转录终止及其基因调控你

转录终止及其基因调控生物技术1211徐义英［摘要］转录时基因表达调控的重要环节，转录的基本过程包括模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止，对转录起始和延伸水平已了解甚多，但对转录终止尤其是真核生物的转录终止还知之甚少。已知原核生物转录终止有两种模式：依赖于Rho因子和不依赖于Rho因子，原核生物中还发现基因在转录时提前终止的现象如色氨酸操纵子。近年来真核生物中也提出了两种转录终止模式：依赖poly(A)加工信号和依赖Senl的转录终止。在噬菌体感染实验中还发现了抗终止作用。［关键词］转录终止；抗终止作用；依赖Rho因子的转录终止遗传信息的传递对于生命体起着至关重要的作用，因此这个过程受到严格的调控。遗传信息从DNA传递到RNA是遗传信息传递的第一步，称为转录，分为三个阶段：起始、延伸和终止。转录由RNAP控制催化完成，原核生物中一种RNA聚合酶几乎负责所有的mRNA、rRNA和tRNA的合成，真核生物中mRNA的转录主要由RNAPII催化合成。在转录的三个阶段中，对转录终止的理解最少，但它在转录中也发挥着重要的作用。原核生物的转录终止1969年Roberts发现使转录终止的蛋白质Rho因子，此后将原核生物转录终止分为依赖于非依赖Rho因子两种类型。1.1不依赖于Rho因子的终止此类型中，没有其他任何因子参与，核心酶就能终止基因转录，模板DNA上存在终止转录的特殊信号终止子，又称内在终止子。内在终止子有两个明显的结构特征①终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，有这段DNA转录产生的RNA容易形成发夹结构。②在终止位点前面有一段由4-8个A组成的序列，所以转录产物的3’端为寡U，这样的结构特征决定了转录的终止。在新生的RNA中出现发夹结构会导致RNA聚合酶的功能暂停，破坏DNA-RNA杂合链5’端的正常结构。寡U的存在使杂合链的3’端部分出现不稳定的rU.dA区域，两者共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。不依赖于Rho因子的终止效率与二重对称序列和寡U的长短有关，随着发夹结构（至少6bp）和寡U序列（至少4个U）长度的增加，终止效率逐步提高。1.2依赖于Rho因子的终止有些终止位点的DNA序列缺乏共性，而且不能形成强的发夹结构，因而不能诱导转录的自发终止。Rho因子是一个由6个相同亚基组成的六聚体，具有NTP酶和解旋酶活性，能水解各种核苷酸三磷酸，它通过催化NTP的水解促使新生的RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。Rho因子的作用机制可用“穷追”模型来解释。RNA合成起始后，Rho因子即附着在新生的RNA链5’端的某个可能有序列或二级结构特异性的位点上，利用ATP水解产生的能量，沿着5’-3'方向转录泡靠近，其运动速度可能比RNA聚合酶移动的速度快些；当RNA聚合酶移动到终止子而暂停时，Rho因子到达RNA的3,-0H端追上并取代了暂停在终止位点上的RNA聚合酶，塔索具有的RNA-DNA解螺旋活性使转录产物RNA从模板DNA上释放，随后，转录复合物解体，完成转录过程。1.3原核生物的转录提前终止原核生物中的转录与翻译相偶联，当环境中的Trp浓度很低时，缺乏Trp-tRNA,4区被转录完成时，核糖体还滞留在前导肽区（1区），导致2-3区配对，不能形成3-4区配对的终止子结构，RNA聚合酶继续转录色氨酸合成相关结构基因。反之，核糖体顺利通过前导肽区，在4区被转录时，前导链已完成翻译，1-2,3-4区可以分别配对，而形成终止子结构，转录提前终止。真核生物的转录终止真核生物的转录终止机制目前了解尚不多，且3种RNA聚合酶转录终止方式不完全相同。POLI转录终止依赖于特定序列POLI催化的转录终止类似于原核生物的两种模式综合，有18nt的终止子，可被辅助因子识别。POLII和III的转录终止有依赖于poly（A）或依赖于Sen1的2种模式POLII和III的转录终止，在序列上可能有与原核生物不依赖于Rho因子的终止子相似，即有特定序列，形成特征结构。目前的研究表明，POLII转录终止有依赖于poly(A)和依赖Senl的两种模式。2.2.1依赖于poly(A)的转录终止绝大部分mRNA的转录终止与其3’端加尾(特定位点剪切和聚腺苷酸化)象偶联。这个过程可以分为两个步骤：首先，随着转录的进行，POLI的CTD磷酸化发生变化，当poly(A)加工信号(酵母中富含A和富含U的相邻序列，高等生物为5’-AAUAAA-3’特征序列)转录后，POLI复合物相关因子变构，并可能随之招募新的因子共同参与，使转录暂停，初级转录物在poly(A)加工信号下游被剪切；然后，上游产物在poly(A)聚合酶作用下加上聚腺苷酸，下游产物在5’-RNA外切酶作用下降解，转录随即终止。2.2.2依赖Sen1复合物的转录终止Sen1与Rho因子解螺旋酶具有相似的结构与功能，所以Sen1复合物可通过解开RNA-DNA杂化双链来终止POLI作用。