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东秀珠团队发现古菌转录终止机制

发布时间： 2022-01-05 来源：科技战略规划与重大项目处

古菌是有别于细菌和真核生物的第三种生命形式，它们具有细菌样的细胞形式，却使用真核生物样的遗传信息传递机器。由于古菌的发现和作为一个独立的生命域的确立晚于细菌和真核生物，而且它们多属于极端微生物，对其生物学过程及遗传机制认识较少。转录终止是重要的生物学过程，该过程界定一个转录子的3′端及其正确的结构，以保证储存在DNA中的遗传信息正确传递。转录终止的缺陷将导致转录组表达紊乱、基因表达调控失调、及生物大分子机器间的碰撞而导致染色体断裂等。因此，国际上对细菌和真核生物的转录终止机制进行了深入研究，但对于古菌的转录终止过程与机制仍所知甚少。

中国科学院微生物研究所东秀珠团队多年来致力于自然界中分布最广泛、种类最丰富的古菌类群——甲烷古菌的生理代谢及环境适应机制研究。该团队的李洁博士领导的研究小组经过10余年研究，发现模式甲烷古菌中组学水平的mRNA加工现象，改变了过去认为原核生物“mRNA不加工”的认知，揭示了古菌的核糖体蛋白合成和组装的转录后调控机制(Nucleic Acids Res，2017);发现mRNA加工对甲烷古菌的低温适应重要(Environ Microbiol， 2021)，并揭示了相关核酸酶的工作机制(RNA Biol 2020;Mol Microbiol，2017);发现首个古菌的冷休克蛋白及其RNA伴侣蛋白功能(PLoS Genet，2019; Front Microbiol, 2017)。近期，该研究小组更是通过近6年的系统研究，报道了在古菌中寻找了近40年的全局转录终止因子-核酸内切酶aCPSF1，揭示了aCPSF1通过切割RNA 3′端而介导古菌转录终止的工作模式-真核生物RNA聚合酶II相似的转录终止模式，为“古菌是真核生物的进化起源”提供了新的遗传学证据。aCPSF1广泛分布于所有古菌中，而且亲缘关系甚远的奇古菌及Asgard古菌的aCPSF1在甲烷古菌中也发挥转录终止功能，说明古菌广泛采用aCPSF1依赖的转录终止模式。研究结果发表在Nucleic Acids Res(2020)。与黄力研究员研究组郑小伟博士合作，研究小组发现aCPSF1蛋白是古菌的新的系统发育分子标识，可用于古菌的分类学研究。古菌的aCPSF1分类系统具有比16S rRNA高的分辨率，又避免了目前采用的基因组系统发育分析中耗时长的问题。研究结果发表在Microbiology Spectrum(2021)上。

古菌aCPSF1转录终止模式是真核生物RNA聚合酶II转录终止的初生并简化版本

在上述工作基础上，研究小组采用新发展的RNA 3′端测序技术，并结合体外生化和体内遗传学实验，证明了终止因子aCPSF1特异识别的终止子信号-3′端的U-tract序列，并发现aCPSF1依赖其N端KH结构域特异性识别终止子信号，并依赖其核酸酶功能域完成mRNA 3′端的切割从而介导古菌的高效终止。由此发现显著区别于细菌，在古菌中，转录终止因子aCPSF1 (反式作用蛋白)与终止子U-tract序列(顺式元件)共协同控制高效转录终止效率;且该发现进一步表明尽管古菌采用真核样的转录终止模式，但其转录终止模式应是真核生物转录终止的初生并简化版本。该结果于12月30日在eLife在线发表。副研究员李洁、博士生岳雷和硕士生李志华为论文的并列第一作者，东秀珠研究员和李洁副研究员为共同通讯作者;研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的经费支持。