4月15日，中國(guó)科學(xué)院上海免疫與感染研究所王程遠(yuǎn)研究員與晁彥杰研究員、復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院陳振國(guó)教授、軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院高月研究員團(tuán)隊(duì)合作，在Nature Communications上發(fā)表題為“A widely conserved protein Rof inhibits transcription termination factor Rho and promotes Salmonella virulence program”的研究論文，首次闡明了Rof蛋白抑制Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止，并調(diào)控沙門氏菌毒力因子表達(dá)的分子機(jī)制。該研究為深入研究致病菌毒力因子表達(dá)調(diào)控機(jī)制提供了新線索，為抗菌藥物研發(fā)提供了新靶點(diǎn)。

Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止（Rho dependent transcription termination）是普遍存在于細(xì)菌中的一類轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制。與固有轉(zhuǎn)錄終止不同，Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止主要通過具有5′ ->3′轉(zhuǎn)移酶/解旋酶活性的Rho因子完成RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止過程，同時(shí)與轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)過程相互協(xié)作，在細(xì)菌應(yīng)激基因表達(dá)、外源基因沉默、毒力因子調(diào)控、維持基因組穩(wěn)定性等過程起著重要調(diào)控作用。細(xì)菌Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止過程主要包括四個(gè)步驟：1）Rho解旋酶形成開環(huán)狀態(tài)（Ring state）六聚體，并通過其初始RNA結(jié)合位點(diǎn)（Primary binding site，PBS）識(shí)別信使RNA上的特殊序列（Rho utilization site，rut site）并與信使RNA結(jié)合；2）開環(huán)狀態(tài)Rho六聚體通過其中心位置第二個(gè)RNA結(jié)合位點(diǎn)（Secondary binding site，SBS）與富含嘧啶RNA序列結(jié)合；3）開環(huán)狀態(tài)六聚體閉合形成閉環(huán)六聚體（Ring state），并通過水解ATP提供能量沿著5’->3’方向在信使RNA上移動(dòng)；4）Rho解旋酶六聚體接近延伸狀態(tài)RNA聚合酶，并通過NusG轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)與RNA聚合酶結(jié)合，通過水解ATP提供機(jī)械力解離信使RNA與RNA聚合酶，最終完成RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄終止過程。王程遠(yuǎn)研究組在此前的研究過程中成功解析了轉(zhuǎn)錄因子NusG介導(dǎo)細(xì)菌轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)（Science?2020）以及Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止（Nature?2023）的分子機(jī)制，闡明了其相互協(xié)作調(diào)控基因表達(dá)的工作模型。然而，細(xì)菌中Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止過程是否還受到其它因子的調(diào)控仍未明確。

Rof（又稱為Rho off）是一類在細(xì)菌中高度保守的調(diào)控蛋白，在此前的研究中被報(bào)道具有抑制Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止的功能，然而其抑制作用的具體分子機(jī)制并不明確。本研究通過體外結(jié)合實(shí)驗(yàn)，證明Rof蛋白能與Rho因子直接相互作用；之后通過單顆粒冷凍電鏡方法解析了大腸桿菌Rof-Rho抗轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合體結(jié)構(gòu)（分辨率為2.8?）。結(jié)構(gòu)顯示Rof能特異性地與Rho因子初始RNA結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，競(jìng)爭(zhēng)性抑制Rho因子識(shí)別并結(jié)合信使RNA中的rut序列，進(jìn)而抑制Rho因子六聚體由開環(huán)狀態(tài)向閉環(huán)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致Rho因子無法完成轉(zhuǎn)錄終止過程。

研究發(fā)現(xiàn)，Rof蛋白普遍存在于腸桿菌目（Enterobacterales）、奈瑟菌目（Neisseriales,）和伯克霍爾德菌目（Burkholderiales）中，特別是在腸桿菌目中，其氨基酸序列高度保守。通過體外轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)證明，腸桿菌目沙門氏菌中的Rof蛋白與大腸桿菌Rof具有相似的功能機(jī)制，可有效抑制沙門氏菌Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止。沙門氏菌作為重要的食源性致病菌，能夠表達(dá)多種毒力因子，主動(dòng)侵入真核宿主細(xì)胞內(nèi)寄生繁殖。通過分析沙門氏菌毒力基因表達(dá)和細(xì)胞侵染效率，本研究揭示了沙門氏菌Rof因子通過抑制Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止，調(diào)控了多個(gè)毒力因子相關(guān)基因（hilA，prgH和sopB）的轉(zhuǎn)錄活性，最終促進(jìn)了沙門氏菌III型分泌系統(tǒng)的表達(dá)組裝和入侵宿主細(xì)胞的能力。該研究為進(jìn)一步解析致病菌毒力因子調(diào)控提供了重要研究基礎(chǔ)。

圖：Rof蛋白抑制Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止，調(diào)控沙門氏菌毒力因子表達(dá)的模式圖

中國(guó)科學(xué)院上海免疫與感染研究所博士后張晶為論文第一作者，上海免疫與感染研究所博士生張碩、軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院副研究員周維、復(fù)旦大學(xué)博士生張翔為論文共同第一作者。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47438-7