9月25日，中國科學(xué)院上海免疫與感染研究所王程遠研究組、美國羅格斯大學(xué)Richard Ebright團隊及科羅拉多州立大學(xué)Thomas Santangelo團隊合作在Nature上發(fā)表了題為“Structural basis of archaeal FttA-dependent transcription termination”的研究論文，該研究解析了古菌FttA因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，揭示了FttA因子介導(dǎo)古菌RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止的分子機制。

轉(zhuǎn)錄終止是RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄延伸，并使RNA從DNA上解離釋放的過程。異常的轉(zhuǎn)錄終止會干擾下游基因的表達，阻礙RNA聚合酶的循環(huán)利用，破壞基因組的穩(wěn)定性。因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止是普遍存在于細菌、古菌和真核生物中的一類轉(zhuǎn)錄終止機制。近兩年，關(guān)于細菌（Nature | 王程遠等解析細菌Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)）和真核生物（Nature | 張余研究組揭示Pol II 終止mRNA合成的機制）的轉(zhuǎn)錄終止的分子機制相繼被闡明。然而作為第三生命域的古菌，其因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止的機制尚未被闡明。

古菌轉(zhuǎn)錄終止因子FttA（Factor terminates transcription in Archaea），也稱作aCPSF1（Archaeal cleavage and polyadenylation specificity factor 1），是真核生物整合子復(fù)合物（INT）中INTS11亞基和切割與加聚腺苷酸特異性因子復(fù)合物（CPSF）中CPSF73亞基的同源蛋白（圖1a），負責(zé)古菌中大多數(shù)轉(zhuǎn)錄單元的轉(zhuǎn)錄終止。FttA具有核糖核酸內(nèi)切酶活性和5'→3'核糖核酸外切酶活性。另一方面，唯一在三域內(nèi)保守的轉(zhuǎn)錄因子Spt5能促進FttA的轉(zhuǎn)錄終止活性（在細菌中為NusG，在古菌和真核生物中為Spt5）（圖1b）。但關(guān)于FttA如何介導(dǎo)古菌RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄終止，Spt5又是如何促進轉(zhuǎn)錄終止的機制尚不清楚。

圖1 轉(zhuǎn)錄終止因子FttA和轉(zhuǎn)錄延伸因子NusG/Spt5

在本研究中，研究團隊首先利用體外RNA切割和解離實驗，確認了各個組分可以組裝成具有轉(zhuǎn)錄終止活性的復(fù)合物。由于轉(zhuǎn)錄終止的過程動態(tài)且不穩(wěn)定，為了捕捉穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物，研究團隊使用突變的FttA蛋白（具有結(jié)合活性但切割和解離活性有限）進行復(fù)合物組裝，并通過單顆粒冷凍電鏡方法成功解析了分辨率為2.2-2.5 ?的轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖2）。結(jié)構(gòu)表明：

圖2 轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物結(jié)構(gòu)

1. FttA結(jié)合在RNA退出通道的外側(cè)，使RNA可以直接從RNA聚合酶退出通道進入FttA的切割活性中心；

2. Spt5在FttA與轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物（TEC）之間起到橋梁的作用，其N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合RNA聚合酶，C端結(jié)構(gòu)域結(jié)合FttA，從而解釋了Spt5如何促進FttA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄終止；

3. FttA以二聚體形式發(fā)揮作用，F(xiàn)ttAprox 和FttAdist在功能上有所不同。FttAprox 負責(zé)執(zhí)行終止所需的RNA切割，而FttAdist提供支持，通過擴展與mRNA的相互作用面，增強序列U的選擇性和終止復(fù)合物的穩(wěn)定性，F(xiàn)ttA的二聚體形式增強了其RNA切割活性；

4. FttA首先用核糖核酸內(nèi)切酶活性對mRNA進行切割，隨后利用外切酶活性進行5'→3'切割mRNA，并沿著mRNA進行5'→3'轉(zhuǎn)位，從而對TEC施加機械力，引發(fā)轉(zhuǎn)錄終止。

本研究進一步比較了細菌、古菌和真核生物的因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止機制，結(jié)果表明：

在細菌中，具有轉(zhuǎn)位酶活性的Rho因子結(jié)合RNA，并沿RNA的5'→3'方向轉(zhuǎn)位，對TEC施加機械力，從而引發(fā)終止（圖3a）。

在古菌中，具有核糖核酸內(nèi)切酶和外切酶活性的FttA切割RNA，并同樣進行5'→3'轉(zhuǎn)位，觸發(fā)終止（圖3b）。

在真核生物中，INTS11或CPSF73首先切割RNA，隨后INTS11、CPSF73或XRN2沿著RNA 5'→3'方向進一步切割和轉(zhuǎn)位，引發(fā)轉(zhuǎn)錄終止（圖3c）。

這些終止機制均依賴于終止因子在RNA通道外側(cè)與RNA聚合酶和RNA結(jié)合，通過轉(zhuǎn)位酶活性或外切酶活性對TEC施加機械力，引發(fā)轉(zhuǎn)錄終止。研究團隊提出的三域生物因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止機制的趨同進化模型，為進一步探尋生命的起源與進化提供了重要的研究基礎(chǔ)。

圖 3 細菌、古菌和真核生物因子依賴性轉(zhuǎn)錄終止機制模型

綜上所述，本研究通過冷凍電鏡解析了古菌FttA依賴性轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，闡明了Spt5蛋白介導(dǎo)FttA與RNA聚合酶的相互作用方式，揭示了細菌、古菌和真核生物中因子依賴性終止機制的基本統(tǒng)一性，并為進一步理解古菌轉(zhuǎn)錄終止及古菌轉(zhuǎn)錄-翻譯偶聯(lián)質(zhì)量控制的結(jié)構(gòu)和功能提供了基礎(chǔ)。?

該工作得到國家自然科學(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)研究等項目支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07979-9

王程遠課題組長期從事極端環(huán)境古細菌、致病菌轉(zhuǎn)錄機制以及利用藥用植物天然代謝產(chǎn)物篩選抗生素藥物的研究工作。近期以（含共同）通訊或第一作者在Nature，Science，Nature Communications，Nature Structural & Molecular Biology，PNAS等雜志發(fā)表高水平論文多篇，并被Science，Nature Reviews of Microbiology?等雜志點評引用。近期代表作包括闡明了細菌重要環(huán)境適應(yīng)調(diào)控機制——轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)機制（Wang C. et al，Science，2020）和細菌Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止（Molodtsov V. et al，Nature，2023）的分子機制；解析了沙門氏菌重要毒力調(diào)控蛋白Rof通過Rho因子調(diào)控其毒力因子表達的分子機制（Zhang J. et al，Nature Communications，2024)；解析了致病菌轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白RfaH依賴轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)機制激活毒力基因表達的分子機制（Molodtsov V. et al，Nature Structural & Molecular Biology，2024)。