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揭示特殊轉錄激活分子的機制

轉錄調控是細菌應對環境脅迫和病原菌緩解抗生素壓力的重要手段，由細菌的轉錄核心機器 RNA 聚合酶和一系列轉錄起始 sigma 因子共同完成。在通常情況下，細菌的看家 sigma 因子（如大腸桿菌的 sigma 70 ）負責大多數的基因表達，而在環境脅迫下， sigma S 則快速占據主導，并通過開啟特定基因的表達來幫助細菌適應不利環境。與細菌的看家 sigma 因子相比， sigma S 的活性通常較低，其功能的發揮通常需要轉錄激活因子的協助，而 Crl 正是一種 sigma S 特異的轉錄激活因子。此前，對于 Crl 激活轉錄的分子機制不甚清楚。在該研究中，合作者首先解析了 E. coli Crl 轉錄激活復合物的 3.8 Å 的冷凍電鏡結構，該復合物包括了 E. coli 的 RNA 聚合酶、轉錄起始因子 sigma S 、 Crl 、以及啟動子 DNA 。在該結構中， Crl 主要與 sigmaS 的 domain 2 相互作用，同時也與 RNA 聚合酶的最大亞基 bet a’ 有少許相互作用。與絕大多數傳統的轉錄激活因子不同，電鏡結構顯示 Crl 并不結合啟動子 DNA ，因此單從結構本身較難完全解釋 Crl 對于 sigma S -RNAP 的轉錄促進活性。在此基礎上，上科大免化所團隊進一步利用氫氘交換質譜（ HDX-MS ）對該系統進行了深入研究。氫氘交換質譜的結果揭示， Crl 不僅直接結合 sigmaS 的 alpha2-alpha3 螺旋（ Figure 1A ），還能夠通過變構調節作用穩定 sigmaS 的 alpha4 、 alpha5 等多個結構單元（ Figure 1A-C ），而這些結構單元的穩定將能夠促進 sigma S 與 DNA 以及 sigma S 與 RNA 聚合酶之間的相互作用（ Figure 1D ）。基于以上數據，研究人員提出 Crl 通過特異性結合轉錄起始因子 sigma S ，穩定 sigma S 的活性構象，從而促進 sigmaS 與 RNA 聚合酶以及啟動子 DNA 的結合組裝，進而激活 sigma S-RNAP 介導的轉錄。這一機制在后續的功能實驗中得到了進一步驗證。該工作呈現了一種新的轉錄因子與 RNA 聚合酶的結合方式，揭示了一種新的細菌轉錄激活分子機制。

上海科技大學 2021-04-11

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