4月15日，中國科學院上海免疫與感染研究所王程遠研究員與晁彥杰研究員、復旦大學生物醫學研究院陳振國教授、軍事科學院軍事醫學研究院高月研究員團隊合作，在Nature Communications上發表題為“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因子依賴型轉錄終止，并調控沙門氏菌毒力因子表達的分子機制。該研究為深入研究致病菌毒力因子表達調控機制提供了新線索，為抗菌藥物研發提供了新靶點。
Rho因子依賴型轉錄終止（Rho dependent transcription termination）是普遍存在于細菌中的一類轉錄終止機制。與固有轉錄終止不同，Rho因子依賴型轉錄終止主要通過具有5′ ->3′轉移酶/解旋酶活性的Rho因子完成RNA聚合酶轉錄終止過程，同時與轉錄翻譯偶聯過程相互協作，在細菌應激基因表達、外源基因沉默、毒力因子調控、維持基因組穩定性等過程起著重要調控作用。細菌Rho因子依賴型轉錄終止過程主要包括四個步驟：1）Rho解旋酶形成開環狀態（Ring state）六聚體，并通過其初始RNA結合位點（Primary binding site，PBS）識別信使RNA上的特殊序列（Rho utilization site，rut site）并與信使RNA結合；2）開環狀態Rho六聚體通過其中心位置第二個RNA結合位點（Secondary binding site，SBS）與富含嘧啶RNA序列結合；3）開環狀態六聚體閉合形成閉環六聚體（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；4）Rho解旋酶六聚體接近延伸狀態RNA聚合酶，并通過NusG轉錄因子介導與RNA聚合酶結合，通過水解ATP提供機械力解離信使RNA與RNA聚合酶，最終完成RNA聚合酶的轉錄終止過程。王程遠研究組在此前的研究過程中成功解析了轉錄因子NusG介導細菌轉錄翻譯偶聯（Science?2020）以及Rho因子依賴型轉錄終止（Nature?2023）的分子機制，闡明了其相互協作調控基因表達的工作模型。然而，細菌中Rho因子依賴型轉錄終止過程是否還受到其它因子的調控仍未明確。
Rof（又稱為Rho off）是一類在細菌中高度保守的調控蛋白，在此前的研究中被報道具有抑制Rho因子依賴型轉錄終止的功能，然而其抑制作用的具體分子機制并不明確。本研究通過體外結合實驗，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抗轉錄終止復合體結構（分辨率為2.8?）。結構顯示Rof能特異性地與Rho因子初始RNA結合位點結合，競爭性抑制Rho因子識別并結合信使RNA中的rut序列，進而抑制Rho因子六聚體由開環狀態向閉環狀態轉變，最終導致Rho因子無法完成轉錄終止過程。
研究發現，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。通過體外轉錄實驗證明，腸桿菌目沙門氏菌中的Rof蛋白與大腸桿菌Rof具有相似的功能機制，可有效抑制沙門氏菌Rho因子依賴型轉錄終止。沙門氏菌作為重要的食源性致病菌，能夠表達多種毒力因子，主動侵入真核宿主細胞內寄生繁殖。通過分析沙門氏菌毒力基因表達和細胞侵染效率，本研究揭示了沙門氏菌Rof因子通過抑制Rho因子依賴型轉錄終止，調控了多個毒力因子相關基因（hilA，prgH和sopB）的轉錄活性，最終促進了沙門氏菌III型分泌系統的表達組裝和入侵宿主細胞的能力。該研究為進一步解析致病菌毒力因子調控提供了重要研究基礎。
圖：Rof蛋白抑制Rho因子依賴型轉錄終止，調控沙門氏菌毒力因子表達的模式圖
中國科學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、軍事科學院軍事醫學研究院副研究員周維、復旦大學博士生張翔為論文共同第一作者。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科技重大專項等項目支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47438-7
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