NAR：华中师范大学闵金荣/刘珂团队揭示NRF1特异性DNA序列识别的分子机制

核呼吸因子1 ( nuclear respiratory factor 1，NRF1 )调节对线粒体生物合成、呼吸和其他各种细胞过程至关重要的基因的表达。虽然NRF1已被报道作为同源二聚体与富含GC的启动子特异性结合，但其识别靶基因启动子的精确分子机制仍然难以捉摸。

2023年12月6日，华中师范大学闵金荣及刘珂共同通讯在Nucleic Acids Research 上在线发表题为“Molecular mechanism of specific DNA sequence recognition by NRF1”的研究论文，为了揭示识别机制，该研究测定了与ATGCGCATGCGCAT ds DNA结合的NRF1同源二聚体的晶体结构。在这个复合物中，NRF1利用一个灵活的连接子连接其二聚化结构域( DD )和DNA结合结构域( DBD )。

该构型允许一个NRF1单体采用U-turn构象，便于同源二聚体从相反方向与GCGCATGCGC共有序列中的两个TGCGC基序特异性结合。值得注意的是，虽然单独的NRF1 DBD也可以与一致序列的半位点( TGCGC ) DNA结合，但DD和DBD之间的协同作用对于完整的GCGCATGCGC序列的结合和NRF1的转录活性是必不可少的。综上所述，该研究结果阐明了NRF1识别启动子中特定DNA序列调控基因表达的分子机制。

线粒体作为重要的细胞器，在细胞能量供应方面起着至关重要的作用。它们的功能和生物合成不仅依赖于线粒体基因组编码的蛋白质，还依赖于许多核基因编码的蛋白质。这些核基因产物对于线粒体中的各种关键过程是必不可少的，例如线粒体DNA ( mtDNA )的转录、翻译和复制，线粒体呼吸和其他蛋白质进入线粒体的输入。在这些核基因产物中，核呼吸因子1 ( nuclear respiratory factor 1，NRF1 )和核呼吸因子2 ( nuclear respiratory factor 2，NRF2 )对维持线粒体的整体功能和生物合成至关重要。它们与线粒体呼吸、mt DNA转录和复制、线粒体蛋白输入等基因的表达直接相关。因此，NRF1和NRF2保证了线粒体中有效的能量产生和细胞功能。

NRF1最初被鉴定为细胞色素c的转录激活因子，通过与细胞色素c启动子以同源二聚体的形式结合。随后，一个一致序列GCGCNTGCGC ( N代表任何核苷酸)被鉴定为NRF1的DNA结合基序，该基序也在许多其他与线粒体生物合成和呼吸相关的核基因的启动子中被检测到，如还原酶(泛醌结合蛋白)复合物、细胞色素氧化酶装配因子COX17、肌细胞增强因子2A ( MEF2A )和铁氧还蛋白还原酶( FDXR )的启动子。重要的是，NRF1还可以激活几种线粒体转录因子的表达，包括线粒体转录因子A ( TFAM )，线粒体转录因子B1 ( TFB1M )和TFB2M 。这些转录因子是启动mtDNA转录、mtDNA包装和线粒体12S rRNA二甲基化所必需的。NRF1功能缺失导致mtDNA部分缺失和围植入期致死表型。

文章模式图（图源自Nucleic Acids Research ）

NRF1还调控线粒体生物合成以外的细胞过程。例如，NRF1被发现在下丘脑发育过程中招募混合谱系白血病4 ( MLL4 )来激活生长激素释放激素( GHRH ) -神经元基因的表达。NRF1促进质子偶联叶酸转运蛋白( PCFT )的表达，并促进必需的肠道叶酸吸收。NRF1还可以上调线粒体自噬受体FUN14相关蛋白1 ( FUNDC1 )的表达，从而增强线粒体自噬。此外，NRF1与过氧化物酶体增殖激活受体γ辅激活因子1α( PGC1α)一起调节端粒的转录，并提高含端粒重复顺序的RNA ( TERRA )的水平，在维持端粒完整性中起关键作用。据报道，所有这些调控过程都是由NRF1识别其共有的GCGCNTGCGC基序介导的。此外，在其他基因的启动子中也发现了这一一致序列，包括CXC趋化因子受体4 ( CXCR4 )，AMPA受体亚基谷氨酸受体2 ( GluR2 )，人脊髓灰质炎病毒受体CD155和其他启动子。因此，NRF1作用于广泛的靶基因，在整合不同的细胞功能中表现出更广泛的作用。

尽管大量研究表明，NRF1在其靶基因的启动子中与一个保守序列结合，但其识别该保守序列的分子机制尚未阐明。为此，该研究进行了等温滴定量热( ITC )结合实验来分析人NRF1的DNA结合特异性，并测定了其双链DNA ( dsDNA )复合物结构，包括覆盖二聚化和DNA结合串联结构域( DD-DBD )或单独DBD的片段。结构、突变和荧光素酶报告实验结果表明，虽然单独的NRF1 DBD能够识别TGCGC DNA基序，但DD和DBD之间的协同作用对于完整的GCGCATGCGC序列的结合和NRF1的转录活性是必不可少的。总之，该研究阐明了NRF1识别特定DNA序列调控基因表达的分子机制，为进一步研究NRF1的功能奠定了基础。

参考信息：

https://doi.org/10.1093/nar/gkad1162