麻锦彪/甘建华课题组合作解析two-barrel家族中RNA聚合酶QDE-1双重活性分子机制

2022年8月30日，国际期刊《Nucleic Acids Research》在线发布了本院麻锦彪教授、甘建华研究员课题组合作的研究成果，标题为“Structural insights into the dual activities of the two-barrel RNA polymerase QDE-1”。

在植物、真菌和线虫中，都有一类细胞内来源的RNA依赖的RNA聚合酶（RdRP），能够将单链RNA转变成双链小干扰RNA前体。粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）的QDE-1是two-barrel超级族聚合酶的成员之一，也是第一个被分离并鉴定参与RNAi的RdRP蛋白，它具有DNA和RNA模板依赖的RNA合成的（DdRP和RdRP）双重活性，对RNAi过程中的小干扰RNA前体的产生至关重要。除QDE-1外，这类two-barrels家族蛋白还包括多亚基DdRP蛋白pol II，单亚基Cellulophage baltica crAss-like phage 14:2的DdRP蛋白gp66，古菌DNA复制酶PolD。在这些酶中，拟南芥RDR6具有DdRP活性，而Saccharomyces cerevisiae的pol II有RdRP活性，表明two-barrel聚合酶超级族能够以DNA或RNA为模板的内在特性。但目前缺少高分辨的蛋白-底物复核物结构，尤其是参与RNAi的RdRP蛋白尚无任何复合物结构报道，two-barrels聚合酶超家族蛋白与DNA/RNA模板的结合及产生RNA的分子机制的研究仍很不明确。

在本研究中，共解析了五种QDE-1与不同底物在不同反应状态的复合物结构：DNA/RNA为模板的延伸复合物（EC），从头合成起始复合物（IC），初始NTP加载以及包含两个起始NTP的结构。模板链（DNA或RNA）通过bridge-helix (BH)和double-psi beta-barrels 2（DPBB2）排列到蛋白活性口袋内。RNA产物则被DPBB1和Slab结构域稳定。DNA模板在-7位与RNA产物分离，但RNA模板仍保持匹配。NTP类似物在活性中心处被一个刚性的trigger loop (TL)和一个脯氨Pro-Gate loop精准定位到NTP addition site，并参与了金属离子的配位（图1）。此外，在本研究中还发现QDE-1二聚体中一个单体的 C末端尾巴插入到互作分子的的底物结合口袋，在RNA合成过程中起到调节作用（图2）。总之，这项工作详细阐明了QDE-1以及其它two-barrel超级族聚合酶的DNA/RNA依赖的双重活性的保守机制。

图1. QDE-1通过DdRP/RdRP双重活性生成RNA的分子机制

图2. QDE-1的C末端尾巴在不同反应状态的动态构象变化

复旦大学麻锦彪课题组崔瑞雪博士为论文第一作者，硕士研究生李皓、赵进和本科生李旭航也参与了本课题的研究。麻锦彪教授、甘建华研究院为共同通讯作者。上海同步辐射光源提供了X-射线衍射设施。研究获得了国家自然科学基金（31971130）和重点研发项目（2018YFC1003801）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkac727