徐彦辉团队Cell Discovery+Nat Comm分别揭示人源RNA聚合酶I转录调控机制及RNA聚合酶III转录终止机制

责编丨迦溆

一、RNA聚合酶I转录调控机制

在真核生物中，三种结构保守的RNA聚合酶（Pol I，Pol II和Pol III）分别介导不同基因的转录，合成不同类型的RNA。其中Pol I定位在细胞核核仁中，主要转录rRNA，其转录活动可达整个胞内转录活动的60%，对于核糖体合成至关重要。临床研究证明，Pol I的突变会导致特雷彻·柯林斯综合征、面骨发育不全以及严重神经变性等疾病的发生，此外Pol I转录机制被认为是重要的抗癌治疗的药物靶点之一，因此人源Pol I的结构研究具有十分重要的意义。

2021年10月20日，复旦大学徐彦辉团队在Cell Discovery杂志在线发表研究论文“Structure of the human RNA polymerase I elongation complex”。该研究首次解析了原子分辨率的人源 Pol I转录延伸复合物的三种状态（post-translocation，pre-translocation，backtracked）的高分辨三维结构，揭示其复合物组装和调控机理。

该研究表明，人源Pol I分为结构保守的催化核心模块和外周调控模块，有紧凑的clamp可结合rDNA。Post/pre-translocation两种构象的延伸复合物均揭示了十分保守的活性催化中心。Backtracked构象首次从结构上解释了Pol I通过具有核酸内切酶活性的亚基RPA12进行转录校对的机制。以上结构研究揭示了人源Pol I的结构特征，为其转录调控机制以及相关疾病研究提供了结构基础。

人源RNA聚合酶I延伸复合物的冷冻电镜结构

复旦大学博士生赵丹、刘维达、陈柯为本文共同第一作者，复旦大学附属肿瘤医院/生物医学研究院徐彦辉研究员和杨慧蓉副研究员为共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41421-021-00335-5

二、RNA聚合酶III转录终止机制

真核生物基因转录可分为起始，延伸和终止过程。其中终止过程涉及聚合酶减慢速度至停止，然后从基因组上解离。但相关研究比较有限，没有明确的分子机制模型。

2021年11月21日，复旦大学徐彦辉团队在Nature Communications杂志在线发表题为Structural insights into RNA polymerase III-mediated transcription termination through trapping poly-deoxythymidine的研究成果，揭示RNA聚合酶III转录终止分子机制。

该研究解析了3.6 Å分辨率的人源 Pol III转录终止前复合物（PTC）的三维结构，结合生化分析，揭示了Pol III独特的转录终止机理。为研究转录终止打开了一个突破口并提供了研究的新思路。该工作是徐彦辉课题组前期人源Pol III延伸复合物结构研究的延续（Cell Research，2021）。

RNA聚合酶Pol III负责转录合成tRNA、5S rRNA、U6 RNA等其他非编码小RNA。Pol III是真核生物中组成最为复杂的聚合酶，包含17个亚基，可分为结构保守的催化核心模块和外周调控模块。临床试验证明，Pol III的突变和异常组装会导致特雷彻·柯林斯综合征、异染性脑白质营养不良、贝克威斯韦德曼氏症等疾病的发生。Pol III转录的准确终止对基因的表达调控起着至关重要重要的作用，其失调可导致基因的异常转录。大量的研究表明，与Pol I和Pol II性对复杂的终止过程不同，Pol III终止是由DNA非模版链（non-template）上连续的4～7个脱氧胸腺嘧啶核苷（dT）介导的。然而Pol III如何特异识别poly-dT而造成转录停止，分子机制尚不清楚。

人源RNA聚合酶III PTC的冷冻电镜结构

课题组巧妙利用DNA-RNA 杂交核酸链捕捉到Pol III PTC复合物。PTC结构展示了poly-dT结合在Pol III聚合酶的protrusion和lobe结构域之间的狭窄通道中。其中poly-dT上的甲基通过疏水作用被fork loop1（FL1）特异性识别，poly-dT上的磷酸通过氢键网络结合在lobe上。这种双性的紧密相互作用将lobe拉向protrusion，形成狭窄通道和阻碍非模版链迁移的门控系统。Poly-dT的结合也介导了活性中心fork loop2（FL2）的构象变化。在PTC复合物中，FL2稳定了转录叉（transcription fork）的模版链和非模版链，进一步阻止了转录过程中模版的迁移。

上述结构分析展示了Pol III从转录延伸到终止的动态过程，通过对比Pol I和Pol II延伸复合物结构，揭示了Pol I和Pol II不能在poly-dT上终止的分子机理，提出“two-gates prevention”的Pol III特异的转录终止机制模型。

复旦大学附属肿瘤医院侯海峰副研究员，博士生李妍、汪默，博士后刘爱军为本文共同第一作者，复旦大学附属肿瘤医院/生物医学研究院徐彦辉研究员为通讯作者。复旦大学电镜中心对上述两项研究的数据收集给予了重要支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26402-9

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。