新的研究突出显示RapA酶如何帮助大肠杆菌细胞防御R环的有害影响。
从遗传学的角度来看，细菌在转录过程中，当新形成的RNA附着于其DNA时，会面临一个严重的困境，形成一种称为R环的结构。虽然R环在细胞内可以扮演有益的角色，但在不适当的地点和时间形成时，会造成严重损害，导致DNA断裂、突变，最终导致细胞死亡。
最近发表在自然结构与分子生物学的研究结果表明，RapA酶在防止大肠杆菌中R环形成方面发挥着至关重要的作用，这对我们理解细胞如何维持基因组完整性具有重要影响。研究表明，RNA聚合酶（RNAP）这种将DNA转化为RNA的酶，可能导致过量的R环形成；然而，这一过程受到蛋白质RapA的干预而得到缓解。
“R环通常是有害的，因此细胞使用多种备份系统来阻止它们的形成，”分子生物物理实验室主任Seth Darst解释道。“我们的发现表明，RapA是我们多年来一直好奇的那些重要机制之一。”
生命之钳
所有生物都依赖RNAP将DNA转化为RNA。在细菌方面，早就已经确定，当RNAP附着在DNA链上并由σ蛋白激活时，转录便开始。然而，这一转录过程的结束仍不清楚。最近的研究表明，RNAP在RNA转录物释放后，往往仍与DNA结合——但这背后的原因和过程并不明确。
在1990年代，Darst实验室发现了RapA，这是一种似乎与RNAP相互作用但缺乏可识别功能的ATP酶。“那时候，我们不知道RapA在做什么，”他回忆道。然而，当另一个研究团队发现没有RapA，E. coli在压力较大、高盐的环境中无法生存时，Darst对这一难解蛋白的兴趣再次被激发。
团队利用冷冻电子显微镜（cryo-EM）研究RNAP在转录结束后如何保持与DNA的结合，以及RapA如何与之相互作用。他们选择负超螺旋DNA进行实验，这种形式的DNA与细菌DNA的通常缠绕形式非常相似，比其他结构研究中常用的线性DNA能产生更准确的结果。“这项研究是第一批在冷冻电子显微镜实验中使用负超螺旋DNA的研究之一，”设计该研究的第一作者Joshua Brewer指出。“这种方法让我们能够更好地可视化DNA的拓扑状态，理解蛋白质如何重新排列并与DNA结合。”
研究人员惊讶地发现，RNAP在转录后仍与DNA结合时并没有闲着。相反，它可以在没有σ蛋白标准保护的情况下重新启动转录。这个过程可能会导致R环的有害形成，除非RapA迅速采取行动，撬开RNAP的夹子。“可以把RNAP想象成一个大钳子抓住DNA，”Darst解释说。“RapA附着在RNAP上，撬开夹子，使其从DNA中释放，防止R环的形成。”
超越细菌
随着研究的继续，RapA功能的理解变得更加清晰。当缺乏RapA的细菌受到高盐压力时，它们表现出遗传不稳定性，这表明RNAP在某些条件下更容易与DNA结合并生成R环。
此外，他们发现虽然E. coli含有Rho，这是一种已知能够解体R环的酶，但Rho无法完全弥补RapA缺失的影响。“没有RapA，Rho的工作过载，”Brewer指出。“RapA和Rho似乎作为互补机制存在——而不是冗余——以维持在E. coli面临高盐压力时的基因组稳定性。”
这些发现可能产生广泛的影响。Darst、Brewer及其同事怀疑RapA或类似的因素，可能不仅存在于E. coli中，而且还可能存在于所有细菌中，甚至可能遍及所有细胞类型。在各种生物中识别类似机制，可能为应对与转录问题相关的基因组不稳定性疾病提供新的策略。
“我们推测，其他酶可能在整个进化范围内执行类似的角色，”Darst说道。“我们对这些过程的了解越多，就越能增强我们对细胞如何保护遗传物质的理解。”
