特别推荐Science丨基因转录“始”“终”绑定——mRNA的起始和终止在空间上存在协同调控关系

撰文丨章台柳

mRNA 的加工过程受到不同的分子机制调控，并因不同的全局调控而产生组织或环境特异性转录组。因此，长期以来， mRNA 内部的外显子使用一直被当作独立事件来研究，而这些事件独立地对全长异构体的组成产生影响。然而，越来越多的证据表明， RNA 的加工机制间存在协同调控。参与转录、 mRNA 剪接以及切割和多聚腺苷酸化（CPA）的因子，在 RNA 加工的其他步骤中可能具有不同的次要作用【1】。 这些研究大多聚焦于剪接与转录起始或 CPA 之间的关联，而对于转录起始与 CPA 之间的直接关联， 则研究 得较少。

超过 70% 的哺乳动物基因在不同细胞环境中会表达选择性转录起始位点（TSSs）或多聚腺苷酸化位点（PASs），每个基因平均有 4 到 5 个注释的 TSSs 和 / 或 PASs 。选择性 mRNA 末端使用是细胞、组织类型和细胞环境之间 不同 异构体的基础。选择性 TSSs 和 PASs 分别影响编码序列以及 5' 和 3' - UTRs 的组成和长度，进而对 RNA 稳定性、定位和翻译效率产生影响。了解这些决定在基因上是否以及如何协同作用，将有助于阐明全长异构体、其编码的蛋白质的调控，以及对蛋白质表达的影响。

基因的 5' 和 3' 末端之间存在许多共同的调控特征。例如，启动子近端转录延伸所需的 RNA 聚合酶 II （ RNAPII ）磷酸化事件，对于基因末端的有效延伸也是必需的。基于基因内 TSS 和 PAS 的位置， RNAPII 延伸速率会影响选择性 TSS 和 PAS 的使用【2】。基因 终止位点 的决定可能在空间上也有关联。近期对染色质构象的高分辨率测量发现，动态环锚定在TSS处并延伸穿过基因主体，这表明二维和三维结构可能对mRNA合成很重要。这些发现都暗示了转录起始和 CPA 之间存在时空关联。

2025 年 10 月 9 日 ， 来自 马萨诸塞大学医学院 的 Athma A. Pai 和 波士顿大学 的 Ana Fiszbein 团队 在 Science 杂 志上发表文章 mRNA initiation and termination are spatially coordinated ，通过系统分析转录起始和终止位点的联合使用情况，发现使用上游起始位点的mRNA会优先使用上游终止位点，而下游位点的使用也存在类似的关联。同时揭示了一个位置起始-终止轴（PItA），在这个轴中，选择性 终止 位点的使用会根据它们的基因组顺序而相互关联。 PItA 在具有独特染色质特征的较长基因中更为常见。 mRNA 的 5 ′ 起始选择会直接影响 3 ′ 末端 ，这依赖于 RNA 聚合酶 II 的移动速度 。研究结果表明，空间组织和转录动态变化将转录起始与mRNA 3′末端的选择关联起来，从而决定mRNA异构体的表达。

mRNA 末端（ 5' 和 3' ）的选择是一个受到高度调控的过程，通常涉及在多个选择性位点和外显子之间进行选择 。 研究 人员 首先利用之前开发的 HIT 指数，从 RNA - seq 数据中来识别和量化全基因组范围内选择行末端外显子相对使用情况。对 GTEx 项目中来自 5 4 个人类组织的 1 7350 个 RNA - seq 样本进行选择性第一外显子和最后外显子的识别，分析显示：每个基因的第一外显子和最后外显子数量的分布是相似的，即具有一个、两个、三个等第一外显子的基因数量分别与仅具有一个、两个、三个等最后外显子的基因数量密切匹配。具有选择性第一外显子（AFEs）的基因比预期更有可能也使用选择性最后外显子（ALEs） 。这使研究人员推测， 基因可能利用相似数量的第一外显子和最后外显子来共同调控末端的使用。在具有多个AFEs和ALEs的基因中，基因内第一外显子和最后外显子的表达之间存在很强的相关性，例如，表达两个 AFEs 的基因更有可能使用两个 ALEs ，使用三个 AFEs 的基因通常使用三个 ALEs ，依此类推 。进一步分析显示，具有相似顺序位置的末端外显子的使用在不同基因之间是相关的。即最上游 AFE （ AFE 1 ）使用的增加与最上游 ALE （ ALE 1 ）的使用呈正相关， AFE 2 的使用与 ALE 2 的使用呈正相关，以此类推。同时， AFE 1 的使用与 ALE 2 的使用呈负相关。 这表明不仅末端外显子的数量相互关联，它们的使用也相互耦合。这些发现表明，基因结构在决定末端外显子之间的耦合以及进而调控基因中异构体多样性方面起着关键作用。

