研究揭示蓝细菌RNA聚合酶的结构和转录机制

《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究组、英国纽卡斯尔大学Yulia Yuzenkova研究组与浙江大学冯钰研究组合作撰写的题为A SI3-σ arch stabilizes cyanobacteria transcription initiation complex的研究论文。该研究解析了蓝细菌RNAP的三维结构及其转录起始的独特机制。

蓝细菌也称蓝藻，是一类古老的、能够进行放氧光合作用的原核微生物，被认为是植物细胞器叶绿体的起源。蓝细菌推动地球表面从无氧到有氧环境的转变，是地球初级生产力的重要贡献者，并在海洋固氮中也扮演重要角色。与其他细菌相比，蓝细菌的转录机器RNA聚合酶（RNA polymerase，RNAP）和转录调控存在显著区别。细菌RNAP的最大亚基在蓝细菌中被拆分为两个蛋白；蓝细菌RNAP催化中心的关键元件trigger loop中间拥有约630个氨基酸的插入序列（sequence insertion 3，SI3），其插入序列长度是整个RNAP氨基酸数量的1/5；蓝细菌缺少其他细菌中保守的转录校对Gre因子和转录终止Rho因子。

为了探究蓝细菌独特的RNAP结构以及SI3插入序列对RNAP转录活性的作用，该研究解析了RNAP、转录起始σ因子、启动子DNA和底物NTP的转录起始复合物结构。上述复合物结构显示RNAP的最大亚基拆分并不改变三维结构。SI3结构域包裹在RNAP外周，从RNAP的NTP通道出发延伸至DNA通道。研究发现：SI3结构域与σ因子相互作用形成SI3-σ arch；该相互作用关闭了RNAP的DNA通道，稳定了RNAP和启动子DNA的结合。当破坏SI3-σ arch相互作用后，RNAP的转录活性和蓝细菌的生长受到影响。

该研究阐释了蓝细菌RNAP的三维结构及其SI3-σ arch稳定转录起始复合物的独特机制，为剖析蓝细菌RNAP的内在特性提供了结构基础，并为进一步探究蓝细菌和叶绿体的基因转录奠定了基础。

上：蓝细菌SI3与大肠杆菌SI3的结构；下：蓝细菌SI3与RNAP的相互作用。