1月12日，明升中国app院分子植物app卓越创新中心合成生物学重点实验室张余研究团队、美国威斯康辛大学麦迪逊分校Robert Landick团队与浙江大学冯钰团队合作，在《自然》（Nature）上，发表题为Structural basis for intrinsic transcription termination的研究论文。该研究捕获了细菌固有转录终止的中间状态冷冻电镜结构，揭示了细菌RNA聚合酶识别转录终止序列、停止转录、解离RNA的分子机制。

转录是基因表达的第一步，是遗传中心法则的重要组成。RNA聚合酶以DNA为模板进行的转录分为转录起始、转录延伸和转录终止三个阶段。RNA聚合酶的转录终止通过两种途径发生：一是依赖于终止因子的转录终止；二是不依赖于终止因子的转录终止，也称固有转录终止。固有转录终止是病毒、细菌和真核生物RNA聚合酶保守的转录终止方式。细菌固有转录终止是RNA聚合酶转录至终止序列时自发停止转录的转录终止方式，不依赖于转录终止Rho蛋白，因而又称不依赖Rho因子的转录终止。细菌的固有转录终止序列由富含GC的发卡结构以及紧随其后的U-tract序列组成（图1）。

在转录终止环节，RNA聚合酶需要从高速的延伸状态（～50 碱基/秒）紧急刹车停止转录，随后RNA聚合酶迅速发生构象变化，RNA和DNA从高度稳定的RNAP-DNA-RNA复合物解离。由于转录终止具有高度动态和且反应迅速的特征，因此解析转录终止的结构和分子机制具有较大难度。科研团队借鉴既往成果，拆分了转录终止序列，捕获了三个关键的转录终止中间态结构。研究团队解析了只包含U-tract序列的TTC-pause结构发现，包含U-tract序列的RNA-DNA杂合双链呈现非活性构象，阻止NTP进一步结合，促使转录暂停。随后，研究人员解析了包含U-tract序列和部分RNA发卡结构的TTC-hairpin结构发现，RNA发夹折叠进RNA聚合酶内部，诱导RNA聚合酶发生构象变化，削弱了RNA聚合酶和RNA-DNA杂合双链的相互作用。进一步，生化实验证明，上述构象变化促使转录泡的两条DNA单链闭合，进一步破坏RNA-DNA杂合双链结构，促进RNA解离。最后，研究在转录暂停复合物中添加antisense RNA模拟形成完整的发卡结构并诱导转录终止，解析了TTC-release结构。该结构捕获了转录终止发生过程中RNA已解离但DNA仍结合在RNA聚合酶的中间状态。

基于上述转录终止关键中间状态的三维结构和生化实验结果，该研究提出了固有转录终止的四个反应步骤，即“DNA-rewinding triggered RNA release”RNA解离机制（图2）——转录暂停（TTC-pause）：转录终止子的U tract序列诱导催化中心的RNA-DNA 杂合双链呈半移位状态（RNA已移位，但DNA未移位），阻止NTP的添加并诱导转录暂停；发夹入侵（TTC-hairpin）：RNA发夹折叠进入RNA聚合酶内部，占据RNA通道，诱导RNA聚合酶结构域构象变化，并削弱RNAP和RNA-DNA杂合双链的相互作用；转录泡DNA闭合（TTC-rewinding）：转录泡的两条DNA单链碱基重新配对，进一步破坏RNA-DNA杂合双链；RNA解离（TTC-release）：RNA聚合酶释放RNA，仍可以在基因组上自游滑动，最终解离或者滑动至启动子DNA开始下一轮转录。

该研究报导了细菌固有转录终止关键中间态的冷冻电镜结构，还原了细菌固有转录终止的全过程，回答了细菌RNA聚合酶如何识别转录终止序列、暂停转录、释放RNA的分子机制。该研究拓展了人们对于转录终止的认识。该成果提出的“DNA-rewinding triggered RNA release”机制为真核RNA聚合酶的转录终止机制提供了参考。

研究工作中科院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、上海市基础研究特区计划、上海市科技创新行动计划等的支持。

论文链接：

图1.细菌基因转录示意图以及经典的细菌转录终止子序列示意图

图2.细菌固有转录终止机制模型