新的晶体结构通过“魔力点”揭示基因调控的神秘机制

利用创新的结晶技术研究基因转录机制的三维结构，由宾夕法尼亚州立大学的科学家领导的国际研究团队揭示了对“魔力点”长期争论行动的新见解 - 一种控制基因的分子当细菌受到压力时，在大肠杆菌和许多其他细菌中表达。该研究有助于我们对细菌在不利条件下如何适应和生存的基本理解，并提供关于可能成为寻找新抗生素的关键过程的线索。描述该研究的论文发表于2018年2月22日的“分子细胞”杂志。

宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学教授，该论文的作者，当细菌经历压力，例如饥饿时，他们改造了他们的基因表达。“1969年，我们的合着者迈克尔·卡舍尔发现当细菌缺乏关键营养素时，大肠杆菌中出现了一种新分子。卡舍尔称这种分子为色谱图中的新斑点，即”神奇斑点， “因为当细菌被饥饿时，它看起来似乎无处可见。”

随后神奇斑点显示为鸟苷四磷酸或ppGpp，其是基因组ATCG字母表中G核苷酸的化学修饰类似物。它在饥饿和其他胁迫后的出现与500多个基因的表达变化有关，最重要的结构RNA基因是核糖体的组成部分 - 负责蛋白质合成的酶。

ppGpp分子与大肠杆菌的RNA聚合酶相互作用- 从基因组DNA产生RNA的细胞机 - 但这种相互作用如何控制基因表达仍然是一个谜。然而，新的X射线晶体结构通过首次显示与ppGpp复合的大肠杆菌RNA聚合酶的三维图像和与ppGpp，DksA一起使用的另一个重要因子，提供了该过程的线索。

RNA聚合酶的三维结构已经很好地建立，但是当它与其他分子相互作用时看到RNA聚合酶的结构已被证明在技术上是困难的。相互作用的分子经常在结晶过程中解离，以观察它们的结构。研究人员通过在已经独立结晶的RNA聚合酶中添加DksA和ppGpp分子来克服这一困难。

“我们首先创造了RNA聚合酶晶体，然后浸泡在DksA和ppGpp中，”宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学助理研究教授，该论文的另一位作者Vadim Molodtsov说。“当我们这样做时，我们看到ppGpp以改变RNA聚合酶和DksA之间相互作用的方式与RNA聚合酶和DksA的复合物结合。我们认为这一变化可能是解释ppGpp如何改变转录的关键所在，以便细菌可以应对压力。“

细菌中的RNA聚合酶控制着所有基因的表达，但是响应于ppGpp的存在，一些基因的表达水平被降低，而许多基因的表达水平不受影响，一些基因被发现。表达水平的这些变化允许细菌改变其组成以更好地承受压力。研究人员推测，不同的反应可能是由于启动子-DNA序列的个体差异在启动单个基因表达的基因开始附近。

“我们充满了细菌，”宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学副教授，该论文的作者Sarah Ades说。“它们会影响我们的情绪，它们会影响我们的体重，它们会影响我们的免疫系统.ppGpp系统对很多这些细菌很重要，可以让它们感知环境并适应压力。了解ppGpp功能如何让我们更好地理解这些细菌细菌以及它们如何影响我们。该系统对引起传染病的细菌病原体也很重要。了解ppGpp的工作原理可以让我们找到破坏其功能和开发新抗生素的方法。“