Nature | 王程遠研究組合作揭示古菌因子依賴型轉錄終止分子機制

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

轉錄終止是RNA聚合酶停止轉錄延伸，并使RNA從DNA上解離釋放的過程。異常的轉錄終止會干擾下游基因的表達，阻礙RNA聚合酶的循環利用，破壞基因組的穩定性。因子依賴型轉錄終止是普遍存在于細菌、古菌和真核生物中的一類轉錄終止機制。近兩年，關于細菌（Nature | 王程遠等解析細菌Rho因子依賴型轉錄終止的結構基礎）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，其因子依賴型轉錄終止的機制尚未被闡明。

古菌轉錄終止因子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合物（INT）中INTS11亞基和切割與加聚腺苷酸特異性因子復合物（CPSF）中CPSF73亞基的同源蛋白（圖1a），負責古菌中大多數轉錄單元的轉錄終止。FttA具有核糖核酸內切酶活性和5'→3'核糖核酸外切酶活性。另一方面，唯一在三域內保守的轉錄因子Spt5能促進FttA的轉錄終止活性（在細菌中為NusG，在古菌和真核生物中為Spt5）（圖1b）。但關于FttA如何介導古菌RNA聚合酶的轉錄終止，Spt5又是如何促進轉錄終止的機制尚不清楚。

圖1 轉錄終止因子FttA和轉錄延伸因子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錄終止活性的復合物。由于轉錄終止的過程動態且不穩定，為了捕捉穩定的轉錄終止復合物，研究團隊使用突變的FttA蛋白（具有結合活性但切割和解離活性有限）進行復合物組裝，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 ?的轉錄終止復合物結構（圖2）。結構表明：

圖2 轉錄終止復合物結構

1. FttA結合在RNA退出通道的外側，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與轉錄延伸復合物（TEC）之間起到橋梁的作用，其N端結構域結合RNA聚合酶，C端結構域結合FttA，從而解釋了Spt5如何促進FttA介導的轉錄終止；

3. FttA以二聚體形式發揮作用，FttAprox 和FttAdist在功能上有所不同。FttAprox 負責執行終止所需的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的選擇性和終止復合物的穩定性，FttA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'轉位，從而對TEC施加機械力，引發轉錄終止。

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錄終止機制，結果表明：

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

在古菌中，具有核糖核酸內切酶和外切酶活性的FttA切割RNA，并同樣進行5'→3'轉位，觸發終止（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位，引發轉錄終止（圖3c）。

這些終止機制均依賴于終止因子在RNA通道外側與RNA聚合酶和RNA結合，通過轉位酶活性或外切酶活性對TEC施加機械力，引發轉錄終止。研究團隊提出的三域生物因子依賴型轉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。

圖 3 細菌、古菌和真核生物因子依賴性轉錄終止機制模型

綜上所述，本研究通過冷凍電鏡解析了古菌FttA依賴性轉錄終止復合物的三維結構，闡明了Spt5蛋白介導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一性，并為進一步理解古菌轉錄終止及古菌轉錄-翻譯偶聯質量控制的結構和功能提供了基礎。?

該工作得到國家自然科學基金面上項目、上海市2023年度“科技創新行動計劃”基礎研究等項目支持。

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境古細菌、致病菌轉錄機制以及利用藥用植物天然代謝產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境適應調控機制——轉錄翻譯偶聯機制（Wang C. et al，Science，2020）和細菌Rho因子依賴型轉錄終止（Molodtsov V. et al，Nature，2023）的分子機制；解析了沙門氏菌重要毒力調控蛋白Rof通過Rho因子調控其毒力因子表達的分子機制（Zhang J. et al，Nature Communications，2024)；解析了致病菌轉錄調控蛋白RfaH依賴轉錄翻譯偶聯機制激活毒力基因表達的分子機制（Molodtsov V. et al，Nature Structural & Molecular Biology，2024)。