2.2.3两种转录终止模式的选择受POLII的CTD磷酸化的调控在酵母和人类中，选择依赖poly(A)的转录终止模式过程如图1，由于POLI的CTD中Ser2在转录过程中的磷酸化程度逐步升高，Ser5磷酸化程度逐步下降，与特征序列一起招募CFIA，同时招募CPF复合物，引发在特征序列下游约20个碱基处剪切，上游转录产物被释放，导致POLI复合物结构变化，Rat1发挥作用，快速降解下游RNA产物，导致POLI从RNA-DNA杂合双链上解离。大多数非编码RNA的转录终止选择依赖Sen1复合物的模式，过程如图2，POLI中的CTD重复序列中的Ser5在转录过程中的磷酸化程度逐步升高(橙色表示)，Ser2磷酸化程度逐步下降(绿色表示)，与特征序列一起招募Nrd1和Nab3，同时招募Sen1至POLI，形成转录终止复合物，Sen1依赖期解旋酶活性，导致POLI从RNA—DNA杂合双链上解离。图1酵母中依赖poly(A)的转录终止模式CTD:C末品结构^(carbo^-tErminaldDinain);是如]II5；刍物中最太亚基RbpI的C末最特征结构，含保守的7*戛基酸仍t1-ScrZ-Pra3-Thr4-Scri-ProB-SerTllg序列：不同生痢中至少重基^沃，其中和粘5磔酸化程度与两者二既化的比例是转录调控的美建:；CF1A:裂解出子IA(cleavagefactorJA),与CTD中茬迎*的舸Z结合，辑苞CTD与H\A的杂合物；CPF:葬母中的篡切与多豚3映化因子S^^tcleavagoandEolyadonjlaiionfactorCQmpLeji};至少A6个亚基：分别具与poly(A嘴切莹点依例的HNM内切醇活性、与磔酸化的口眇御网了㈤”.工立点镐冬装或命酚如£应和CTU的如5的脱磔酸化冷活性，咛使蓊录暂停、识别却』口工网y㈤侑号等功能：PolB:HNA聚合虏二[RNMpolymerasen1.催化RNA合成的多因子夏刍物；Rail-RaiI-Kn103^合物：Rati：RNAjg^^l(RNA-trafflcklngpcotelnl>,具^RNA51外切有活片Rail:Ratl*ffZ作用谖白I(Ratl-inicratUngl)T具专席雇酸水蕖醇活片稳定曲1和促透其活,性；Rtil03(regulatorofJyitranspMhLon103);与5<?r2革酸化的CTU结合，招募KMl和CFIA与她1II结合；Sen!:与PolU的CTU结令，具与尸一了驱开HHAUXM杂七双微的功£-图2酵母中依赖Senl的转录终止模式Sml-NM]-N心复合物:Nidi：与CT1J中如r5罹酸化的PoLU的绪合并与知略合;Nab3:顼内多聚腺剖皿1辎合萤白3(midearaolyadenylatedR!SA-binding3}：作为Nndl^pn]H结刍的.朴手架蚩」井能招募$叫】与pel二空刍：2.3真核基因转录提前终止及其抑制酵母中的一些应急基因，如受细胞壁压力诱导的基因FKS2,在无压力的条件下，基本转录起始复合物也可以起始转录。但在起始位点不远处，就由基本转录起始复合物中的Pafl招募Sen1-Nrd1-Nab3转录终止复合物，解开杂合双链，聚合酶释放，转录提前终止。细胞内检测不到完整的FKS2转录产物。在有压力的情况下，激活的Mpk1招募Swi4-Swi6因子后与Paf1复合物结合，占据了Sen1复合物结合转录复合物的位点，从而阻止了转录的提前终止(如图3)。/"*（Pafl>%萨PolN 转录激活图3压力条件下应急基因的转录起始抗终止作用由于不同的生理要求，在转录过程中有时即使遇到终止信号，仍然需要继续转录，于是出现了抗转录终止现象。抗终止作用最早是在噬菌体感染细菌中发现的，它是细菌操纵子和噬菌体在调控回路中不同于Rho因子对转录进行的调控。3.1通过破坏终止位点RNA的茎-环结构进行的抗终止在一些控制氨基酸合成的操纵子结构基团前面有一段前导序列，具有终止信号，中间有串联的编码某一氨基酸的密码子，由于转录与翻译是偶联的，转录产物mRNA形成后立即通过核糖体指导蛋白质合成，当介质中该氨基酸浓度较高时，与此相对应的氨酰基tRNA含量比较高，因此，核糖体能顺利通过串联密码子。在这种情况下，mRNA形成正常的二级结构，其中包括末端的茎-环结构，RNA聚合酶终止转录。当介质中该氨基酸浓度较低时，缺乏相应的氨基酸tRNA,致使核糖体滞留在串联密码子上，mRNA不能形成特定的二级结构，末端的茎-环结构被破坏，因此转录仍能进行下去，出现转录的抗终止现象。3.2依赖于蛋白质因子的转录抗终止A噬菌体中由N基因编码产生的N蛋白具有抗转录终止作用，但是其功能的发挥依赖于宿主所产生的NusA、NusB、S10和2.5X104等几种蛋白质，这些蛋白结合到终止子附近的DNA位点是实现抗转录终止的必要条件。该DNA位点中含有A区（CGCTCTTA）和一个二重对称序列，N蛋白能识别后者转录所形成的茎-环结构并与之结合。NusA以二聚体的形式存在，其一个亚基与RNA聚合酶接结合，另一个亚基与N蛋白结合，当其他3种蛋白都结合到Nut位点时，便形成一个蛋白复合物，并通过NusA与RNA聚合酶相结合，改变聚合酶的构象，使之对终止信号不敏感，继续催化RNA链的合成（如图4）。

图4依赖于蛋白质因子的转录抗终止模式[参考文献]郭晓强，王江雁，王仁杰.真核mRNA转录终止机制[J].细胞生物学杂志，2005,27:400-402.BentleyD,GroudineM:Nature1986;321:702deNadalEeto/.Muitilayeredcontrolofgeneexpressionbystress-activatedproteinkinases.EM