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 (Pol II)的基本机制有了新的认识，Pol II是一种负责将DNA转录成RNA的蛋白质。他们的研究显示了这种蛋白质是如何将核苷酸添加到正在生长的RNA链上的。该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上，在药物开发方面有潜在的应用。

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(遗传信息用于合成蛋白质的过程)中的作用使其成为细胞中最重要的蛋白质之一。了解RNA聚合酶向RNA中添加核苷酸的确切机制一直是科学界长期面临的挑战。以前的研究只对这一过程提供了部分的、低分辨率的一瞥。

研究Pol II的主要挑战之一是金属，特别是镁，在其活性位点内的瞬态性质。这些金属在驱动核苷酸加成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很难被观察到。

“聚合酶的化学性质涉及到在活性位点短暂存在的金属，这使得它们很难被发现，”合作者、匹兹堡大学的研究员兼教授吉列尔莫·卡莱罗(Guillermo Calero)说。“这是完全理解核苷酸添加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，该技术涉及一种特殊的盐，以促进蛋白质之间的相互作用而闻名。这项技术使研究人员能够捕获聚合酶在一个以前看不见的状态。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，它将核苷酸定位在活性位点上。

SLAC直线加速器相干光源(LCLS) x射线激光器的使用是研究的另一个关键组成部分。它使研究人员能够在样品发生重大辐射损伤之前收集数据，从而提供了聚合酶结构和功能的更清晰图像。

“这是第一次，我们能够看到活性部位的三个镁离子，”合作者和SLAC科学家Aina Cohen说。“这是唯一可能的，因为自由电子激光数据，这使我们能够看到极其辐射敏感的第三种金属离子。”

另一个有趣的发现来自于对Pol II基因突变的研究。这种突变的RNA聚合酶比野生型运行得更快，但也产生更多的错误。

“突变改变了Pol II的结构，”合作者、匹兹堡大学教授克雷格·卡普兰(Craig Kaplan)说。“使用LCLS，我们可以识别这些结构变化，从而揭示突变如何影响Pol II的活性。”

该团队已经在进行时间分辨实验，以捕捉聚合酶触发环与核苷酸相互作用时的实时动态，希望能解开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能够抑制病毒和细菌聚合酶的分子的开发，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。

科恩说:“这些结构不仅促进了我们对人类RNA聚合酶功能的理解，而且还为设计更有选择性、副作用更小的抗病毒药物提供了基础。”

LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。

引用本文:G. Lin et al.， Proceedings of National Academy of Sciences, 2024年8月28日(10.1073/pnas.2318527121)