文章信息
文章题目：Structural basis for intrinsic transcription termination
期刊：Nature
发表时间：2023年1月11日
主要内容：中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室张余研究团队和美国威斯康辛大学麦迪逊分校Robert Landick团队以及浙江大学冯钰团队合作在Nature杂志上发表了文章Structural basis for intrinsic transcription termination，该研究捕获了细菌固有转录终止的中间状态冷冻电镜结构，揭示了细菌RNA聚合酶识别终止序列、停止转录并解离RNA的分子机制。
原文链接：http://www.nature.com/articles/s41586-022-05604-1
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研究背景
转录是基因表达的第一步，是遗传中心法则的重要组成。RNA聚合酶以DNA为模板进行的转录分为转录起始、转录延伸和转录终止三个阶段。高效和准确的终止是所有生物基因转录所必需的，转录终止异常会引起RNA降解、干扰下游基因表达、干扰DNA复制、破坏基因组稳定性等。RNA聚合酶一般通过两种途径终止转录，一条途径是依赖于终止因子的转录终止，例如细菌RNA聚合酶依赖具有RNA解旋酶活性的Rho因子终止转录，动植物细胞Pol II依赖具有RNA外切酶活性的XRN终止mRNA转录。另一种是不依赖于终止因子的转录终止，也称为固有转录终止。固有转录终止是噬菌体、细菌和真核生物RNA聚合酶（Pol III）保守的转录终止方式。
文章概述
在转录终止环节，RNA聚合酶需要从高速的延伸状态（～50 碱基/秒）紧急刹车停止转录，随后RNA聚合酶迅速发生构象变化，RNA和DNA从高度稳定的RNAP-DNA-RNA复合物解离。由于转录终止具有高度动态和反应迅速的特征，因此解析转录终止的结构和分子机制具有较大难度。研究团队借鉴前人的研究成果，拆分了转录终止序列，捕获了三个关键的转录终止中间态结构。首先解析了只包含U-tract序列的TTC-pause冷冻电镜结构。其次，解析了包含U-tract序列和部分RNA发卡的TTC-hairpin结构。最后，利用antisense RNA模拟形成完整的发卡结构并诱导转录终止，解析了TTC-release的冷冻电镜结构。据此，研究团队提出了固有转录终止的四个反应步骤：
1. 转录暂停（TTC-pause）：Poly U序列阻止RNAP结合NTP，诱发转录暂停。
2. RNA发卡部分折叠（TTC-hairpin）：RNA发卡折叠进入RNA聚合酶的RNA退出通道，诱导RNA聚合酶构象变化，削弱RNAP和RNA-DNA杂合双链的相互作用。
3. 转录泡DNA闭合（TTC-rewinding）：转录泡的两条DNA单链碱基重新配对，破坏RNA-DNA杂合双链。
4. RNA释放（TTC-release）：RNA聚合酶释放RNA，但仍可以在基因组上自由滑动，最终解离或者滑动至启动子DNA开始下一轮转录。
图1：细菌固有转录终止机制模型
该研究报导了细菌固有转录终止关键中间态的冷冻电镜结构，还原了细菌固有转录终止的全过程，揭示了细菌RNA聚合酶在转录终止序列暂停转录以及RNA发卡结构在RNAP内部折叠并诱导RNA释放的分子机制。回答了细菌RNA聚合酶如何识别转录终止序列、暂停转录、释放RNA的分子机制。该研究拓展了人们对于转录终止的认识，提出的“DNA-rewinding triggered RNA release”的机制为真核RNA聚合酶的转录终止机制提供了参考。
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使用pEASY®-Basic Seamless Cloningand Assembly Kit（CU201）产品发表的部分文章：
• You L L, Omollo E O, Yu C Z, et al. Structural basis for intrinsic transcription termination [J]. Nature, 2023.
• Liu R, Yang J, Yao J, et al. Optogenetic control of RNA function and metabolism using engineered light-switchable RNA-binding proteins[J]. Nature Biotechnology, 2022.
• Chen Q, Hu T, Li X, et al. Phosphorylation of SWEET sucrose transporters regulates plant root: shoot ratio under drought[J]. Nature plants, 2022.
• Wu M, Xu G, Han C, et al. lncRNA SLERT controls phase separation of FC/DFCs to facilitate Pol I transcription[J]. Science, 2021.
• Dou W, Zhu Q, Zhang M, et al. Screening and evaluation of the strong endogenous promoters in Pichia pastoris[J]. Microbial cell factories, 2021.
