Molecular Cell | 韩忠等揭示DNA序列引导RNA聚合酶II转录终止

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在真核生物中，蛋白质基因的转录主要由RNA聚合酶II （RNA polymerase II，RNAPII） 执行。转录过程涵盖了从启动子 （promoter） 开始的转录起始，到终止子 （terminator） 处的转录终止，这一过程定义了基因的范围。

RNAPII的转录终止过程可以分为两个主要阶段。首先是信使RNA （messenger RNA，mRNA） 转录本的终止，这是通过在特定RNA序列位置进行剪切并添加一个多聚腺苷酸尾巴 （polyA tail） 来完成的。然而，值得注意的是，这个转录本的3'末端并不是RNAPII的实际终止点。相反，RNAPII会继续沿着DNA模板向基因下游继续转录，最终在终止区域结束转录。如果RNAPII不能有效地在终止区域终止转录，就可能出现终止缺陷，这将导致RNAPII继续转录至下游基因序列，从而导致下游基因的转录失控，这种现象被称为转录干扰。

由于RNAPII、DNA模板和RNA转录本组成的转录复合物具有非常高的稳定性，因此要将其解体以终止转录是一项困难的任务。已有文献提出了两种机制来解释这一过程。第一种是“鱼雷”模型，它认为在polyA位点剪切导致的新的未保护的5' RNA末端提供了外切酶Rat1 （在人类中为XRN2） 的入口，Rat1将新生RNA降解，追赶聚合酶并导致转录复合物解离。第二种是“构象变化”模型，它提出通过polyA位点后，RNAPII发生构象变化，从而以某种方式促进终止。然而，由于缺乏有效的体外转录终止系统，上述模型主要基于细胞内观察，而有关天然终止子序列在体外如何影响RNAPII的转录终止的研究尚未深入探讨。

近日，来自丹麦哥本哈根大学的Jesper Svejstrup研究团队 （第一作者为韩忠） 在Molecular Cell杂志发表题为DNA-directed termination of RNA Polymerase II transcription的研究论文。该研究使用了体外RNAPII转录系统，探讨了天然终止子序列对转录复合物解离的影响。当RNAPII在终止子序列上转录时，它可以在没有外源辅助因子的情况下，在特定序列上发生转录终止，这一过程类似原核生物中的内在终止 （intrinsic termination） 。研究者将这一现象称为RNAPII的自发终止 （spontaneous termination） 。研究者进一步确定了影响自发终止发生的序列，即非模板链上的多聚胸腺嘧啶（T-tract） 。通过突变实验，研究者发现T-tract序列以及其上下游序列会影响自发终止的发生。

为了深入探讨自发终止的机制，研究者进行了单分子实验，观察了RNAPII在转录终止序列上的行为。结果显示，当RNAPII经过T-tract序列时，转录复合物会出现持续的停滞，与通常情况下的聚合酶回溯 （backtracking） 不同，RNAPII并没有回退。这种长时间的停滞导致了RNA与DNA模板链之间的结合变弱，从而导致转录复合物不稳定，最终引发了转录终止。

此前提出的“鱼雷”模型中，Rat1通过降解新生RNA来分离转录复合物。然而，在体外研究中，Rat1转录终止的效率非常低。因此，研究者推测Rat1的转录终止功能可能受到T-tract序列的影响。实验结果支持了这一假设，当研究者将Rat1与自发终止序列结合时，转录终止的效率显著提高。

通过细胞内转录本3'端测序，研究者证明了在自发终止序列T-tract处会富集转录本3'端。进一步利用细胞核蛋白锚定去除 （anchor away） 技术，研究者快速去除了细胞核中的Rat1或Ysh1 （polyA位点剪切酶） ，并通过3'端测序发现，去除Rat1或Ysh1后，转录本3'端在polyA位点的信号减弱，而在polyA下游T-tract处的信号增加，证实了DNA引导的RNAPII转录终止。

综上所述，该研究的发现揭示了终止子DNA序列如何引导RNAPII的自发终止，这一发现对于我们理解真核生物基因转录终止的过程产生了重要的影响，并有可能重新定义了相关教材中的知识。

RNAPII转录终止的模型

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.08.007