Nat Chem Biol | 张余课题组揭示细菌MerR家族转录激活机制

俗话说“位置决定立场”。细菌的转录因子在启动子DNA上面的结合位置也决定了它的立场，在绝大多数情况下，转录因子结合在RNAP识别核心区域上游发挥转录激活效果，转录因子结合在RNAP识别核心区域中间或者下游则发挥转录抑制效果。而细菌MerR家族转录因子则独树一帜，它能够“出淤泥而不染”，其结合在RNAP识别核心区域内部却能够激活下游基因转录。大肠杆菌是探索转录以及转录调控的经典模型，很多重要的规律均从之发现。Thomas A. Steitz和Richard H. Ebright课题组分别于2016年和2017年在Science杂志报道了经典的大肠杆菌转录因子CRP（cAMP receptor protein）的两类转录激活复合物（Class I和Class II）的结构，揭示了绝大多数转录因子“位置决定立场”的原因。结构发现，只有当转录因子结合在RNAP识别的核心区域（-35区和-10区）的上游的特定位置时，才能够在结合DNA的同时，与RNAP全酶的a亚基或者s因子发生相互作用，将RNAP招募到启动子DNA。细菌MerR转录因子家族因40年前第一个该家族蛋白MerR (Mercuric -responsive transcriptional regulator) 而得名。这类转录因子通过直接结合相应配体，响应胞内金属离子，氧化状态，以及抗生素胁迫，随后启动相应抗性基因的表达。该家族多个成员被用于开发高灵敏度的水体重金属生物传感器。MerR家族转录因子转录调控的特殊性在于：1）MerR结合位点与RNAP识别的核心区域重叠却激活转录；2）MerR能够将一个失活的启动子DNA结构转变为活性构象（MerR调控的启动子DNA核心区域的-35区和-10区具有19 bp距离，而RNAP只能识别-35区和-10区距离为17±1 bp的启动子DNA）。2020年9月28日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心的张余/浙江大学冯钰/美国西北大学Thomas O’ Halloran课题组在Nature Chemical Biology杂志发表了“CueR activates transcription through a DNA distortion mechanism”研究论文，报道了MerR家族转录因子CueR (Copper-responsive regulon transcription regulator) 的转录激活复合物电镜结构，揭示了一种新颖的转录激活机制。文章作者解析了大肠杆菌的MerR家族蛋白CueR, 其配体Ag+, 启动子DNA，以及RNAP的复合物电镜结构。该结构揭示了CueR, 启动子DNA以及RNAP的相互作用方式。结构显示CueR结合在启动子DNA的两个关键区域-35区和-10区之间，使双链DNA在四个位置发生了弯折，特别是位于CueR二聚体中心的位置，DNA发生了约90度的弯曲。这种由CueR结合导致的启动子DNA弯曲，使 19 bp的-35/-10间隔区域重新压缩到了17 bp的物理距离，从而将启动子DNA转变成活性构象。另外，该结构还显示虽然CueR在启动子DNA上的结合位点与RNAP聚合酶的结合位点完全重叠，但是CueR结合在启动子DNA的一个侧面，而RNAP结合在启动子的另一个侧面，CueR与RNA聚合酶没有相互作用，二者互不干扰。这一点也与Class I以及Class II的转录激活机制完全不同。因此，该研究解析了以CueR为代表的MerR家族转录激活复合物结构，揭示了其不依赖与RNA聚合酶的相互作用，仅通过改变DNA构象激活转录的新型转录激活机制– Class III 转录激活机制。论文第一作者为张余课题组博士生方城力和美国西北大学（Northwestern University）Steven J. Philips博士。浙江大学医学院冯钰研究员，美国西北大学Thomas V. O’Halloran教授以及张余研究员是该论文的通讯作者。原文链接https://www.nature.com/articles/s41589-020-00653-x
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