4月10日，《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余研究組、英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)Yulia Yuzenkova研究組與浙江大學(xué)馮鈺研究組合作撰寫的題為A SI3-σ arch stabilizes cyanobacteria transcription initiation complex的研究論文。該研究解析了藍(lán)細(xì)菌RNAP的三維結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)錄起始的獨(dú)特機(jī)制。

　　藍(lán)細(xì)菌也稱藍(lán)藻，是一類古老的、能夠進(jìn)行放氧光合作用的原核微生物，被認(rèn)為是植物細(xì)胞器葉綠體的起源。藍(lán)細(xì)菌推動地球表面從無氧到有氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變，是地球初級生產(chǎn)力的重要貢獻(xiàn)者，并在海洋固氮中也扮演重要角色。與其他細(xì)菌相比，藍(lán)細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄機(jī)器RNA聚合酶（RNA polymerase，RNAP）和轉(zhuǎn)錄調(diào)控存在顯著區(qū)別。細(xì)菌RNAP的最大亞基在藍(lán)細(xì)菌中被拆分為兩個蛋白；藍(lán)細(xì)菌RNAP催化中心的關(guān)鍵元件trigger loop中間擁有約630個氨基酸的插入序列（sequence insertion 3，SI3），其插入序列長度是整個RNAP氨基酸數(shù)量的1/5；藍(lán)細(xì)菌缺少其他細(xì)菌中保守的轉(zhuǎn)錄校對Gre因子和轉(zhuǎn)錄終止Rho因子。

　　為了探究藍(lán)細(xì)菌獨(dú)特的RNAP結(jié)構(gòu)以及SI3插入序列對RNAP轉(zhuǎn)錄活性的作用，該研究解析了RNAP、轉(zhuǎn)錄起始σ因子、啟動子DNA和底物NTP的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物結(jié)構(gòu)。上述復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示RNAP的最大亞基拆分并不改變?nèi)S結(jié)構(gòu)。SI3結(jié)構(gòu)域包裹在RNAP外周，從RNAP的NTP通道出發(fā)延伸至DNA通道。研究發(fā)現(xiàn)：SI3結(jié)構(gòu)域與σ因子相互作用形成SI3-σ arch；該相互作用關(guān)閉了RNAP的DNA通道，穩(wěn)定了RNAP和啟動子DNA的結(jié)合。當(dāng)破壞SI3-σ arch相互作用后，RNAP的轉(zhuǎn)錄活性和藍(lán)細(xì)菌的生長受到影響。

　　該研究闡釋了藍(lán)細(xì)菌RNAP的三維結(jié)構(gòu)及其SI3-σ arch穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的獨(dú)特機(jī)制，為剖析藍(lán)細(xì)菌RNAP的內(nèi)在特性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并為進(jìn)一步探究藍(lán)細(xì)菌和葉綠體的基因轉(zhuǎn)錄奠定了基礎(chǔ)。

　　研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計劃等的支持。

　　論文鏈接  https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2219290120

上：藍(lán)細(xì)菌SI3與大腸桿菌SI3的結(jié)構(gòu)；下：藍(lán)細(xì)菌SI3與RNAP的相互作用。