一类新型细菌转录调控因子的机制研究

Transcription is an essential and mostly-regulated step of gene expression. Bacterial transcription is mainly regulated by transcription factors (TFs), a super protein family which binds to the regulatory region of specific genes to activate (recruiting RNA polymerase to promoter DNA) or inhibit (preventing RNA polymerase from binding to promoter DNA). Canonical TFs function as dimers and mostly bind to regions 4 of sigma factors to activate transcription. Recently several reports identified a new type of TFs, most of which are wildly distributed in different bacteria phyla and physiologically important. The new type of TFs is unique in sequence, structure, and mechanism for transcription activation, but is poorly understood compared with the canonical TFs. We have studied in detail the molecular mechanism of bacterial transcription initiation, and bacterial transcription activation by canonical TFs. We propose to study the structural basis and molecular mechanism for transcription activation of the new type of TFs. The proposed study would expand our understanding of bacterial transcription regulation, and provide useful tools for reconstruction of a bacterial regulatory network.

转录是最重要的生命活动之一，是基因表达的主要调控环节。细菌转录调控主要由转录因子实现，它们能够结合到基因调控区域，通过促进或者抑制RNA聚合酶与调控基因结合从而实现转录激活或转录抑制。传统的转录激活因子通常以二聚体形式发挥功能，通过同时结合启动子DNA和转录起始因子(sigma因子)R4结构域激活转录。近年来，一类新型的转录激活因子逐渐被发现，它们分布广泛，具有重要的生理功能，具有全新的序列和结构，结合到RNA聚合酶的不同区域，以特异的机制激活转录。与经典转录激活因子相比，针对这类新型转录激活因子的认识还远远不足。申请人在前期工作中系统研究了细菌转录的分子机制，以及传统转录激活因子的调控机制。申请人拟以此为基础，进一步探索这类新型转录激活因子的结构和分子机制。该研究能够加深对细菌转录调控的理解，为改造和重构原核调控网络提供理论支持。

转录是基因表达的主要调控环节，主要由转录因子 (Transcription factor)实现。转录因子通过与RNA聚合酶（RNAP）和启动子建立相互作用激活转录。经典转录激活因子通常以二聚体形式结合在启动子DNA上游，与RNAP的σ4结构域或RNAP-α亚基相互作用激活转录。近些年来陆续发现新型的转录激活因子，其作用方式与上述经典的转录激活因子有较大差异，申请人探讨了两个新型转录激活因子(E. coli Crl和C. crescentus GcrA)的工作机制。我们解析了 E. coli Crl 转录激活复合物冷冻电镜结构。其中Crl以单体的形式与σS2相互作用，同时与 RNAP-β’相互作用，但不结合启动子DNA。氢氘交换质谱结果发现 Crl 稳定σS2的多个结合DNA结构单元的构象。我们提出Crl 特异性结合并稳定σS的活性构象，从而促进σS与RNAP的组装以及σS与启动子 DNA 结合，进而激活σS-RNAP介导的转录。该工作呈现了一种新的转录因子与RNAP的结合方式，揭示了一种新型细菌转录激活机制。我们还解析了C. crescentus GcrA 转录激活复合物冷冻电镜结构。GcrA独特的结构域组成能够让其GcrA-SID结构域与RNAP相互作用，组成功能特化的全酶GcrA-RNAP，其次GcrA-RNAP通过其DBD结构域定位它位于转录起始位点上游或下游的顺式元件，然后促进RNAP结合其近端区域的核心启动子。该工作中完善了当前细菌转录激活的模型。