宾夕法尼亚州立大学萨姆·舒尔茨 一项新的冷冻电镜研究表明，从脱氧核糖核酸模板(核糖核酸聚合酶)中制造核糖核酸的酶被改变，以减缓细菌E中核糖体核糖核酸的产生。
大肠（杆）菌的
宾夕法尼亚州立大学哈克生命科学研究所的费·提坦·克里奥斯低温电子显微镜(左)
核糖核酸聚合酶和脱氧核糖核酸复合物的冷冻电镜图像(灰度，右)，带有核糖核酸聚合酶封闭复合物(上)和核糖核酸聚合酶和启动子复合物(下)三维重建的彩色插图
学分:宾夕法尼亚州立大学村上实验室 当资源短缺，细菌大肠杆菌需要减缓其生长时，从脱氧核糖核酸模板中制造核糖核酸的酶被改变以减缓核糖体核糖核酸的产生，核糖体核糖核酸是细胞内最丰富的核糖核酸类型
研究人员使用低温电子显微镜来捕捉与脱氧核糖核酸复合的核糖核酸聚合酶的结构，并展示了它的活性是如何随着生长条件差而变化的
一篇描述宾夕法尼亚州立大学科学家领导的研究的论文今天发表在《自然通讯》杂志上
“RNA聚合酶是一种利用DNA编码信息产生各种RNA的酶，”宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学教授、研究小组组长村上春树说
“这是分子生物学中心法则的关键步骤之一:将遗传信息从DNA转移到RNA，而RNA又常常编码蛋白质
这是生命所必需的，这个过程基本上是由细菌和人类共同完成的
我们有兴趣了解核糖核酸聚合酶的结构是如何改变的，以调节其活性和功能，但很难用传统方法捕捉，如x光结晶学，这需要结晶样品来确定其结构。
" 核糖核酸聚合酶的功能是通过与特定的脱氧核糖核酸序列结合，这些序列被称为“启动子”，在即将被制成核糖核酸的基因的起点附近发现
为了了解聚合酶在这种相互作用过程中的结构和功能，研究人员需要在聚合酶与启动子DNA结合时捕获聚合酶，但在某些启动子上这种相互作用可能非常不稳定
如果复合体非常稳定，结晶学只能捕获与启动子结合的核糖核酸聚合酶，但对于核糖体核糖核酸启动子，这种相互作用往往不稳定，因此聚合酶可以快速逃逸，开始制造核糖核酸
为了观察这些相互作用，研究人员转向冷冻电磁，这是一种允许他们观察溶液中大分子结构的方法
村上说:“当你谈论核糖核酸时，大多数人会想到信使核糖核酸，它是制造蛋白质的模板。”
“但是细胞中最丰富的核糖核酸实际上并不编码蛋白质
核糖体RNA是核糖体的主要结构成分，核糖体是利用信使RNA作为模板构建蛋白质的细胞机制
核糖体RNA合成占大肠杆菌总RNA合成的70%
大肠杆菌细胞
" 当一个细胞分裂时，哪个E
大肠杆菌在营养丰富的生长条件下每20分钟就能完成一次，它需要为两个子细胞提供足够的核糖体来发挥作用，所以它不断地制造核糖体核糖核酸
“如果你做一些粗略的计算，一个E
“大肠杆菌细胞每20分钟需要制造大约70，000个核糖体，”村上说
“这意味着RNA聚合酶每1
每个核糖体RNA启动子7秒
因此，聚合酶必须瞬时结合核糖体核糖核酸启动子，以便快速进入核糖体核糖核酸合成步骤
这对于结晶学方法来说并不理想，但在低温电磁研究中，我们可以捕捉到这种相互作用，事实上，在单个样品中可以看到不同的相互作用阶段
" 研究人员能够在两个不同的阶段确定核糖核酸聚合酶-启动子复合体的三维结构
一种是当脱氧核糖核酸仍然“封闭”时，在脱氧核糖核酸分子的两条链被分离以允许进入模板链(他们称之为封闭的复合物)之前，另一种是当脱氧核糖核酸“开放”(称为开放的复合物)并为核糖核酸合成开始做好准备时
村上说:“当聚合酶与启动子DNA结合时，我们发现它的一部分发生了巨大的构象变化，这是以前从未观察到的。”
“这种变化打开了一扇大门，让脱氧核糖核酸进入聚合酶的裂缝，迅速形成开放的复合体
" 当E
由于资源有限，大肠杆菌需要减缓其生长速度，两种分子——一种称为DksA的全球转录调节因子和一种称为ppGpp的细菌信号分子，直接与聚合酶结合，以减少核糖体RNA的产生。
研究小组研究了这两种因子的结合如何改变聚合酶的构象，并以启动子特异性的方式影响其活性
村上说:“DksA和ppGpp与聚合酶结合会改变其构象，从而阻止门的打开，因此聚合酶必须遵循另一种途径来形成开放的复合物。”
“对于核糖体RNA启动子来说，这不是一个理想的途径，因此会降低其活性
看到聚合酶的这些构象变化会产生直接的功能性后果是令人兴奋的
没有低温电磁我们无法做到这一点，所以我非常感谢能够在宾夕法尼亚州立大学使用这项技术，在将低温电磁样本送往NCI国家低温电磁设施进行高分辨率数据收集之前，优化实验条件来制备低温电磁样本
我们将能够继续分析以前无法获得的细胞成分和复合体
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