科学家揭开了关键蛋白质如何将DNA转化为RNA的秘密

能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员发现了对RNA聚合酶II（Pol II）基本机制的新见解，Pol II是负责将DNA转录为RNA的蛋白质。他们的研究显示了该蛋白质如何将核苷酸添加到不断生长的RNA链中。该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上，在药物开发方面具有潜在的应用价值

Pol II存在于从病毒到人类的所有生命形式中。它在基因表达中的作用，即利用遗传信息合成蛋白质的过程，使其成为细胞中最重要的蛋白质之一。了解RNA聚合酶向RNA添加核苷酸的精确机制一直是科学界长期面临的挑战。之前的研究只提供了对这一过程的部分、低分辨率的一瞥

研究Pol II的主要挑战之一是金属（尤其是镁）在其活性位点内的瞬态性质。这些金属在推动核苷酸添加的化学反应中起着至关重要的作用，但它们的短暂存在使它们难以观察到

匹兹堡大学的研究员兼教授、合作者Guillermo Calero说：“聚合酶的化学性质涉及在活性位点短暂的金属，使它们很难被看到。”“这是充分理解核苷酸加成过程的一个重大障碍。”

为了克服这些挑战，研究小组使用了一种新的结晶技术，该技术涉及一种以促进蛋白质相互作用而闻名的特殊盐。这项技术使研究人员能够在以前看不见的状态下捕获聚合酶。这一突破使他们能够以前所未有的细节观察到“触发环”，这是Pol II的一个移动部分，将核苷酸定位在活性位点

SLAC的Linac相干光源（LCLS）X射线激光器的使用是该研究的另一个关键组成部分。它使研究人员能够在样本发生重大辐射损伤之前收集数据，从而更清楚地了解聚合酶的结构和功能

“我们第一次能够在活性位点看到三个镁离子，”合作者和SLAC科学家Aina Cohen说。“这之所以成为可能，是因为自由电子激光数据使我们能够看到对辐射极其敏感的第三种金属离子。”

另一个有趣的发现出现在研究Pol II的突变版本中。这种突变型RNA聚合酶的运作速度比野生型快，但也会产生更多的错误

“突变改变了Pol II的结构，”匹兹堡大学教授、合作者Craig Kaplan说。“使用LCLS，我们可以识别这些结构变化，这可以揭示突变是如何影响Pol II活性的。”

该团队已经在进行时间分辨实验，以捕捉聚合酶与核苷酸相互作用时触发环的实时动态，希望揭示RNA聚合酶功能的复杂性，并有助于更广泛地理解基因表达

此外，通过了解人类Pol II的详细机制，研究人员现在可以探索可以抑制病毒和细菌聚合酶的分子的发展，同时减少与人类聚合酶的有害相互作用。这在药物发现领域尤其重要，其目标是设计对病原体有效但对人体细胞安全的药物

Cohen说：“这些结构不仅深化了我们对人类RNA聚合酶功能的理解，而且为设计更具选择性、副作用更小的抗病毒药物奠定了基础。” More information: Guowu Lin et al, Structural basis of transcription: RNA polymerase II substrate binding and metal coordination using a free-electron laser, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2318527121

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences