Транскрипция — это первая из серии шагов, предпринимаемых клетками для считывания генетической информации в ДНК.В статье, опубликованной сегодня в журнале Science, Ричард Эбрайт и другие ученые Рутгерса показывают, как белок-активатор транскрипции взаимодействует с ферментом — РНК-полимеразой, — который клетки используют для выполнения транскрипции. Они также показывают, как белок-активатор транскрипции помогает РНК-полимеразе связываться со спиралью ДНК на определенном участке, предшествующем гену, и как белок-активатор транскрипции помогает РНК-полимеразе раскручивать спираль ДНК, чтобы инициировать транскрипцию гена.
Ученые Рутгерса показывают, что белок-активатор транскрипции функционирует, связываясь со специфической последовательностью ДНК, предшествующей целевому гену, и обеспечивает адгезивные, липучковидные взаимодействия с РНК-полимеразой, которые стабилизируют контакты РНК-полимеразы с соседними последовательностями ДНК.Ученые Рутгерса также показывают, что белок-активатор транскрипции осуществляет два отдельных последовательных набора адгезивных, липучковых взаимодействий с РНК-полимеразой: один, который помогает РНК-полимеразе связываться со спиралью ДНК, и второй набор, который помогает РНК-полимеразе раскручивать спираль ДНК. .«Определение структуры ген-специфичного комплекса активации транскрипции было целью исследователей на протяжении почти четырех десятилетий», — сказал Эбрайт, профессор химии и химической биологии Совета управляющих и директор лаборатории Института микробиологии Ваксмана в Рутгерсе.В исследовательскую группу также входили научный сотрудник Рутгерса Ю Фэн и доцент Рутгерса профессор Ю Чжан.«Это знаменательная статья», — сказал Стив Басби, профессор биохимии Университета Бирмингема, Великобритания, который не участвовал в исследовании. «Впервые у нас есть полная молекулярная картина активации транскрипции на целевом промоторе.
Предыдущие отчеты описывали компоненты процесса или полагались на реконструкции из данных с более низким разрешением. Здесь Эбрайт и его коллеги решили проблему, используя компоненты бактерий, которые растут при высокой температуре.
Это приводит к решению некоторых основных вопросов о том, как работают активаторы, но также использование термофильной системы раскрывает некоторые неожиданные вариации, иллюстрирующие, как фундаментальный механизм может быть разработан в различных ветвях эволюционного древа. . "Структура, определенная исследователями Рутгерса, представляет собой структуру комплекса активации транскрипции, содержащего активаторный белок TTHB099 (TAP) из бактерии Thermus thermophilus. Поскольку TAP тесно связан по последовательности и структуре с прототипом, наиболее известным белком-активатором бактериальной транскрипции — белком-активатором катаболита (CAP), также известным как белок рецептора циклического AMP (CRP), — результаты обеспечивают основу для понимания активация бактериальной транскрипции. Поскольку механизмы транскрипции у бактерий и высших организмов структурно и механически связаны, структура также обеспечивает основу для понимания транскрипции и регуляции транскрипции у высших организмов, включая человека.Структура определяет взаимодействия, которые РНК-полимераза и сигма-фактор инициации транскрипции осуществляют с ДНК перед геном.
Структура также определяет взаимодействия, которые TAP осуществляет с ДНК, РНК-полимеразой и сигмой.TAP распознает и связывается с определенной последовательностью ДНК перед геном. Он распознает конкретную последовательность ДНК, вставляя пару α-спиралей в бороздки спирали ДНК и распознавая функциональные группы на краях пары оснований ДНК.
Структура показывает, что открытая поверхность ДНК-связанного TAP, называемого AR4, заставляет белок-белок контактировать с РНК-полимеразой? субъединица С-концевого домена. Это взаимодействие происходит до или во время начального связывания РНК-полимеразы с ДНК и помогает РНК-полимеразе связываться с ДНК. Структура показывает, что две другие открытые поверхности ДНК-связанного TAP, называемые AR2 и AR3, обеспечивают контакты между белками и РНК-полимеразой? субъединица и с сигмой.
Эти два взаимодействия происходят только после начального связывания РНК-полимеразы с ДНК и помогают РНК-полимеразе и сигма раскрутить ДНК.Как взаимодействие AR4, так и взаимодействия AR2 и AR3 являются простыми, адгезивными, типа липучки, которые функционируют за счет стабилизации контактов РНК-полимеразы и сигма с сегментом ДНК, смежным с сегментом ДНК, связанным с TAP.
Различные функциональные последствия двух наборов взаимодействий — взаимодействие AR4 облегчает связывание ДНК, а взаимодействия AR2 и AR3 облегчают раскручивание ДНК — возникают из-за различий во времени взаимодействий, а не из-за различий в характере взаимодействий.«В статье представлен великолепный снимок процесса активации транскрипции — процесса, посредством которого ген включается в ответ на поучительный сигнал из окружающей среды», — сказала Энн Хохшильд, профессор микробиологии и иммунобиологии Гарвардской медицинской школы, которая также не был частью исследования. «Эбрайт и его коллеги представляют кристаллическую структуру, которая фиксирует сеть взаимодействий между белком-активатором, связанным с ДНК, и РНК-полимеразой (основным ферментом экспрессии генов), поскольку он готов начать транскрипцию гена. Подтвержденные прецизионным генетическим анализом структурные данные поддерживают элегантный и унифицированный механизм для функции активатора ».