科学家们得到一个特写的核糖体RNA生产线

酶使RNA从DNA模板改变减缓生产核糖体RNA (rRNA),最丰富的一种RNA在细胞内,当资源稀缺和细菌大肠杆菌需要缓慢增长。研究人员使用低温电子显微镜(低温电子显微镜)捕获的结构在复杂的DNA和RNA聚合酶显示它的活动是如何改变以应对疲弱的增长条件。有一篇描述由宾夕法尼亚州立大学的科学家领导的研究刊登在《华尔街日报》自然通讯。

“RNA聚合酶是一种酶,产生各种各样的使用信息编码的DNA, RNA”Katsuhiko村上说,宾夕法尼亚州立大学的生物化学和分子生物学教授和研究小组的领导人。“这是一个关键的步骤在分子生物学的中心法则:从DNA, RNA传递遗传信息,进而经常编码蛋白质。这是生活和所需过程基本上是共享从细菌到人类。我们感兴趣的是了解RNA聚合酶的结构改变调节声音的活动和功能,但它是很难捕获使用x射线晶体学等传统方法,它要求结晶样品来确定其结构。”

RNA聚合酶功能通过绑定到特定的DNA序列称为“促进者”附近发现一开始的基因会被制成RNA。了解聚合酶的结构和功能在此相互作用,研究人员需要捕捉聚合酶虽然必将启动子DNA,但交互可以在一些非常不稳定的推动者。晶体学只能捕获RNA聚合酶绑定到一个启动子,如果复杂的非常稳定,但对核糖体RNA推动者这种交互往往是不稳定的,这样RNA聚合酶能够迅速摆脱开始。看到这些交互研究人员转向低温电子显微镜,一种方法,让他们想象在溶液中大分子的结构。

“当你谈论RNA,大多数人想到信使核糖核酸(mRNA),即模板制造蛋白质,”村上说。“但最丰富的一种蛋白质的RNA在细胞实际上并不代码。核糖体RNA是核糖体的主要结构部件,这是构建蛋白质的细胞机制使用信使RNA作为模板。核糖体RNA合成占到总量的70%在大肠杆菌细胞RNA合成。”

当一个细胞分裂时,大肠杆菌可以在营养丰富的生长条件做每二十分钟,它需要为产生两个子细胞提供足够的核糖体功能,所以它是不断制造核糖体rna。

“如果你做一些粗略的计算,一个大肠杆菌细胞需要大约70000核糖体每20分钟,”村上说。“这意味着RNA聚合酶开始核糖体RNA合成从每个核糖体RNA子每1.7秒。所以,核糖体RNA聚合酶必须绑定子瞬变为了迅速转移到核糖体RNA合成步骤。这不是一个理想的晶体的方法,但在低温电子显微镜的一项研究中,我们可以获取这种交互,事实上,看到不同的几个阶段交互的一个样本。”

研究人员能够确定RNA polymerase-promoter复杂的三维结构在两个不同的阶段。当DNA仍是“关闭”,之前的两股DNA分子分离允许访问模板链(他们称之为一个封闭的复杂),和一个“开放”的DNA时(称为一个开放的复杂的)和准备RNA合成开始。

“我们发现一个大型构象变化聚合酶的一部分吗?(σ)因子与启动子DNA结合的时候,以前从未被观察到“村上说。”这一变化打开一个门,允许DNA聚合酶进入裂缝,形成开放复杂的很快。”

当大肠杆菌需要缓慢的增长由于资源有限,两个分子——一个全球转录监管机构叫DksA和一个叫ppGpp的细菌信号分子,结合直接与核糖体RNA聚合酶减少生产。研究小组研究这两个因素的绑定如何改变聚合酶的构象和promoter-specific的方式影响其活性。

“DksA和ppGpp绑定聚合酶改变它的构象,从而防止开放大门,因此聚合酶必须遵循的另一种选择途径,形成开放的复杂,”村上说。“这不是一个理想的核糖体RNA子通路,从而减缓其活动。很高兴看到这些构象变化有直接的聚合酶功能的后果。我们不能做这个没有低温电子显微镜,所以我非常感谢宾夕法尼亚州立大学访问这里的技术优化实验条件准备低温电子显微镜标本之前发给国家低温电子显微镜装置在NCI / NIH高分辨率数据集合。我们可以继续分析蜂窝组件和复合物以前无法进入。”

参考:Shin Y, Qayyum MZ, Pupov D, Esyunina D, Kulbachinskiy,村上KS。核糖体RNA转录调控的结构基础。自然通讯。2021;12 (1):528。doi: 10.1038 / s41467 - 020 - 20776 - y。

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