3月28日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張余研究組在《自然》（Nature）上發(fā)表了題為Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination的研究論文。該研究揭示了酵母mRNA轉(zhuǎn)錄終止的分子機制。

轉(zhuǎn)錄作為中心法則中必不可少的一步，在基因表達過程中發(fā)揮重要作用。轉(zhuǎn)錄按照反應(yīng)過程可以分為轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄延伸、轉(zhuǎn)錄終止。近年來，轉(zhuǎn)錄起始和轉(zhuǎn)錄延伸的機制逐漸被揭開，但轉(zhuǎn)錄終止的機制因動態(tài)和不穩(wěn)定特性而不清楚。轉(zhuǎn)錄終止是指RNA聚合酶（RNAP）停止RNA延伸、釋放RNA并從DNA解離的過程。正確的轉(zhuǎn)錄終止對mRNA的穩(wěn)定性和RNA聚合酶的高效循環(huán)利用至關(guān)重要。酵母細(xì)胞RNA聚合酶II（Pol II）的轉(zhuǎn)錄終止機制根據(jù)其合成的RNA類型分為兩類——mRNA的轉(zhuǎn)錄終止、non-coding RNA的轉(zhuǎn)錄終止。

mRNA的轉(zhuǎn)錄終止機制在真核生物中普遍保守。當(dāng)Pol II轉(zhuǎn)錄至基因末端的多聚腺苷化信號（PAS）時，pre-mRNA在PAS位點下游被切割分為兩段。切割后的mRNA完成PolyA加尾后被轉(zhuǎn)運至細(xì)胞質(zhì)翻譯，而Pol II仍然朝下游轉(zhuǎn)錄繼續(xù)合成RNA，且其轉(zhuǎn)錄終止依賴一個保守的5’-3’ RNA外切酶?？茖W(xué)家對真核細(xì)胞mRNA轉(zhuǎn)錄終止機制已開展了較多研究，并提出了“魚雷”“異構(gòu)”等模型，但其機制尚存爭議。

鑒于mRNA轉(zhuǎn)錄終止過程快速連續(xù)，難以捕捉其中間狀態(tài)。該研究利用磷硫鍵修飾的不同長度RNA組裝Pol II轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合物，重構(gòu)了外切酶縮短RNA的中間態(tài)過程，并解析了上述中間狀態(tài)的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，外切酶穩(wěn)定結(jié)合在Pol II的RNA通道外側(cè)，RNA從Pol II的活性中心延伸到外切酶的活性中心。外切酶的結(jié)合位置和Pol II的轉(zhuǎn)錄延伸因子互相重疊。外切酶結(jié)合促使了延伸因子的解離，解釋了外切酶延緩Pol II轉(zhuǎn)錄延伸速率的原因。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)信息，研究提出了外切酶介導(dǎo)的mRNA轉(zhuǎn)錄終止機制，即外切酶覆蓋RNA通道出口，直接將Pol II轉(zhuǎn)錄的RNA引導(dǎo)至催化中心，利用其RNA外切酶和移位酶縮短RNA長度的同時，對mRNA產(chǎn)生牽引力從而將其從Pol II?催化中心拖拽出來，最終解離mRNA并終止Pol II?轉(zhuǎn)錄。這表明mRNA的轉(zhuǎn)錄終止符合修正版的“魚雷”模型。Pol II類似航行的軍艦，而外切酶魚雷追趕上Pol II之后，吸附在Pol II上，進而利用其水解RNA轉(zhuǎn)化的機械力將RNA從Pol II中拖拽出來。

該研究通過比較細(xì)菌、古菌和真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄終止，提出了三域生物利用相似的方式終止mRNA合成。這些終止因子均結(jié)合在聚合酶的RNA通道外側(cè)。真核生物利用Rat1/XRN2/XRN3的外切酶活性解離mRNA，細(xì)菌利用Rho的RNA移位酶活性解離mRNA，古菌利用FttA的外切酶活性解離mRNA。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計劃的支持。

論文鏈接

外切酶Rat1與Pol II形成的復(fù)合物結(jié)構(gòu)

外切酶Rat1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄終止模