近日，中國科學(xué)院上海免疫與感染研究所王程遠研究組聯(lián)合美國羅格斯大學(xué)Richard Ebright團隊在Nature Structural & Molecular Biology上發(fā)表了題為“Structural basis of RfaH-mediated transcription-translation coupling”的研究論文，該研究聚焦致病細菌重要毒力因子調(diào)控蛋白RfaH，揭示了RfaH通過介導(dǎo)細菌轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)過程調(diào)控基因表達的分子機制。

RfaH是細菌重要的毒力因子表達調(diào)控蛋白，能介導(dǎo)大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、沙門氏菌等革蘭氏陰性致病菌中脂多糖、莢膜多糖、III型分泌系統(tǒng)、溶血素等毒力基因的表達，因此是開發(fā)抗生素和細菌疫苗的重要靶點。研究發(fā)現(xiàn)，RfaH是細菌NusG家族蛋白的同源蛋白，能特異性識別毒力基因中的ops（operon polarity suppressor）序列，和NusG競爭性結(jié)合RNA聚合酶，并最終完成對目的基因的轉(zhuǎn)錄激活。另一方面，這些毒力基因同時又受到Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止機制的抑制。在細菌中RfaH是如何協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)錄延伸與Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止的分子機制仍不明確。

王程遠研究組在前期的研究過程中解析了轉(zhuǎn)錄因子NusG介導(dǎo)細菌轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)（Science?2020）、Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止（Nature?2023）的分子機制以及Rof抑制Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止（Nature Communications 2024）的調(diào)控機理，提出了轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)與Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止機制相互協(xié)調(diào)，共同響應(yīng)環(huán)境壓力信號的分子模型。本研究在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索RfaH在轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)過程中可能的分子調(diào)控機制。

圖1：轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)與Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止機制協(xié)同調(diào)控細菌響應(yīng)環(huán)境信號模型

本研究通過體外組裝結(jié)合實驗，先證明了RfaH能與核糖體、RNA聚合酶直接相互作用。之后又通過單顆粒冷凍電鏡方法解析了一系列RfaH介導(dǎo)（或RfaH/NusA共同介導(dǎo)）的轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體結(jié)構(gòu)（分辨率3.2-5.7?），證明了如下機制：

1.?RNA聚合酶與核糖體之間信使mRNA的長度不同，會形成兩種不同的轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體，分別為轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體A以及轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體B，RfaH只在復(fù)合體B中同時連接RNA聚合酶與核糖體；

2.?在轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體B中RfaH轉(zhuǎn)錄因子通過其N端NGN結(jié)構(gòu)域與RNA聚合酶結(jié)合；通過其C端KOW結(jié)構(gòu)域與核糖體S10蛋白結(jié)合；

3.?在轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體B中，NusA能進一步穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)過程；

4.?與NusG介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體相比較，RfaH介導(dǎo)的復(fù)合體中，RNA聚合酶相對核糖體更加穩(wěn)定，有利于翻譯的起始與延伸；

5.?RfaH介導(dǎo)形成的轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體能通過空間位阻，抑制Rho因子識別并結(jié)合信使RNA，抑制Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止。

圖2：RfaH/NusG介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體結(jié)構(gòu)比較

本研究首次解析了RfaH介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)復(fù)合體結(jié)構(gòu)，闡明了RfaH促進翻譯起始、延伸過程，抑制Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止的分子機制，完善了NusG家族蛋白參與細菌轉(zhuǎn)錄的調(diào)控模型，為進一步研究致病菌毒力因子表達調(diào)控以及靶向轉(zhuǎn)錄過程的抗生素、疫苗開發(fā)提供了研究基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院上海免疫與感染研究所王程遠研究員為本論文的共同第一作者、博士后張晶為論文的共同作者。本研究獲得了國家自然科學(xué)基金面上項目、上海市2023年度“科技創(chuàng)新行動計劃”基礎(chǔ)研究等項目的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41594-024-01372-w