《美国国家科学院院刊》(PNAS)在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究组、英国纽卡斯尔大学Yulia Yuzenkova研究组与浙江大学冯钰研究组合作撰写的题为A SI3-σ arch stabilizes cyanobacteria transcription initiation complex的研究论文。该研究解析了蓝细菌RNAP的三维结构及其转录起始的独特机制。
蓝细菌也称蓝藻,是一类古老的、能够进行放氧光合作用的原核微生物,被认为是植物细胞器叶绿体的起源。蓝细菌推动地球表面从无氧到有氧环境的转变,是地球初级生产力的重要贡献者,并在海洋固氮中也扮演重要角色。与其他细菌相比,蓝细菌的转录机器RNA聚合酶(RNA polymerase,RNAP)和转录调控存在显著区别。细菌RNAP的最大亚基在蓝细菌中被拆分为两个蛋白;蓝细菌RNAP催化中心的关键元件trigger loop中间拥有约630个氨基酸的插入序列(sequence insertion 3,SI3),其插入序列长度是整个RNAP氨基酸数量的1/5;蓝细菌缺少其他细菌中保守的转录校对Gre因子和转录终止Rho因子。
为了探究蓝细菌独特的RNAP结构以及SI3插入序列对RNAP转录活性的作用,该研究解析了RNAP、转录起始σ因子、启动子DNA和底物NTP的转录起始复合物结构。上述复合物结构显示RNAP的最大亚基拆分并不改变三维结构。SI3结构域包裹在RNAP外周,从RNAP的NTP通道出发延伸至DNA通道。研究发现:SI3结构域与σ因子相互作用形成SI3-σ arch;该相互作用关闭了RNAP的DNA通道,稳定了RNAP和启动子DNA的结合。当破坏SI3-σ arch相互作用后,RNAP的转录活性和蓝细菌的生长受到影响。
该研究阐释了蓝细菌RNAP的三维结构及其SI3-σ arch稳定转录起始复合物的独特机制,为剖析蓝细菌RNAP的内在特性提供了结构基础,并为进一步探究蓝细菌和叶绿体的基因转录奠定了基础。
上:蓝细菌SI3与大肠杆菌SI3的结构;下:蓝细菌SI3与RNAP的相互作用。
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