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冯钰课题组在《Nature Communications》发文揭示噬菌体Q蛋白的抗终止机制

编辑:林海燕 来源:基础医学系 时间:2019年07月08日 访问次数:10  源地址

λ噬菌体Q蛋白调控噬菌体晚期基因表达是分子生物学教科书转录调控的经典范例。Q蛋白通过识别启动子上的一段DNA序列从而结合正在转录的RNA聚合酶使其忽略转录终止信号,继续转录终止子下游的基因,这种调控方式称为抗终止。目前,Q蛋白如何识别启动子序列,如何结合正在转录的RNA聚合酶,如何使RNA聚合酶忽略转录终止信号仍然不清楚。

201972日,ca888亚洲城官网基础医学院、ca888亚洲城官网医学院附属邵逸夫医院冯钰团队Nature Communications在线发表了题为Structural basis of Q-dependent transcription antitermination的研究论文,揭示了噬菌体Q蛋白拮抗转录终止的分子机制。

虽然已经研究了几十年,但是Q蛋白相关的结构信息却很少,这主要是因为目前只能通过包涵体复性的办法获得λ噬菌体的Q蛋白,然而包涵体复性的蛋白不适合进行结构生物学研究。为了克服Q蛋白结构研究的这一瓶颈,该研究另辟蹊径,克隆了噬菌体21Q蛋白(21Q)基因,预实验表明21Q可以表达为可溶性蛋白,体外转录实验证实21Q具有很强的抗终止活性,蛋白质晶体研究显示可以获得高分辨率的21Q晶体结构,这些都表明21Q是一个理想的研究对象。

基于以上结果,研究进一步采用冷冻电镜单颗粒重构的方法获得了含有21Q大肠杆菌RNA聚合酶全酶、启动子DNA、新生RNA的四元复合物结构。复合物结构显示每个启动子上结合两个21Q蛋白,这两个21Q蛋白都通过C端的helix-turn-helix motif识别启动子DNA,并且这两个21Q蛋白都和RNA聚合酶的RNA通道相互作用,尤其是其中一个21Q蛋白的N端深入RNA通道并在通道里形成一个环状结构。RNA通道是新生RNA离开RNA聚合酶的通道,在转录终止阶段,具有回文序列的RNARNA通道里形成发卡结构从而导致转录终止。因此,文章推测Q蛋白通过在RNA通道里形成环状结构,从而缩小RNA通道的口径,阻碍发卡结构形成,进而达到抗终止的目的。

结构的解析为进一步研究Q蛋白的抗终止机制奠定了基础证实了RNA通道是Q蛋白的直接靶标,鉴于RNA通道在原核生物和真核生物RNA聚合酶间的保守性,RNA通道很可能也是其它转录因子的直接靶标。

21Q的复合物冷冻电镜结构及其抗终止机制

ca888亚洲城官网医学院博士后史婧为该研究的第一编辑,ca888亚洲城官网医学院冯钰研究员为该研究的通讯编辑。该研究得到了中科院植物生理生态研究所张余研究员、ca888亚洲城官网冷冻电镜中心张兴教授等的大力支撑。该研究的冷冻电镜工作全部在ca888亚洲城官网冷冻电镜中心完成,也得到了ca888亚洲城官网冷冻电镜中心高性能计算平台和医学院蛋白质平台支撑。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-019-10958-8

           

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