美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员对RNA聚合酶II(PolII)的基本机制有了新的认识，该蛋白质负责将DNA转录为RNA。他们的研究揭示了该蛋白质如何将核苷酸添加到不断增长的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。

科学家揭开关键蛋白质如何将DNA转化为RNA的秘密

PolII存在于从病毒到人类的所有生命形式中。它在基因表达(即利用遗传信息合成蛋白质的过程)中的作用使其成为细胞中最重要的蛋白质之一。了解RNA聚合酶将核苷酸添加到RNA的精确机制一直是科学界的长期挑战。先前的研究仅提供了对这一过程的部分、低分辨率的了解。

研究PolII的主要挑战之一是其活性位点内金属(特别是镁)的瞬时性质。这些金属在驱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得它们很难被观察到。

“聚合酶的化学反应涉及活性位点中瞬时存在的金属，因此很难看到它们，”合作者、匹兹堡大学研究员兼教授吉列尔莫·卡莱罗(GuillermoCalero)说道。“这对全面了解核苷酸添加过程造成了重大障碍。”

为了克服这些挑战，研究团队使用了一种新颖的结晶技术，该技术涉及一种以促进蛋白质间相互作用而闻名的特殊盐。该技术使研究人员能够捕获以前未见过的聚合酶状态。这一突破使他们能够以前所未有的细节观察“触发环”，即PolII的一个可移动部分，可将核苷酸定位在活性位点。

使用SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)X射线激光是这项研究的另一个关键组成部分。它使研究人员能够在样品受到严重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。

“这是我们第一次能够看到活性位点上的三个镁离子，”合作者、SLAC科学家AinaCohen说道。“这要归功于自由电子激光数据，它使我们能够看到对辐射极为敏感的第三个金属离子。”

研究PolII的突变版本还发现了另一个有趣的现象。这种突变的RNA聚合酶比野生型运行得更快，但也会产生更多错误。

“突变改变了PolII的结构，”合作者、匹兹堡大学教授CraigKaplan说道。“利用LCLS，我们可以识别这些结构变化，从而揭示突变如何影响PolII的活性。”

该团队已着手进行时间分辨实验，以捕捉聚合酶触发环与核苷酸相互作用时的实时动态，希望能够揭示RNA聚合酶功能的复杂性，并有助于更广泛地了解基因表达。

此外，通过了解人类PolII的详细机制，研究人员现在可以探索开发能够抑制病毒和细菌聚合酶同时减少与人类聚合酶有害相互作用的分子。这在药物发现领域尤其重要，该领域的目标是设计对病原体有效但对人类细胞安全的药物。

科恩说：“这些结构不仅增进了我们对人类RNA聚合酶如何发挥作用的理解，而且还为设计更具选择性且副作用更少的抗病毒药物奠定了基础。”