观察到的末端外显子使用的相关性可能使因为：末端位点可能直接耦合，即具有相似顺序位置的外显子在同一 mRNA 分子上同时出现；耦合可能是间接的，即具有相似顺序位置的外显子在不同转录本中独立受青睐，从而导致短读长 RNA - seq 数据中出现明显的相关性。为了区分这些可能性，研究人员对长度长异构体测序（ Iso-seq ）数据进行分析，发现基于其顺序位置的末端外显子是直接耦合的，即存在一种位置起始-终止轴（PItA），它是转录起始和CPA决定耦合的基础。 PItA 耦合是一种普遍现象，其中转录本起始和终止的协调即使在每个组织仅表达一种异构体或在细胞类型内组成型表达时，也可能受到基因结构的影响。 PItA 耦合可能通过协调末端或异构体的外显子使用来帮助塑造 mRNA 功能或蛋白质组多样性。

为了直接验证顺序 TSS 和选择性 PAS 的使用之间存在因果关系，使用 dCas 9- CRISPR 对 8 个 AFEs 实现了特异性激活或抑制，其中 6 个扰动以与 PltA 耦合一致的 方式改变了下游 ALE 的表达。例如，激活 ZNF 638 的 AFE 1 导致 ALE 1 的表达增加，同时 AFE 2 和 ALE 2 的表达降低；抑制 SWI 5 的 AFE 2 降低 ALE 2 的表达，而没有显著改变 AFE 1 或 ALE 1 的表达。 这些结果提供了直接证据，表明 AFE 的选择可以调控 ALE 的表达，支持末端外显子使用以顺序和功能耦合的方式协调的模型。 但扰动 PAS 元件的使用并没有引起与 PltA 耦合一致的 AFE 变化。 PItA 代表了一种单向调控机制，即选择性 TSS 会影响顺序配对的选择性 PAS 使用，但 PAS 使用不会驱动 PItA 耦合。

对 PItA 耦合 的特征进行分析， PItA 耦合更可能发生在较长的基因中，这里的基因长度定义为最上游高表达 TSS 和最下游高表达 PAS 之间的总基因组长度 。 一个基因可以被分解为许多区域，所有区域都独立地对基因的总长度做出贡献。为了了解基因长度如何影响 PItA 耦合，计算了参与转录调控的区域长度（ TSS 之间的间隔）、剪接调控的区域长度（最下游 TSS 和最上游 PAS 之间的间隔）以及切割和多聚腺苷酸化调控的区域长度（ PAS 之间的间隔）。 结果 发现， TSS 和 PAS 间隔都与 PItA 密切相关，选择性 TSS 和选择性 PAS 之间的间隔越长， PItA 耦合越强。 对人和小鼠的 PItA 耦合 进行分析，发现仅在人类细胞中显示PItA耦合的基因，在人类基因组中的平均长度显著长于在小鼠基因组中的长度；相应地，小鼠特异性的PItA基因在小鼠基因组中的长度显著更长。在两个物种中均未显示 PItA 耦合的基因，其基因长度没有差异。 即 PItA 耦合的强度与更长的基因组距离直接相关。 同时 RNAPII 延伸速率对于长 PItA 基因中 TSS - PAS 相互作用的耦合至关重要。 基因上的 RNAPII 延伸速率可能取决于 RNAPII 开始延伸的位置。 即 下游 TSS 和上游 PAS 与更快的 RNAPII 延伸速率相关，尤其是在 PItA 基因中。 PItA 耦合依赖于持续的 RNAPII 移动以及较长基因中逐渐增强的选择性 PAS 序列的共同作用。具体来说，从上游TSS起始的较慢的RNAPII分子更有可能使用较弱的上游PAS，而从下游TSS起始的较快的RNAPII分子能够到达更强的下游PAS。

总的来说，研究发现mRNA起始和终止位点的选择是直接耦合的，这种耦合基于位点在基因组中出现的顺序。同时揭示了位置起始-终止轴（PItA），即mRNA的5′端选择直接影响mRNA的3′端选择，并总结了PItA与基因长度、RNAPII延伸速度之间的关联。

https://doi.org/10.1126/science.ado8279

制版人： 十一

参考文献

1. D. Kaida et al. , U1 snRNP protects pre-mRNAs from premature cleavage and polyadenylation.Nature468, 664–668 (2010).

2. C. D. Kaplan, H. Jin, I. L. Zhang, A. Belyanin, Dissection of Pol II trigger loop function and Pol II activity-dependent control of start site selection in vivo.PLOS Genet.8, e1002627 (2012).

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