北京时间2024年3月28日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中国科学院合成生物学重点实验室张余研究组在国际著名学术期刊nature上发表题为“structural basis of exoribonuclease-mediated mrna transcription termination”的研究论文，该研究揭示了酵母mrna转录终止的分子机制。

研究背景

转录作为中心法则中必不可少的一步，在基因表达过程中承担重要作用。转录按照其反应过程可以分为转录起始，转录延伸，转录终止。近年来转录起始和转录延伸的机制逐渐被揭开。然而，由于转录终止的动态和不稳定特性，其机制仍不清楚。转录终止（transcription termination）是指rna聚合酶（rna polymerase，rnap）停止rna延伸、释放rna并从dna解离的过程。正确的转录终止对mrna的稳定性和rna聚合酶的高效循环利用至关重要。酵母细胞rna聚合酶ii（rna polymerase ii，pol ii）的转录终止机制根据其合成的rna类型主要分为两类，第一类是mrna的转录终止，第二类是non-coding rna的转录终止。

mrna的转录终止机制在真核生物中普遍保守。当pol ii转录至基因末端的多聚腺苷化信号（polyadenylation site; pas）时，pre-mrna在pas位点下游被切割分为两段。切割后的mrna完成polya加尾后被转运至细胞质翻译，而pol ii仍然朝下游转录继续合成rna，其转录终止依赖一个保守的5’-3’ rna外切酶（酵母rat1，哺乳动物xrn2，植物xrn3），针对真核细胞mrna转录终止的机制已经被研究了多年，提出了包括“鱼雷”、“异构”等多个模型，但是其机制尚存争议。异构模型认为，核酸外切酶rat1结合诱导pol ii构象变化，促进mrna自发解离。鱼雷模型认为，核酸外切酶rat1切割下游rna并追赶pol ii，当rat1赶上pol ii后触发mrna解离。转录终止具体通过何种机制尚存争论。

研究内容

鉴于mrna转录终止过程快速连续，难以捕捉其中间状态。研究团队利用磷硫键修饰的不同长度rna组装pol ii转录终止复合物，重构了外切酶缩短rna的中间态过程，并解析了上述中间状态的复合物结构（图1）。研究团队发现外切酶稳定结合在pol ii的rna通道外侧，rna从pol ii的活性中心延伸到了外切酶的活性中心。外切酶的结合位置和pol ii的转录延伸因子互相重叠，外切酶结合促使了延伸因子的解离，解释了外切酶延缓pol ii转录延伸速率的原因。根据以上结构信息，研究团队提出了外切酶介导的mrna转录终止机制：外切酶覆盖rna通道出口，直接将pol ii转录的rna引导至催化中心，利用其rna外切酶和移位酶缩短rna长度的同时，对mrna产生牵引力从而将其从pol ii 催化中心拖拽出来，最终解离mrna并终止pol ii 转录（图2）。研究团队的工作表明mrna的转录终止符合修正版的“鱼雷”模型，pol ii类似航行的军舰、外切酶鱼雷追赶上pol ii之后，吸附在pol ii上，随后利用其水解rna转化的机械力将rna从pol ii中拖拽出来。

比较细菌、古菌和真核生物mrna转录终止，研究团队提出三域生物利用相似的方式终止mrna合成。这些终止因子均结合在聚合酶的rna通道外侧，真核生物利用rat1/xrn2/xrn3的外切酶活性解离mrna，细菌利用rho的rna移位酶活性解离mrna，古菌利用ftta的外切酶活性解离mrna。

图1 外切酶rat1与pol ii形成的复合物结构

图2 外切酶rat1介导的转录终止模型

相关信息

中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余组博士生曾媛（已毕业）为论文的第一作者，张余研究员为通讯作者。

张余研究员（左）与曾媛博士

论文详情请点击左下角“阅读原文”

来源：中国科学院分子植物科学卓越创新中心

编辑：拾

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上观号作者：上海科技