生物學教科書真的要更新了!Science發現關鍵細胞過程背后的秘密

【字體: 時間:2020年11月27日 來源:生物通

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  研究人員首次描述Rho蛋白如何真正阻止基因表達的作用機制

  

一項最新的研究發現并描述了一個重要的細胞過程,雖然之前生物學教科書上已經描述過這個過程,但是直到現在,科學家們仍然并不十分清楚其作用機制。

這個過程涉及到生命必不可少的關鍵過程:基因表達的轉錄階段,也就是細胞能夠生存并完成其工作的過程。

在轉錄過程中,RNA聚合酶會將自身包裹在DNA的雙螺旋結構中,使用一條鏈與核苷酸匹配,形成遺傳物質的副本,產生一條新合成的RNA鏈,并在轉錄完成后斷裂,然后RNA可以產生蛋白質,這是對于所有生命必不可少的過程。

就像任何連貫的信息一樣,RNA需要在正確的位置啟動和停止才能有意義。50年前,科學家們發現了一種叫做Rho的細菌蛋白,因為它具有停止或終止轉錄的能力。在每本教科書中,Rho都被作為終止因子,這個蛋白可以與RNA結合,讓RNA鏈從RNA聚合酶中抽離出來。但是,這些科學家仔細觀察后發現,Rho無法使用教科書機制找到需要釋放的RNA。

文章主要作者,俄亥俄州立大學微生物學教授Irina Artsimovitch說:“我們開始研究Rho,并意識到它不可能以教科書的方式起作用。”

最新研究指出,Rho不是在轉錄即將結束時附著在特定的RNA片段上,幫助其從DNA上解脫出來,實際上Rho與其他蛋白質協同作用,最終通過一系列結構改變“欺騙”了RNA聚合酶,從而釋放了RNA。

這項研究于11月26日由Science雜志在線發表。

研究團隊使用復雜的顯微鏡揭示了Rho如何作用于由RNA聚合酶和兩個伴隨轉錄過程的輔助蛋白組成的完整轉錄復合體。

Artimovitch說:“這是任何系統中終端復合體的第一個結構,但是由于分離太快而無法獲得。”

“這回答了一個基本問題——轉錄是生命的基礎,但如果不加以控制,將無濟于事。RNA聚合酶本身必須是完全中性的。它必須能夠制造任何RNA,包括被破壞的RNA。在RNA聚合酶行使功能時,Rho可以判斷合成的RNA是否值得制造,如果不是,Rho會釋放它。”

Artsimovitch教授在RNA聚合酶如何成功完成轉錄的研究中取得了許多重要的發現,最新這項研究是由她實驗室的一名本科生在從事遺傳學項目時,意外的發現了Rho令人驚訝的突變。

眾所周知,Rho可以使細菌中的毒力基因沉默,讓它們保持休眠狀態,直到需要引起感染為止。但是這些基因沒有已知的Rho優先結合的任何RNA序列。實際上,對Rho機制的科學理解是通過簡化的生化實驗建立的,該實驗經常遺漏RNA聚合酶,也就是說它定義了過程如何結束而不考慮過程本身。

在這項工作中,研究人員使用冷凍電子顯微鏡捕獲了模型系統:大腸桿菌中DNA模板上運行的RNA聚合酶的圖像。這種高分辨率的可視化與高端計算相結合,使轉錄終止的精確建模成為可能。

使用巧妙的方法在復合物崩解之前將其捕獲,使科學家們可以看到代表終止途徑中連續步驟的七個復合物,從Rho與RNA聚合酶的結合開始到完全無活性的RNA聚合酶結束。該團隊根據他們所看到的內容創建了模型,然后使用遺傳和生化方法確保這些模型正確。

盡管這項研究是在細菌中進行的,但作者表示,這種終止過程很可能會在其他生命形式中發生。

“這似乎很普遍。總的來說,細胞使用共同祖先相似工作機制。只要這些技巧有用,他們都會學到相同的技巧。”

(生物通)



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