转录的多种终止机制

1、转录的多种终止机制展开全文转录进行到一定程度，会停止下来，复合物解体，新生RNA 释放出来，称为转录的终止（termination ） 。终止通常需要一个标志，即终止子（ terminator） ， DNA 模板上作为转录终止信号的顺式作用元件（cis-acting element） 。元件（element）指DNA上有特定功能的一段序列。相对来说，与之作用的蛋白质被称为“因子 ”（ factor） 。顺式（cis）与反式 （ trans） 来自拉丁文前缀，是 “在同一侧”和 “在另一侧”的意思。这两个词在顺反异构中比较好理解，在分子生物中的用法与早期研究有关。在早期的分子遗传学研究中，经常要

2、判断对某基因的调控作用是来自DNA 分子本身，还是来自另一个分子。前者称为顺式作用，比如增强子对启动子的作用；后者称为反式作用，比如某个蛋白因子对启动子的作用。在顺反子的定义中也是同样的含义。原核生物有两类终止子：依赖P因子的终止子和不依赖P因子的终止子。p因子(Rho)是一种高度保守的终止因子，存 在于几乎所有的原核生物。除了终止转录以外，Rho 还有抑制反义转录，影响tRNA 和小调节RNA 的合成，沉默外源DNA 等多种功能。两类终止子都有一段回文结构。简单终止子有两个对称的富含GC的片段，下游还有一段富含 A的序列。而依赖p因子的终止子不需要GC 序列和寡聚A 序列。简单终止子转录出R

3、NA 后，两段富含GC 的片段会形成茎环结构， 破坏了 RNA 和模板 DNA 的杂合双链结构。此时下游恰好是结合力较弱的AU 对，进一步造成了转录延伸复合物的不稳定，导致聚合酶解离和转录终止。转 录 的 内 部 终 止 模 型 。 Biomolecules. 2015 Jun; 5(2): 1063 T078.这种终止也称为内部终止(intrinsic termination )。大肠杆菌中的大多数基因采用内部终止，Rho 依赖的终止大约占 20-30%。大肠杆菌的Rho 因子是环状六聚体，每个亚基47KD 。亚基N 端为 RNA 结合域， 共同构成初始结合位点( primary bindi

4、ngsite， PBS) 。亚基的C 端具有 ATP 酶活性，可通过水解ATP推动构象变化。Rho 因子首先通过PBS 识别并结合RNA 的特定序列(称为Rho utilization site ， rut 位点) ，然后打开六聚体环，将RNA纳入环中。RNA与另一侧的第二结合位点(SBS)结合后， 环再闭合，并激活ATP 酶活性，消耗ATP 向 3方向移动，称为易位(translocation) 。Rho 依 赖 的 转 录 终 止 过 程 。 Trends Biochem Sci. 2016 Aug;41(8):690-699. 易位的结果是Rho 逐渐接近新生RNA 的3 -末端，从而与

5、RNAP 相互作用，触发转录终止。终止的具体机制尚不清楚，有不同假设，如杂合双链的剪切、RNAP的变构等。Rho 依赖的转录终止过程具有更丰富的调控方式，包括Rho因子的数量及活性调控、核糖体及蛋白因子对终止过程的影响等。例如，当rut 位点被核糖体或蛋白因子占据，或形成二级结构时，就无法起到终止作用，从而导致下游序列被转录出来，即转录通读(transcriptional readthrough ) 。Rho 依赖的转录终止与基因表达调控。Trends Biochem Sci.2016 Aug; 41(8):690-699. 在一些细菌mRNA 的5 -前导区(leader region)内有

6、 Rho依赖的终止子，通过控制 rut位点或 RNAP 暂停等方式决定下游的基因主体是否可以被转录出来。真核生物的RNAP 有 3 种，其终止方式也有所不同。Pol I的终止需要转录终止因子TTF-1 与 rRNA 基因下游的终止子结合，导致聚合酶暂停。然后由PTRF（ Pol I 和转录物释放因子）介导转录复合物的解离。RNAP I 的 终 止 机 制 。 Genes Dev. 2009 Jun 1; 23（11）: 1247 T269.Pol III转录的基因都比较小，所以终止子相对简 单。 其模板链中有一段oligo（ dA） （多聚A） ， 转录出多聚U后二者的结合较弱，使复合物不稳定

7、。比较特殊的是，其非模板链的oligo（ dT） 也会参与终止过程，可以促进聚合酶暂停和转录本释放等。Pol II 的终止研究最多，它主要用加尾信号作为转录终止信号。当 mRNA 中转录出聚腺苷酸化信号5 -AAUAAA- 3后，会募集一系列蛋白因子，切割mRNA 并添加 poly A 尾，然后才释放RNAP ，转录终止。此过程中RNAP 仍可继续合成大约 500-2000 个核苷酸。RNAP II 释放的具体机制目前主要有两个模型：鱼雷模型（torpedo model）和变构模型（allosteric model）。前者认为， mRNA 被切割后，5 -3核酸外切酶（ Rat1/Xrn2）

8、会降解转录复合物中剩余的RNA 链， 逐步接近RNAP II 。 击中后就会触发复合物解体，导致转录终止。变构模型认为，延伸复合物（EC）通过poly A位点（PAS）会引起延伸因子的解离或终止因子的结合，导致复合物构象变化造成转录终止。两个模型并非完全互斥，也有一些模型将二者结合起来。还有模型认为终止需要PAS,但并不一定需要 mRNA 的切割(Mol Cell. 2015 Aug 6;59(3):437-48. ) 。一种不需要mRNA 切割的 RNAP II 终止模型。Mol Cell. 2015Aug 6;59(3):437-48. 上述 RNAP II 的终止方式称为poly A 依赖的终止，是其主要的终止机制。此外也发现了另一种终止机制，称为NNS( Nrd1-Nab3-Sen1 )依赖的终止。其中Sen1起着类似原核Rho 因子的作用。NNS 依赖的终止。Wiley Interdisci