張余研究組報導細菌ECFσ因子介導的轉錄起始分子機制

       2019年5月27日,Nucleic Acids Research在線發表了中科院分子植物卓越創新中心/植物生理生態研究所中科院合成生物學重點實驗室張余研究組題為“Structures and mechanism of transcriptioninitiation by bacterial ECF σ factors”的研究論文。該工作是張余研究組在今年早期工作的延續(Li etal., Nature communications 2019)。本文主要研究了細菌ECF σ因子的結構、ECF σ因子特異性識別啟動子DNA序列、以及ECFσ因子起始轉錄的分子機制,重點探討了ECF σ因子的σ2/σ4 linker區域的結構與功能。

       細菌基因轉錄首先需要DNA-directedRNA polymerase (RNAP)與轉錄起始σ因子形成RNA聚合酶全酶,隨后RNAP全酶識別啟動子DNA,打開雙鏈DNA形成轉錄泡,起始RNA合成。細菌的基因表達主要由轉錄起始σ因子調控。其中看家σ因子負責細菌基本生命活動的基因表達。而Extra-CytoplasmicFunction (ECF) σ因子主要負責響應環境以及胞內信號,開啟特異的基因表達程序。

       研究中,作者解析了細菌兩個ECF σ因子與RNAP的轉錄起始復合物,包括大腸桿菌σE(EcσE-RPo)和結核分枝桿菌的σH/E(MtbσH/E-RPo)。結構顯示ECFσ因子和看家σ因子與RNAP的相互作用方式類似,識別啟動子DNA的方式類似,但是打開啟動子雙鏈的機制不同。ECFσ因子的σ2/σ4 linker區域伸入到RNAP的催化活性中心,穩定單鏈的模板鏈DNA。因為ECFσ因子的σ2/σ4 linker區域之間沒有任何的序列保守性,并且和看家σ因子的相應區域序列完全不同,作者對ECF σ因子的σ2/σ4 linker區域進行了深入研究,通過預測27,670條ECFσ因子的σ2/σ4 linker的二級結構,發現該區域雖然在一級蛋白序列上沒有相似性,但是卻在二級結構上保守,很可能均以相同的方式和RNAP相互作用。隨后作者證明了σ2/σ4linker在解開DNA雙鏈,起始RNA合成,以及脫離啟動子DNA進入轉錄延伸等過程中發揮重要功能。

       論文第一作者為張余研究組方城力博士和李玲婷博士。阿卜杜拉國王科技大學王晟,浙江大學醫學院馮鈺研究員以及張余研究員是該論文的通訊作者。