Abstract Efficient and accurate termination is required for gene transcription in all living organisms. Cellular RNA polymerases (RNAP) in both bacteria and eukaryotes can terminate their transcription through a factor-independent termination pathway (called intrinsic termination transcription in bacteria), in which RNAP recognizes terminator sequences, stops nucleotide addition, and releases nascent RNA spontaneously. Here we report a set of single-particle cryo-EM structures of E. coli transcription intrinsic termination complexes representing key intermediate states of the event. The structures show how RNAP pauses at terminator sequences, how the terminator RNA hairpin folds inside RNAP, and how RNAP rewinds the transcription bubble to release RNA and then DNA. These macromolecular snapshots define a structural mechanism for bacterial intrinsic termination and a pathway for RNA release and DNA collapse relevant for factor-independent termination by all RNA polymerases.

Abstract Transcription factors respond to multi-level stimuli and co-occupy promoter regions of target genes to activate RNA polymerase (RNAP) in a cooperative manner. To decipher the molecular mechanism, here we report two cryo-electron microscopy structures of Anabaena transcription activation complexes (TACs): NtcA-TAC composed of RNAP holoenzyme, promoter and a global activator NtcA, and NtcA-NtcB-TAC comprising an extra context-specific regulator NtcB. Structural analysis showed that NtcA binding makes the promoter DNA bend by ∼50º, which facilitates RNAP to contact NtcB at the distal upstream NtcB box. The sequential binding of NtcA and NtcB induces looping back of promoter DNA towards RNAP, enabling the assembly of a fully activated TAC bound with two activators. Together with biochemical assays, we propose a ‘DNA looping’ mechanism of cooperative transcription activation in bacteria.

σS is a master transcription initiation factor that protects bacterial cells from various harmful environmental stresses and antibiotic pressure. Although its mechanism remains unclear, it is known that full activation of σS-mediated transcription requires a σS-specific activator, Crl. In this study, we determined a 3.80 Å cryo-EM structure of an E. coli transcription activation complex (E. coli Crl-TAC) comprising E. coli σS-RNAP holoenzyme, Crl, and a nucleic-acid scaffold. The structure reveals that Crl interacts with the domain 2 of σS (σS2), sharing no interaction with promoter DNA. Subsequent hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) results indicate that Crl stabilizes key structural motifs of σS2 to promote the assembly of σS-RNAP holoenzyme and also to facilitate formation of the RNA polymerase-promoter DNA open complex (RPo). Our study demonstrates a unique DNA contact-independent mechanism of transcription activation, thereby defining a previously unrecognized mode of transcription activation in cells.

SUMMARY Multi-subunit RNA polymerases (RNAPs) associate with initiation factors (σ in bacteria) to start transcription. The σ factors are responsible for recognizing and unwinding promoter DNA in all bacterial RNAPs. Here, we report two cryo-EM structures of cyanobacterial transcription initiation complexes at near-atomic resolutions. The structures show that cyanobacterial RNAP forms an ‘SI3-σ’ arch interaction between domain 2 of σA (σ 2 ) and the sequence insertion 3 (SI3) in the mobile catalytic domain Trigger Loop (TL). The ‘SI3-σ’ arch facilitates transcription initiation from promoters of different classes through sealing the main cleft and thereby stabilizing RNAP-promoter DNA open complex. Disruption of the ‘SI3-σ’ arch disturbs cyanobacteria growth and stress response. Our study reports the structure of cyanobacterial RNAP and unique mechanism for its transcription initiation. Our data suggest functional plasticity of SI3 and provide foundation for further research into cyanobacteria and chloroplasts transcription.

Obesity is a significant part of the factors affecting lung function, and the assessment of obesity using the Metabolic Score for Visceral Fat (METS-VF) is more precise than other indicators like waist circumference and body mass index. This study investigated the relationship between lung function and METS-VF in The National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES) database from 2007 to 2012.