轉(zhuǎn)錄的多種終止機(jī)制

1、轉(zhuǎn)錄的多種終止機(jī)制展開全文轉(zhuǎn)錄進(jìn)行到一定程度，會(huì)停止下來，復(fù)合物解體，新生RNA 釋放出來，稱為轉(zhuǎn)錄的終止（termination ） 。終止通常需要一個(gè)標(biāo)志，即終止子（ terminator） ， DNA 模板上作為轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的順式作用元件（cis-acting element） 。元件（element）指DNA上有特定功能的一段序列。相對(duì)來說，與之作用的蛋白質(zhì)被稱為“因子 ”（ factor） 。順式（cis）與反式 （ trans） 來自拉丁文前綴，是 “在同一側(cè)”和 “在另一側(cè)”的意思。這兩個(gè)詞在順反異構(gòu)中比較好理解，在分子生物中的用法與早期研究有關(guān)。在早期的分子遺傳學(xué)研究中，經(jīng)常要

2、判斷對(duì)某基因的調(diào)控作用是來自DNA 分子本身，還是來自另一個(gè)分子。前者稱為順式作用，比如增強(qiáng)子對(duì)啟動(dòng)子的作用；后者稱為反式作用，比如某個(gè)蛋白因子對(duì)啟動(dòng)子的作用。在順反子的定義中也是同樣的含義。原核生物有兩類終止子：依賴P因子的終止子和不依賴P因子的終止子。p因子(Rho)是一種高度保守的終止因子，存 在于幾乎所有的原核生物。除了終止轉(zhuǎn)錄以外，Rho 還有抑制反義轉(zhuǎn)錄，影響tRNA 和小調(diào)節(jié)RNA 的合成，沉默外源DNA 等多種功能。兩類終止子都有一段回文結(jié)構(gòu)。簡單終止子有兩個(gè)對(duì)稱的富含GC的片段，下游還有一段富含 A的序列。而依賴p因子的終止子不需要GC 序列和寡聚A 序列。簡單終止子轉(zhuǎn)錄出R

3、NA 后，兩段富含GC 的片段會(huì)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)， 破壞了 RNA 和模板 DNA 的雜合雙鏈結(jié)構(gòu)。此時(shí)下游恰好是結(jié)合力較弱的AU 對(duì)，進(jìn)一步造成了轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物的不穩(wěn)定，導(dǎo)致聚合酶解離和轉(zhuǎn)錄終止。轉(zhuǎn) 錄 的 內(nèi) 部 終 止 模 型 。 Biomolecules. 2015 Jun; 5(2): 1063 T078.這種終止也稱為內(nèi)部終止(intrinsic termination )。大腸桿菌中的大多數(shù)基因采用內(nèi)部終止，Rho 依賴的終止大約占 20-30%。大腸桿菌的Rho 因子是環(huán)狀六聚體，每個(gè)亞基47KD 。亞基N 端為 RNA 結(jié)合域， 共同構(gòu)成初始結(jié)合位點(diǎn)( primary bindi

4、ngsite， PBS) 。亞基的C 端具有 ATP 酶活性，可通過水解ATP推動(dòng)構(gòu)象變化。Rho 因子首先通過PBS 識(shí)別并結(jié)合RNA 的特定序列(稱為Rho utilization site ， rut 位點(diǎn)) ，然后打開六聚體環(huán)，將RNA納入環(huán)中。RNA與另一側(cè)的第二結(jié)合位點(diǎn)(SBS)結(jié)合后， 環(huán)再閉合，并激活A(yù)TP 酶活性，消耗ATP 向 3方向移動(dòng)，稱為易位(translocation) 。Rho 依 賴 的 轉(zhuǎn) 錄 終 止 過 程 。 Trends Biochem Sci. 2016 Aug;41(8):690-699. 易位的結(jié)果是Rho 逐漸接近新生RNA 的3 -末端，從而與

