轉錄的多種終止機制

2021-01-11 李老師談生化

#轉錄#轉錄進行到一定程度,會停止下來,複合物解體,新生RNA釋放出來,稱為轉錄的終止(termination)。終止通常需要一個標誌,即終止子(terminator),DNA模板上作為轉錄終止信號的順式作用元件(cis-acting element)。

元件(element)指DNA上有特定功能的一段序列。相對來說,與之作用的蛋白質被稱為「因子」(factor)。順式(cis)與反式(trans)來自拉丁文前綴,是「在同一側」和「在另一側」的意思。這兩個詞在順反異構中比較好理解,在分子生物中的用法與早期研究有關。

在早期的分子遺傳學研究中,經常要判斷對某基因的調控作用是來自DNA分子本身,還是來自另一個分子。前者稱為順式作用,比如增強子對啟動子的作用;後者稱為反式作用,比如某個蛋白因子對啟動子的作用。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ρ因子的終止子和不依賴ρ因子的終止子。ρ因子(Rho)是一種高度保守的終止因子,存在於幾乎所有的原核生物。除了終止轉錄以外,Rho還有抑制反義轉錄,影響tRNA和小調節RNA的合成,沉默外源DNA等多種功能。

兩類終止子都有一段迴文結構。簡單終止子有兩個對稱的富含GC的片段,下遊還有一段富含A的序列。而依賴ρ因子的終止子不需要GC序列和寡聚A序列。

簡單終止子轉錄出RNA後,兩段富含GC的片段會形成莖環結構,破壞了RNA和模板DNA的雜合雙鏈結構。此時下遊恰好是結合力較弱的AU對,進一步造成了轉錄延伸複合物的不穩定,導致聚合酶解離和轉錄終止。

轉錄的內部終止模型。Biomolecules. 20

這種終止也稱為內部終止(intrinsic termination)。大腸桿菌中的大多數基因採用內部終止,Rho依賴的終止大約佔20-30%。

大腸桿菌的Rho因子是環狀六聚體,每個亞基47KD。亞基N端為RNA結合域,共同構成初始結合位點(primary binding site,PBS)。亞基的C端具有ATP酶活性,可通過水解ATP推動構象變化。

Rho因子首先通過PBS識別並結合RNA的特定序列(稱為Rho utilization site,rut位點),然後打開六聚體環,將RNA納入環中。RNA與另一側的第二結合位點(SBS)結合後,環再閉合,並激活ATP酶活性,消耗ATP向3』方向移動,稱為易位(translocation)。

易位的結果是Rho逐漸接近新生RNA的3』-末端,從而與RNAP相互作用,觸發轉錄終止。終止的具體機制尚不清楚,有不同假設,如雜合雙鏈的剪切、RNAP的變構等。

Rho依賴的轉錄終止過程具有更豐富的調控方式,包括Rho因子的數量及活性調控、核糖體及蛋白因子對終止過程的影響等。例如,當rut位點被核糖體或蛋白因子佔據,或形成二級結構時,就無法起到終止作用,從而導致下遊序列被轉錄出來,即轉錄通讀(transcriptional readthrough)。

在一些細菌mRNA的5'-前導區(leader region)內有Rho依賴的終止子,通過控制rut位點或RNAP暫停等方式決定下遊的基因主體是否可以被轉錄出來。

真核生物的RNAP有3種,其終止方式也有所不同。Pol I的終止需要轉錄終止因子TTF-1與rRNA基因下遊的終止子結合,導致聚合酶暫停。然後由PTRF(Pol I和轉錄物釋放因子)介導轉錄複合物的解離。

Pol III轉錄的基因都比較小,所以終止子相對簡單。其模板鏈中有一段oligo(dA)(多聚A),轉錄出多聚U後二者的結合較弱,使複合物不穩定。比較特殊的是,其非模板鏈的oligo(dT)也會參與終止過程,可以促進聚合酶暫停和轉錄本釋放等。

Pol II的終止研究最多,它主要用加尾信號作為轉錄終止信號。當mRNA中轉錄出聚腺苷酸化信號5'-AAUAAA-3'後,會募集一系列蛋白因子,切割mRNA並添加poly A尾,然後才釋放RNAP,轉錄終止。此過程中RNAP仍可繼續合成大約500-2000個核苷酸。

RNAP II釋放的具體機制目前主要有兩個模型:魚雷模型(torpedo model)和變構模型(allosteric model)。前者認為,mRNA被切割後,5'-3'核酸外切酶(Rat1/Xrn2)會降解轉錄複合物中剩餘的RNA鏈,逐步接近RNAP II。擊中後就會觸發複合物解體,導致轉錄終止。

變構模型認為,延伸複合物(EC)通過poly A位點(PAS)會引起延伸因子的解離或終止因子的結合,導致複合物構象變化造成轉錄終止。

兩個模型並非完全互斥,也有一些模型將二者結合起來。還有模型認為終止需要PAS,但並不一定需要mRNA的切割(Mol Cell. 2015 Aug 6;59(3):437-48.)。

上述RNAP II的終止方式稱為poly A依賴的終止,是其主要的終止機制。此外也發現了另一種終止機制,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。

這種機制主要用於非編碼RNA轉錄的早期終止,可以抑制非編碼RNA的過度轉錄(pervasive transcription),防止其影響編碼基因的表達。

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