研究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聯合美國羅格斯大學Richard Ebright團隊、美國科羅拉多州立大學Thomas Santangelo團隊，在《自然》（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。近年來，細菌和真核生物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，它的因子依賴型轉錄終止的機制尚不清楚。

古菌轉錄終止因子FttA又稱aCPSF1。FttA是真核生物整合子復合物中INTS11亞基和切割與加聚腺苷酸特異性因子復合物中CPSF73亞基的同源蛋白，負責古菌中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。同時，唯一在三域內保守的轉錄因子Spt5能夠促進FttA的轉錄終止活性。然而，FttA如何介導古菌RNA聚合酶的轉錄終止以及Spt5如何促進轉錄終止的機制尚不清楚。

該研究利用體外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，研究使用突變的FttA蛋白進行復合物組裝，并通過單顆粒冷凍電鏡方法解析了分辨率為2.2?-2.5?的轉錄終止復合物結構。結構表明，FttA結合在RNA退出通道的外側，使RNA可以直接從RNA聚合酶退出通道而進入FttA的切割活性中心。Spt5在FttA與轉錄延伸復合物（TEC）之間發揮橋梁作用，其N端結構域結合RNA聚合酶，C端結構域結合FttA，解釋了Spt5如何促進FttA介導的轉錄終止。FttA以二聚體形式發揮作用，而FttAprox和FttAdist在功能上不同。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。FttA利用核糖核酸內切酶活性對mRNA進行切割，進而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。

進一步，該研究比較了細菌、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；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；在真核生物中，INTS11或CPSF73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。這些終止機制依賴于終止因子在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。該研究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，為探索生命的起源與進化奠定了研究基礎。

該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，并為進一步探究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奠定了基礎。?

研究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”基礎研究項目等的支持。