9月28日，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)重點實驗室研究員張余課題組在Nature Chemical Biology上，在線發(fā)表題為CueR activates transcription through a DNA distortion mechanism的研究論文，主要研究細(xì)菌Class III轉(zhuǎn)錄因子CueR轉(zhuǎn)錄激活的分子機制。

大約50年前，法國科學(xué)家Jacob和Monod發(fā)現(xiàn)乳糖操縱子，首次提出基因表達(dá)受到蛋白調(diào)控。阻遏蛋白Lac I和代謝物激活蛋白CRP（cAMP receptor protein；也稱catabolite activator protein，CAP）被證明能夠直接結(jié)合乳糖操縱子，分別發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制和轉(zhuǎn)錄激活的功能。因此，學(xué)界對轉(zhuǎn)錄因子如何抑制及激活轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生研究興趣。大約30年前，Thomas A. Steitz研究組解析出CAP/CRP與DNA的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)首次展示轉(zhuǎn)錄因子識別DNA的方式。在隨后的幾十年中，科學(xué)家們利用化學(xué)交聯(lián)、DNA足跡、遺傳突變等方法嘗試了解轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的具體機制，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子在啟動子DNA的結(jié)合位置直接決定其對下游基因的影響，一般來說，轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在核心啟動子區(qū)域（-35區(qū)和-10區(qū)）上游發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活功能，在核心啟動子區(qū)域或基因內(nèi)部則抑制轉(zhuǎn)錄。其中，轉(zhuǎn)錄激活按照轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點距離核心啟動子區(qū)域遠(yuǎn)近分為兩類，結(jié)合位點位于啟動子核心區(qū)域上游稱為第一類轉(zhuǎn)錄激活（Class I），結(jié)合位點與啟動子核心區(qū)域稍有重疊稱為第二類轉(zhuǎn)錄激活（Class II）。2016年、2017年，Richard H. Ebright和Thomas A. Steitz研究組以CAP為模型，在Science上報道細(xì)菌Class I與II轉(zhuǎn)錄激活因子與RNA聚合酶及啟動子DNA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示出經(jīng)典的轉(zhuǎn)錄激活分子機制。總體來說，它們通過DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與啟動子DNA相互作用，通過其轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域與RNA聚合酶相互作用，將RNAP聚合酶富集到其調(diào)控的啟動子DNA區(qū)域激活轉(zhuǎn)錄。

在探索CAP轉(zhuǎn)錄激活機制的同時，David C. Fritzinger發(fā)現(xiàn)一種機制特異的轉(zhuǎn)錄因子MerR，其能夠結(jié)合在耐汞基因簇啟動子核心區(qū)域，與RNAP的結(jié)合位置完全重疊，在一般情況下，抑制下游基因表達(dá)；胞內(nèi)汞離子濃度高時，則激活下游基因表達(dá)。該現(xiàn)象與上述Class I和Class II的轉(zhuǎn)錄激活調(diào)控方式完全相悖，因為MerR的結(jié)合位置與RNAP結(jié)合位置完全重疊，按照此前的規(guī)律其應(yīng)該只發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制功能，且MerR調(diào)控的基因啟動子DNA的-35區(qū)和-10區(qū)間隔為19bp，而細(xì)菌RNA聚合酶只能識別-35區(qū)和-10區(qū)間隔為17±1的啟動子。科研人員在多種細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)該類轉(zhuǎn)錄因子的存在，因此該類蛋白被命名為MerR家族轉(zhuǎn)錄因子，能夠感受胞內(nèi)的金屬離子、氧化狀態(tài)及抗生素脅迫。自20世紀(jì)90年代，科研人員利用DNA足跡手段，發(fā)現(xiàn)MerR處于抑制態(tài)和激活態(tài)時，其結(jié)合的啟動子DNA構(gòu)象可能有較大的構(gòu)象變化。Thomas V. O’Halloran研究組針對MerR家族蛋白進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)研究，從2003年到2015年，科研人員分別解析CueR apo protein，CueR-DNA二元復(fù)合物及CueR-Ag+-DNA三元復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，闡明該家族成員在不結(jié)合配體時，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的B型雙鏈DNA；結(jié)合配體后，能夠使B型雙鏈DNA發(fā)生約90度的彎折，使其局部區(qū)域呈現(xiàn)出A型雙鏈DNA的構(gòu)象，這為該類轉(zhuǎn)錄因子的激活機制增加了神秘面紗。鑒于其轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式的特殊性，科研人員將MerR家族轉(zhuǎn)錄激活方式命名為非典型的轉(zhuǎn)錄激活或Class III轉(zhuǎn)錄激活。

為揭示MerR家族轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄激活機制，張余課題組以大腸桿菌中感應(yīng)銀離子和亞銅離子的CueR蛋白為研究對象，解析CueR、Ag+、啟動子DNA及RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，CueR結(jié)合在啟動子DNA的兩個關(guān)鍵區(qū)域-35區(qū)和-10區(qū)之間，使雙鏈DNA在四個位置發(fā)生較大程度彎折，特別是位于CueR二聚體中心的位置，DNA發(fā)生約90度的彎曲。這種由CueR結(jié)合導(dǎo)致的啟動子DNA彎曲，使19bp的-35/-10間隔區(qū)域重新壓縮到17bp的物理距離，從而使RNA聚合酶能夠啟動下游基因轉(zhuǎn)錄。此外，該復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示，雖然CueR在啟動子DNA上的結(jié)合位點與RNAP聚合酶的結(jié)合位點完全重疊，但是CueR結(jié)合在啟動子DNA的一側(cè)，而RNAP結(jié)合在啟動子的另一側(cè)，CueR與RNA聚合酶沒有相互作用，二者互不干擾，這一點與Class I及Class II的轉(zhuǎn)錄激活機制完全不同。該研究解析以CueR為代表的細(xì)菌Class III轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示該類轉(zhuǎn)錄激活蛋白不依賴與RNA聚合酶的相互作用，僅通過改變DNA構(gòu)象激活轉(zhuǎn)錄的分子機制。

張余課題組博士生方城力和美國西北大學(xué)博士Steven J. Philips為論文的第一作者。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究員馮鈺、西北大學(xué)教授Thomas V. O’Halloran、張余為論文的通訊作者。研究工作得到浙江大學(xué)電鏡中心以及國家蛋白質(zhì)中心（上海）的支持，受到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項計劃（B類）和上海市科技創(chuàng)新行動計劃的資助。

細(xì)菌Class III轉(zhuǎn)錄激活機制