5、RNAP 相互作用，觸發(fā)轉(zhuǎn)錄終止。終止的具體機(jī)制尚不清楚，有不同假設(shè)，如雜合雙鏈的剪切、RNAP的變構(gòu)等。Rho 依賴的轉(zhuǎn)錄終止過程具有更豐富的調(diào)控方式，包括Rho因子的數(shù)量及活性調(diào)控、核糖體及蛋白因子對(duì)終止過程的影響等。例如，當(dāng)rut 位點(diǎn)被核糖體或蛋白因子占據(jù)，或形成二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，就無法起到終止作用，從而導(dǎo)致下游序列被轉(zhuǎn)錄出來，即轉(zhuǎn)錄通讀(transcriptional readthrough ) 。Rho 依賴的轉(zhuǎn)錄終止與基因表達(dá)調(diào)控。Trends Biochem Sci.2016 Aug; 41(8):690-699. 在一些細(xì)菌mRNA 的5 -前導(dǎo)區(qū)(leader region)內(nèi)有

6、 Rho依賴的終止子，通過控制 rut位點(diǎn)或 RNAP 暫停等方式?jīng)Q定下游的基因主體是否可以被轉(zhuǎn)錄出來。真核生物的RNAP 有 3 種，其終止方式也有所不同。Pol I的終止需要轉(zhuǎn)錄終止因子TTF-1 與 rRNA 基因下游的終止子結(jié)合，導(dǎo)致聚合酶暫停。然后由PTRF（ Pol I 和轉(zhuǎn)錄物釋放因子）介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的解離。RNAP I 的 終 止 機(jī) 制 。 Genes Dev. 2009 Jun 1; 23（11）: 1247 T269.Pol III轉(zhuǎn)錄的基因都比較小，所以終止子相對(duì)簡 單。 其模板鏈中有一段oligo（ dA） （多聚A） ， 轉(zhuǎn)錄出多聚U后二者的結(jié)合較弱，使復(fù)合物不穩(wěn)定

7、。比較特殊的是，其非模板鏈的oligo（ dT） 也會(huì)參與終止過程，可以促進(jìn)聚合酶暫停和轉(zhuǎn)錄本釋放等。Pol II 的終止研究最多，它主要用加尾信號(hào)作為轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)。當(dāng) mRNA 中轉(zhuǎn)錄出聚腺苷酸化信號(hào)5 -AAUAAA- 3后，會(huì)募集一系列蛋白因子，切割mRNA 并添加 poly A 尾，然后才釋放RNAP ，轉(zhuǎn)錄終止。此過程中RNAP 仍可繼續(xù)合成大約 500-2000 個(gè)核苷酸。RNAP II 釋放的具體機(jī)制目前主要有兩個(gè)模型：魚雷模型（torpedo model）和變構(gòu)模型（allosteric model）。前者認(rèn)為， mRNA 被切割后，5 -3核酸外切酶（ Rat1/Xrn2）

8、會(huì)降解轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中剩余的RNA 鏈， 逐步接近RNAP II 。 擊中后就會(huì)觸發(fā)復(fù)合物解體，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄終止。變構(gòu)模型認(rèn)為，延伸復(fù)合物（EC）通過poly A位點(diǎn)（PAS）會(huì)引起延伸因子的解離或終止因子的結(jié)合，導(dǎo)致復(fù)合物構(gòu)象變化造成轉(zhuǎn)錄終止。兩個(gè)模型并非完全互斥，也有一些模型將二者結(jié)合起來。還有模型認(rèn)為終止需要PAS,但并不一定需要 mRNA 的切割(Mol Cell. 2015 Aug 6;59(3):437-48. ) 。一種不需要mRNA 切割的 RNAP II 終止模型。Mol Cell. 2015Aug 6;59(3):437-48. 上述 RNAP II 的終止方式稱為poly A 依賴的終止，是其主要的終止機(jī)制。此外也發(fā)現(xiàn)了另一種終止機(jī)制，稱為NNS( Nrd1-Nab3-Sen1 )依賴的終止。其中Sen1起著類似原核Rho 因子的作用。NNS 依賴的終止。Wiley Interdisci