NSMB | 王程遠研究組合作揭示RfaH介導細菌毒力因子表達的分子機制

近日，中國科學院上海免疫與感染研究所王程遠研究組聯合美國羅格斯大學Richard Ebright團隊在Nature Structural & Molecular Biology上發表了題為“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控蛋白RfaH，揭示了RfaH通過介導細菌轉錄翻譯偶聯過程調控基因表達的分子機制。

RfaH是細菌重要的毒力因子表達調控蛋白，能介導大腸桿菌、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、溶血素等毒力基因的表達，因此是開發抗生素和細菌疫苗的重要靶點。研究發現，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競爭性結合RNA聚合酶，并最終完成對目的基因的轉錄激活。另一方面，這些毒力基因同時又受到Rho因子依賴型轉錄終止機制的抑制。在細菌中RfaH是如何協調轉錄延伸與Rho因子依賴型轉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錄因子NusG介導細菌轉錄翻譯偶聯（Science?2020）、Rho因子依賴型轉錄終止（Nature?2023）的分子機制以及Rof抑制Rho因子依賴型轉錄終止（Nature Communications 2024）的調控機理，提出了轉錄翻譯偶聯與Rho因子依賴型轉錄終止機制相互協調，共同響應環境壓力信號的分子模型。本研究在此基礎上，繼續探索RfaH在轉錄翻譯偶聯過程中可能的分子調控機制。

圖1：轉錄翻譯偶聯與Rho因子依賴型轉錄終止機制協同調控細菌響應環境信號模型

本研究通過體外組裝結合實驗，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（或RfaH/NusA共同介導）的轉錄翻譯偶聯復合體結構（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錄翻譯偶聯復合體，分別為轉錄翻譯偶聯復合體A以及轉錄翻譯偶聯復合體B，RfaH只在復合體B中同時連接RNA聚合酶與核糖體；

2.?在轉錄翻譯偶聯復合體B中RfaH轉錄因子通過其N端NGN結構域與RNA聚合酶結合；通過其C端KOW結構域與核糖體S10蛋白結合；

3.?在轉錄翻譯偶聯復合體B中，NusA能進一步穩定轉錄翻譯偶聯過程；

4.?與NusG介導的轉錄翻譯偶聯復合體相比較，RfaH介導的復合體中，RNA聚合酶相對核糖體更加穩定，有利于翻譯的起始與延伸；

5.?RfaH介導形成的轉錄翻譯偶聯復合體能通過空間位阻，抑制Rho因子識別并結合信使RNA，抑制Rho因子依賴型轉錄終止。

圖2：RfaH/NusG介導的轉錄翻譯偶聯復合體結構比較

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

中國科學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”基礎研究等項目的支持。

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