生物学教科书真的要更新了!Science 发现关键细胞过程背后的秘密

来源: 生物通 / 作者: 2020-11-27
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一项最新的研究发现并描述了一个重要的细胞过程,虽然之前生物学教科书上已经描述过这个过程,但是直到现在,科学家们仍然并不十分清楚其作用机制。

这个过程涉及到生命必不可少的关键过程:基因表达的转录阶段,也就是细胞能够生存并完成其工作的过程。

在转录过程中,RNA 聚合酶会将自身包裹在 DNA 的双螺旋结构中,使用一条链与核苷酸匹配,形成遗传物质的副本,产生一条新合成的 RNA 链,并在转录完成后断裂,然后 RNA 可以产生蛋白质,这是对于所有生命必不可少的过程。

就像任何连贯的信息一样,RNA 需要在正确的位置启动和停止才能有意义。50 年前,科学家们发现了一种叫做 Rho 的细菌蛋白,因为它具有停止或终止转录的能力。在每本教科书中,Rho 都被作为终止因子,这个蛋白可以与 RNA 结合,让 RNA 链从 RNA 聚合酶中抽离出来。但是,这些科学家仔细观察后发现,Rho 无法使用教科书机制找到需要释放的 RNA。

文章主要作者,俄亥俄州立大学微生物学教授 Irina Artsimovitch 说:“我们开始研究 Rho,并意识到它不可能以教科书的方式起作用。”

最新研究指出,Rho 不是在转录即将结束时附着在特定的 RNA 片段上,帮助其从 DNA 上解脱出来,实际上 Rho 与其他蛋白质协同作用,最终通过一系列结构改变 “欺骗” 了 RNA 聚合酶,从而释放了 RNA。

这项研究于 11 月 26 日由 Science 杂志在线发表。

研究团队使用复杂的显微镜揭示了 Rho 如何作用于由 RNA 聚合酶和两个伴随转录过程的辅助蛋白组成的完整转录复合体。

Artimovitch 说:“这是任何系统中终端复合体的第一个结构,但是由于分离太快而无法获得。”

“这回答了一个基本问题——转录是生命的基础,但如果不加以控制,将无济于事。RNA 聚合酶本身必须是完全中性的。它必须能够制造任何 RNA,包括被破坏的 RNA。在 RNA 聚合酶行使功能时,Rho 可以判断合成的 RNA 是否值得制造,如果不是,Rho 会释放它。”

Artsimovitch 教授在 RNA 聚合酶如何成功完成转录的研究中取得了许多重要的发现,最新这项研究是由她实验室的一名本科生在从事遗传学项目时,意外的发现了 Rho 令人惊讶的突变。

众所周知,Rho 可以使细菌中的毒力基因沉默,让它们保持休眠状态,直到需要引起感染为止。但是这些基因没有已知的 Rho 优先结合的任何 RNA 序列。实际上,对 Rho 机制的科学理解是通过简化的生化实验建立的,该实验经常遗漏 RNA 聚合酶,也就是说它定义了过程如何结束而不考虑过程本身。

在这项工作中,研究人员使用冷冻电子显微镜捕获了模型系统:大肠杆菌中 DNA 模板上运行的 RNA 聚合酶的图像。这种高分辨率的可视化与高端计算相结合,使转录终止的精确建模成为可能。

使用巧妙的方法在复合物崩解之前将其捕获,使科学家们可以看到代表终止途径中连续步骤的七个复合物,从 Rho 与 RNA 聚合酶的结合开始到完全无活性的 RNA 聚合酶结束。该团队根据他们所看到的内容创建了模型,然后使用遗传和生化方法确保这些模型正确。

尽管这项研究是在细菌中进行的,但作者表示,这种终止过程很可能会在其他生命形式中发生。

“这似乎很普遍。总的来说,细胞使用共同祖先相似工作机制。只要这些技巧有用,他们都会学到相同的技巧。”

(生物通)

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