揭示特殊转录激活分子的机制

转录调控是细菌应对环境胁迫和病原菌缓解抗生素压力的重要手段，由细菌的转录核心机器 RNA 聚合酶和一系列转录起始 sigma 因子共同完成。在通常情况下，细菌的看家 sigma 因子（如大肠杆菌的 sigma 70 ）负责大多数的基因表达，而在环境胁迫下， sigma ^S 则快速占据主导，并通过开启特定基因的表达来帮助细菌适应不利环境。与细菌的看家 sigma 因子相比， sigma ^S 的活性通常较低，其功能的发挥通常需要转录激活因子的协助，而 Crl 正是一种 sigma ^S 特异的转录激活因子。

此前，对于 Crl 激活转录的分子机制不甚清楚。在该研究中，合作者首先解析了 E. coli Crl 转录激活复合物的 3.8 Å 的冷冻电镜结构，该复合物包括了 E. coli 的 RNA 聚合酶、转录起始因子 sigma ^S 、 Crl 、以及启动子 DNA 。在该结构中， Crl 主要与 sigma^S 的 domain  2 相互作用，同时也与 RNA 聚合酶的最大亚基 bet a’ 有少许相互作用。与绝大多数传统的转录激活因子不同，电镜结构显示 Crl 并不结合启动子 DNA ，因此单从结构本身较难完全解释 Crl 对于 sigma ^S -RNAP 的转录促进活性。在此基础上，上科大免化所团队进一步利用氢氘交换质谱（ HDX-MS ）对该系统进行了深入研究。氢氘交换质谱的结果揭示， Crl 不仅直接结合 sigma^S  的 alpha2-alpha3 螺旋（ Figure 1A ），还能够通过变构调节作用稳定 sigma^S 的  alpha4 、 alpha5 等多个结构单元（ Figure 1A-C ），而这些结构单元的稳定将能够促进 sigma ^S 与 DNA 以及 sigma ^S 与 RNA 聚合酶之间的相互作用（ Figure 1D ）。基于以上数据，研究人员提出 Crl 通过特异性结合转录起始因子 sigma ^S ，稳定 sigma ^S 的活性构象，从而促进 sigma^S 与 RNA 聚合酶以及启动子 DNA 的结合组装，进而激活 sigma ^S-RNAP 介导的转录。这一机制在后续的功能实验中得到了进一步验证。该工作呈现了一种新的转录因子与 RNA 聚合酶的结合方式，揭示了一种新的细菌转录激活分子机制。