Nature子刊解读！如何调节核糖体RNA的生产线？

2021年1月31日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，一篇发表在国际杂志Nature Communications上题为“Structural basis of ribosomal RNA transcription regulation”的研究报告中，来自宾夕法尼亚州立大学等机构的科学家们通过研究揭示了调节核糖体RNA生产线的原理。当资源匮乏，大肠杆菌需要减缓其生长速度时，其从DNA模板制造RNA的酶类就会发生改变，从而就会减缓细胞内最丰富的RNA类型—核糖体RNA（rRNA）的产生，文章中，研究人员使用低温电镜技术（cryo-EM）捕捉到了RNA聚合酶与DNA形成复合体时的结构，并展现出了其活性如何随着生长条件的恶化而发生改变。

研究者Katsuhiko Murakami教授说道，RNA聚合酶是一种能利用DNA编码的信息产生多种RNA的酶类，这是分子生物学中心法则的关键步骤之一，即将遗传信息从DNA转移到RNA上，而RNA通常能够编码蛋白质，这是从细菌到人类等生物体维持生命所需要的，而这个过程基本上也是共享的，研究人员非常感兴趣研究RNA聚合酶的结构是如何改变从而来调节其活性和功能，但使用诸如X射线晶体衍射学技术等传统方法却很难捕捉到其结构的存在，这就需要对样品进行结晶来确定其结构了。

图片来源：Murakami Laboratory, Penn State

RNA聚合酶能通过与被称之为启动子的特定DNA序列的结合来发挥功能，这些启动子序列通常位于将要被制造成RNA的基因开始附近的位置；为了理解在相互作用过程中聚合酶的结构和功能，研究人员就需要在聚合酶与启动子DNA结合时捕捉到它，但在一些启动子处的相互作用可能会非常不稳定，只有在复合体非常稳定的情况下，晶体学技术才能够捕捉到与启动子结合的RNA聚合酶，但对于核糖体RNA启动子来说，这种相互作用往往是不稳定的，这样聚合酶就可以迅速逃脱开始制造RNA；为了观察这些相互作用，研究人员转而使用cryo-EM技术来帮助他们在溶液中对大分子的结构进行可视化操作。

研究者说道，当谈论RNA时，大多数都会想到mRNA，其是制造蛋白质的模板，但细胞中最丰富的的RNA类型实际上并并不会编码蛋白质，核糖体RNA是核糖体的主要结构组分，而核糖体是以信使RNA为模板构建蛋白质的细胞机器，核糖体RNA的合成占到了大肠杆菌细胞中RNA合成总量的70%。当细胞分裂时，大肠杆菌会在营养丰富的生长条件下每20分钟就进行一次分裂，其需要为所产生的两个子代细胞提供足够的核糖体来发挥作用，所以就会不断地制造核糖体RNA。研究者Murakami说道，如果进行了一些包膜后的计算，一个大肠杆菌细胞会每20分钟就制造大约7万个核糖体，这就意味着RNA聚合酶会每隔1.7秒就从每个核糖体RNA启动子开始合成核糖体RNA，因此，聚合酶必须短暂地结合核糖体RNA启动子，以便能快速进入核糖体RNA的合成步骤，这对于晶体学的方法而言或许并不理解，但在cryo-EM的研究中研究人员就能捕捉到这种相互作用，事实上，其还能在一个样品中观察到不同的几个阶段的相互作用。

如今研究人员能够在两个不同阶段确定RNA聚合酶-启动子复合体的三维结构，一种是当DAN仍然处于封闭状态，即在DNA分子的两条链分离允许进入模板链之前（封闭复合体）；一种是当DNA处于开放状态（开放复合体），并为RNA合成开始做好准备。研究者发现，当聚合酶与启动子RNA结合时，一部分被称之为sigma因子的聚合酶就会发生很大的构象变化，这是此前从未观察到的，这种变化或许开启了一扇门，使得DNA能进入聚合酶的裂痕，并迅速形成开放的复合物。

当大肠杆菌由于资源有限而需要减缓其生长速度时，名为DksA（全局性的转录调节子）和ppGpp（一种细菌信号分子）的两种分子就会直接与聚合酶结合以减少核糖体RNA的产生，研究人员分析了这两种因子如何结合来改变聚合酶的构象并以一种启动子特异性的方式影响其活性。研究者Murakami说道，DksA和ppGpp与聚合酶的结合能够改变其构象，这或许就会预防“门控”结构的打开，因此聚合酶必须遵循另一条途径来形成开放的复合物，对于核糖体启动子而言这或许并不是一个理想的途径，因此会减缓其活性；观察到聚合酶的这些构象变化具有直接的功能性后果，这让研究人员非常兴奋；如果没有cryo-EM技术的帮助，研究人员无法做到这一点。该技术能以优化的实验条件准备标本，随后利用先进的设备就能高分辨率地手机数据，这样研究人员就能继续分析此前无法获得的细胞组分和复合体了。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Shin， Y.， Qayyum， M.Z.， Pupov， D. et al. Structural basis of ribosomal RNA transcription regulation. Nat Commun 12， 528 (2021).doi：10.1038/s41467-020-20776-y

【2】Regulating the ribosomal RNA production line

by Sam Sholtis， Pennsylvania State University