盾现象暗示着可能存在超越序列保守性的识别机制。

为破解这一难题，美国纽约州立大学的研究团队在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Regulatory Mechanisms》发表研究，系统揭示了核心因子（Core Factor, CF）通过DNA三维结构特征识别CE的分子机制。研究人员采用多学科交叉策略：首先通过35种真菌CE序列的进化分析发现结构保守性特征；继而运用竞争性电泳迁移率实验（EMSA）定量评估单碱基突变对CF结合的影响；结合体外SELEX筛选和DNA形状参数计算，建立了CF结合偏好性的结构预测模型；最终通过体内实验验证结构特征的决定性作用。

Conservation of CE sequence and structural features across fungi species
对35种真菌rDNA启动子的比较基因组学分析发现，尽管CE序列变异显著，但存在两个关键结构保守区：-22至-20位的刚性AT富集区（rigid AT-rich patch）和-24位保守的G碱基对。DNA形状计算显示这些区域具有特定的弯曲度（bendability）和曲率（curvature）特征。

PCR synthesis of infrared-labeled EMSA probes
通过建立高灵敏度红外标记EMSA体系，研究人员定量评估了CE各位置单碱基突变对CF结合的影响。结果显示除AT富集区外，多数位点突变不影响结合，证实CF对序列变异的广泛耐受性。

Discussion
综合实验数据表明，CF通过"结构识别模式"结合CE：刚性AT富集区作为"分子锚点"维持复合物稳定性，而整体DNA柔韧性（bendability）促进构象适应。SELEX筛选获得的高亲和力CE变体虽序列不同，但均具有增强的弯曲度和减弱的曲率特征。这种结构优先的识别机制解释了Pol I系统在物种间的功能保守性——即使序列快速进化，只要维持关键结构特征即可保证转录活性。

该研究首次系统阐明了Pol I转录起始复合物识别启动子的结构基础，突破了传统转录因子"序列特异性结合"的认知框架。发现的结构识别原则不仅适用于酵母CF，其人类同源物SL1也遵循相似机制，为开发靶向rDNA转录的抗癌药物提供了新思路。例如，设计干扰AT富集区刚性的小分子，可能选择性抑制肿瘤细胞异常活跃的Pol I转录。此外，建立的结构-活性关系模型为合成生物学中设计人工rDNA启动子提供了理论指导。这项研究从分子层面揭示了生命维持核糖体生物合成精确调控的进化智慧，为理解真核基因表达调控的普适规律贡献了重要范例。