3月3日，國際學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心合成生物學(xué)重點實驗室張余研究組與美國Rutgers University的Richard Ebright研究組合作完成的題為RNA extension drives a stepwise displacement of an initiation-factor structural module in initial transcription 的研究論文。

　　基因轉(zhuǎn)錄起始需要RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄起始因子σ組成復(fù)合物，再一起錨定到基因的啟動子區(qū)域，解開雙鏈DNA，起始RNA合成。在這個過程中，RNA聚合酶與大約60-bp DNA建立牢固的相互作用，以確保轉(zhuǎn)錄起始的高效進行。然而，RNAP隨后必須完全掙脫上述相互作用才能啟航完成RNA的延伸，這一過程稱為promoter escape。RNA聚合酶從哪里獲得能量，并且如何積累能量來實現(xiàn)promoter escape，一直是大家感興趣的問題。

　　該研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌、真核和古菌這三界生物中，轉(zhuǎn)錄起始因子都存在一個結(jié)構(gòu)模塊(在細(xì)菌中為σ finger)，這個模塊深入到RNAP的催化中心，在RNA聚合酶解鏈雙鏈DNA的時候，其能夠穩(wěn)定單鏈的轉(zhuǎn)錄泡結(jié)構(gòu)。但是該結(jié)構(gòu)模塊的位置卻堵住了新生RNA的延伸路徑。在RNA的延長過程中，它勢必會與RNA發(fā)生沖突。在這項研究中，作者解析了細(xì)菌轉(zhuǎn)錄起始階段的大約20個復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，還原了這一個沖突的細(xì)節(jié)。作者發(fā)現(xiàn)，RNA的延長會逐漸擠壓σ finger，并最終將其推出RNAP聚合酶中心，根據(jù)結(jié)構(gòu)信息，作者提出了promoter escape分子機制的假設(shè)。作者認(rèn)為σ finger相當(dāng)于一個彈簧，RNA在剛開始延長的過程中不斷地擠壓這一彈簧，能夠?qū)TP水解的自由能不斷轉(zhuǎn)換成機械能，并積累到σ finger的蛋白彈簧上，當(dāng)這一彈簧被擠壓到極限時能夠促發(fā)RNAP與啟動子DNA的解離，完成Promoter escape。這一假設(shè)與15年前提出的DNA彈簧（DNA scrunching）理論相互補充，完善了promoter escape的分子機制。

　　張余研究組博士生李玲婷和Rutgers university的Vadim Molodtsov博士是論文的共同第一作者，張余與Richard Ebright是該論文的共同通訊作者。該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金和中科院重點部署項目的資助。

　　論文鏈接

科學(xué)家捕獲細(xì)菌RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始后期的動態(tài)過程