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Nature | 实时追踪转录-翻译：打破距离限制，核糖体和RNA聚合酶可远程互作以优化基因表达

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-06 08:24

正文

撰文 | Qi

在细菌中，转录和翻译“偶联”进行，然而，RNA聚合酶（RNAP）并非一直不间断工作，可能因DNA上的障碍或错误核苷酸的插入而发生暂停或回溯。核糖体已被证实能加速RNA聚合酶（RNAP）驱动的转录进程，例如紧随RNAP后的核糖体通过阻断Rho解旋酶进入抑制Rho依赖性转录终止【1】，或通过直接物理碰撞推动RNAP，解除其暂停状态等【2, 3】。尽管核糖体-RNAP复合物的高分辨率结构解析所提供的静态“截图”为上述偶联过程给出初步见解，但不能实时监测这一动态过程以阐明这些大分子机器如何协调工作。

近日，来自欧洲分子生物学实验室的Olivier Duss团队在Nature杂志上发表了一篇题为Tracking transcription–translation coupling in real time的文章，他们重建了一个完整且活跃的转录-翻译系统，通过多色单分子荧光显微镜成像技术实时直接跟踪转录延伸、翻译延伸以及核糖体与RNAP之间的物理和功能偶联，提供了核糖体有效将RNAP从频繁的暂停中“拯救”出来的另一种解释，解释了核糖体和RNAP这两种大分子机器如何合作以优化基因表达。

该团队首先构建了一个能模拟细菌的、完整且且活跃的体外转录-翻译系统，简而言之，将DNA模板、RNAP和核糖体组装至功能化玻璃表面，使用多种荧光标记分子分别标记DNA、核糖体的30S亚基和50S亚基，通过检测标记分子间的荧光共振能量转移（FRET）来捕捉RNAP与核糖体之间的相互作用动态。冷冻电镜结构分析显示核糖体和RNAP之间的物理碰撞只发生在两者相距极近（最长47 nt）的情况下，如果两者相距更远还能否实现功能偶联？为此，该团队用供体和受体荧光基团分别标记核糖体和RNAP，通过观察是否发生FRET来实时跟踪两者在不同长度的mRNA（46-457 nt）间隔的条件下两者的偶联状态。结果显示发现两者间的mRNA长度从46 nt增加到457 nt时，处于偶联状态的复合体比例从65±4%下降到8±1%。这些实验表明，即使核糖体不紧跟在RNAP后面，也可以发生物理相互作用，且随着介入mRNA长度的增加，偶联效率降低。

图1. 实时跟踪共转录翻译延伸的实验示意图

已知转录因子NusG负责物理连接核糖体和RNAP，这一复合物被称为“表达体（expressome）”【5, 6】，该团队发现当RNAP和核糖体之间存在数百个核苷酸的mRNA环状折叠状态时，NusG的存在使得FRET值随表达体“压缩”而增加，提高偶联效率。那么核糖体是否可以通过这种长程偶联来激活停滞的RNAP呢？已知NusA会延长RNAP的暂停时间，该团队观察到在NusA存在且核糖体和RNAP相隔71 nt时，转录速度明显加速，当相隔的核苷酸增加至106 nt时，作用更显著，提示核糖体和NusA介导的暂停RNAP之间的远程偶联能“挽救”NusA诱导的RNAP暂停构象，从而激活转录。

综上，这项工作通过体外重构细菌的转录-翻译系统和多色单分子成像，对转录和翻译过程进行实时追踪，打破了人们对核糖体与RNAP仅限于短距离的相互作用的认知，证实NusG和NusA可调控核糖体和RNAP的长程偶联作用，帮助人们进一步理解转录和翻译机器如何协调工作以优化基因表达。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08308-w

制版人：十一

参考文献

1. McGary, K. & Nudler, E. RNA polymerase and the ribosome: the close relationship. Curr. Opin. Microbiol. 16, 112–117 (2013).

2. Wee, L. M. et al. A trailing ribosome speeds up RNA polymerase at the expense of transcript fidelity via force and allostery. Cell 186, 1244–1262.e1234 (2023).

3. Stevenson-Jones, F., Woodgate, J., Castro-Roa, D. & Zenkin, N. Ribosome reactivates transcription by physically pushing RNA polymerase out of transcription arrest. Proc. Natl Acad. Sci. USA 117, 8462–8467 (2020).

4. Bailey, E. J., Gottesman, M. E. & Gonzalez, R. L. Jr NusG-mediated coupling of transcription and translation enhances gene expression by suppressing RNA polymerase backtracking. J. Mol. Biol. 434, 167330 (2022).

5. Kang, J. Y. et al. Structural basis for transcript elongation control by NusG family universal regulators. Cell 173, 1650–1662.e1614 (2018).

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