免疫化学研究所杨贝团队与合编辑共同揭示特殊转录激活分子机制

ON2020-01-03CATEGORY科研进展

近日,我校免疫化学研究所抗体结构实验室Co-PI杨贝与中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员张余、赵国屏院士及浙江大学教授冯钰通力合作,通过交叉运用单颗粒冷冻电镜、氢氘交换质谱等多种技术手段,揭示了一种特殊的、不依赖于转录激活因子与DNA之间相互作用的转录激活分子机制。目前该研究成果以“Crl activates transcription by stabilizing active conformation of the master stress transcription initiation factor”为题在线发表于eLife杂志。

转录调控是细菌应对环境胁迫和病原菌缓解抗生素压力的重要手段,由细菌的转录核心机器RNA聚合酶和一系列转录起始sigma因子共同完成。在通常情况下,细菌的看家sigma因子(如大肠杆菌的sigma70) 负责大多数的基因表达,而在环境胁迫下,sigmas则快速占据主导,并通过开启特定基因的表达来帮助细菌适应不利环境。与细菌的看家s因子相比,sigmas的活性通常较低,其功能的发挥通常需要转录激活因子的协助,而Crl正是一种sigmas特异的转录激活因子。

此前,对于Crl激活转录的分子机制不甚清楚。在该研究中,合编辑首先解析了E. coli Crl转录激活复合物的3.8 ?的冷冻电镜结构,该复合物包括了E. coli的RNA聚合酶、转录起始因子sigmas、Crl、以及启动子DNA。在该结构中,Crl主要与sigmas的domain 2相互作用,同时也与RNA聚合酶的最大亚基 b’有少许相互作用。与绝大多数传统的转录激活因子不同,电镜结构显示Crl并不结合启动子DNA,因此单从结构本身较难完全说明Crl对于sigmas-RNAP的转录促进活性。在此基础上,上科大免化所团队进一步利用氢氘交换质谱(HDX-MS)对该系统进行了深入研究。氢氘交换质谱的结果揭示, Crl不仅直接结合sigmas 的alpha2-alpha3螺旋(Figure 1A),还能够通过变构调节作用稳定sS 的alpha4alpha5等多个结构单元(Figure 1A-C),而这些结构单元的稳定将能够促进sigmas与DNA以及sigmas与RNA聚合酶之间的相互作用(Figure 1D)。基于以上数据,研究人员提出Crl通过特异性结合转录起始因子sigmas,稳定sigmas的活性构象,从而促进sigmas与RNA聚合酶以及启动子DNA的结合组装,进而激活sigmas-RNAP介导的转录。这一机制在后续的功能实验中得到了进一步验证。该工作呈现了一种新的转录因子与RNA聚合酶的结合方式,揭示了一种新的细菌转录激活分子机制。

图1. 氢氘交换质谱实验揭示Crl通过稳定sigmas的构象促进sigmas-RNAP全酶的组装。(A)sigmas上位于其与Crl互作表面的氨基酸在结合Crl后相对于结合前其氢氘交换速率发生了非常明显的下降。图中,氢氘交换速率下降的区域标示为青色,增加的区域标示为粉红色,无变化的区域标示为灰色。深灰色则表示在氢氘交换质谱实验中未能涵盖的区域。(B-C)在未结合和结合Crl的情况下,来自alpha螺旋4(B)和螺旋5(C)的肽段的氘吸取对比图(左)和质谱对比图谱(右)。(D)sigmas上在Crl结合后氢氘交换速率发生明显下降的区域(螺旋4和螺旋5)在全酶中分别与RNAP-beta′亚基和启动子DNA接触,提示其构象的稳定可能促进sigmas与RNAP和启动子DNA的相互作用。

中科院分子植物卓越中心徐君操博士和上科大硕士研究生崔恺婕为论文的共同第一编辑,中科院分子植物卓越中心研究员张余及赵国屏院士、上科大免化研所Co-PI杨贝和浙江大学医学院教授冯钰为论文的共同通讯编辑。

杨贝,副研究员

免疫化学研究所抗体结构学实验室Co-PI

论文链接:https://elifesciences.org/articles/50928