Science | 颠覆教科书的发现：冷冻电镜揭示转录背后的故事

在转录阶段，RNA需要在正确的位置终止，究竟是谁在负责这一过程？五十年前，科学家们推测到一个可能的模型：一种六聚体环状的RecA家族RNA转位酶ρ（Rho），能够先与RNA结合，参与ATP驱动的RNA聚合酶向RNA的转位，当RNA聚合酶停止时，ρ便帮助特定的RNA片段从DNA上离开【1】。这也是教科书里面给我们的解释。但是，一些研究者意识到这种说法证据不足，转录终止机制依然不明。

近日，由柏林自由大学的Markus C. Wahl团队和俄亥俄州立大学的Irina Artsimovitch团队共同在Science杂志上发表题为Steps toward translocation-independent RNA polymerase inactivation by terminator ATPase ρ的研究论文。在这篇研究论文中，作者采用冷冻电镜（cyroEM）单颗粒分析技术解析了ATP酶ρ在发挥作用过程中所形成的转录复合体的结构，捕获了大肠杆菌DNA上RNA聚合酶转位的图像，揭示了ρ终止基因表达的真正过程，再次加深了我们对转录过程的精确认识。

因为ρ能够在几分钟甚至几秒钟的时间内使复合物解体，所以这个复合体非常难以获得。研究人员非常巧妙地使用冷冻电镜，在复合物解体之前，捕获了在大肠杆菌中的DNA模板上运行的RNA聚合酶的图像。结果表明在ρ介导的延伸复合体（elongation complex，EC）解体的途径中，RNA聚合酶（RNAP）、转录因子NusA和NusG发挥了关键作用（动画1）。

动画1. EC依赖的、ρ介导的终止模型。（作者使用PyMOL软件进行动画展示，该动画显示了转录终止途径的每个阶段）

作者揭示了ρ如何作用于由RNA聚合酶和两个伴随转录过程的辅助蛋白组成的完整转录复合体，从ρ与RNA聚合酶的结合开始到RNA聚合酶失去对核酸的控制结束（动画2）。

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首先，一个开放的ρ环和NusA、NusG和RNA聚合酶的多个区域接触，捕获并局部解开近端上游的DNA。然后，NusA楔入ρ环，初步分离RNA。当远端上游DNA偏离RNA聚合酶的锌指结构域（ZBD）时，NusA会在一个帽状ρ亚基下方旋转，随后捕获RNA。之后NusG分离，钳夹状（clamp）结构开放，随着这一过程的进行，RNA聚合酶也失去了对RNA：DNA hybrid的控制，同时，RNA聚合酶也失去了活性（图1）。之后还会发生什么步骤？作者猜测ρ环关闭可能会导致转录终止，最后hybrid也会解开。

综上所说，也就是说，ρ并非如教科书中所说的那样先结合在RNA 上然后帮RNA脱离DNA，而是搭了RNA聚合酶的“顺风车”（hitchhikes），ρ伙同其他蛋白通过结构变幻，使得RNA聚合酶失活【2】，最终导致了RNA的释放、转录的终止。

尽管这个过程是在大肠杆菌中发现的，但是作者认为在真核生物中，ρ的功能类似于RNA/DNA解旋酶Sen1从非编码RNA释放RNAPII，这个过程也需要EC中间体来参与有效的终止过程【3，4】。因此，作者认为在其他物种中，可能ρ介导RNA释放的过程也是类似的。(生物谷Bioon.com）