转录终止-及其调控---生命的化学

《生命的化学》2012年32卷6期CHEMISTRYOFLIFE2012，32(6)·550·●ResearchProgress文章编号:1000-1336(2012)06-0550-06收稿日期：2012-02-28国家“863”计划项目(2013AA090204)资助作者简介：夏珺(1991-)，女，本科生，E-mail：[e-mail]；李建军(1974-)，男，学士，主治医师，E-mail:[e-mail]；王梁华(1971-)，男，博士，副教授，通讯作者，E-mail:[e-mail]转录终止及其调控夏珺1李建军2王梁华31第二军医大学麻醉系，上海2004332中国人民解放军总政机关门诊部保健科，北京1001203第二军医大学基础部生物化学与分子生物学教研室，上海200433摘要：转录是基因表达调控的重要环节，对转录起始和延长水平已了解甚多，但对转录终止，尤其是真核生物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Rho因子和不依赖于Rho因子的内在型转录终止子。近来在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Sen1的转录终止。基因转录时，随着RNA聚合酶C末端结构域(carboxy-terminaldomain,CTD)末端磷酸化的变化，可选择不同的转录终止模式。大部分基因在转录时还存在提前终止的现象：如原核生物的色氨酸操纵子；而在真核生物中，依赖Sen1的转录终止模式事实上就是一种衰减模式。最新研究发现，Mpk1可以阻断依赖Sen1的转录而提前终止，这种阻断作用并不依赖Mpk1的激酶活性，而是通过Mpk1与Paf1复合物结合阻断招募Sen1而实现的。由此看出转录终止在基因表达调控中也具有重要意义。关键词：依赖poly(A)加工信号的转录终止；依赖Sen1的转录终止；提前终止；C末端结构域磷酸化中图分类号：Q71基因表达，就是基因转录及翻译的过程。基因表达通常是受严密调控的，从而表现出严格的规律性。基因表达调控，时常发生在转录水平。转录起始是基因表达的基本控制点，但基因表达调控也可发生在转录终止阶段。1.转录终止研究概述转录分为转录起始、延长、终止三个阶段。对转录起始的研究已日趋成熟，而对转录终止的了解还不是很深入，特别是真核生物基因表达的转录终止还未完全阐明。1.1原核生物转录终止有2种机制原核生物转录终止已较清楚，有两种模式：即依赖Rho因子的转录终止和不依赖Rho因子的内在型转录终止[1]。Rho具有RNA-DNA杂合链的解螺旋酶，可引发转录复合物与模板解离而转录终止；不依赖Rho因子的终止是在转录出的RNA中有富含GC的茎-环结构和紧接着连续U的特定序列(即终止子)，促使转录复合物与模板解离而转录终止[1,2]。1.2原核生物转录可提前终止原核生物转录提前终止，如色氨酸操纵子的弱化作用[1,3]。其工作模式要点如下：由于原核生物中转录与翻译相偶联，当环境中Trp浓度很低时，缺乏Trp-tRNATrp，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，前导肽已完成翻译，1-2和3-4区可以分别配对，而形成终止子结构，转录提前终止[1,3]。可见，原核生物调控转录终止的时机可通过所转录产物形成特定结构来实现。1.3真核生物的不同RNA聚合酶采用不同的转录终止机制真核生物转录终止机制，目前了解尚不多，而且3种RNA聚合酶转录终止方式不完全相同[4,5]。1.3.1polⅠ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《生命的化学》2012年32卷6期·551·●研究进展CHEMISTRYOFLIFE2012，32(6)终止子，可被辅助因子识别[4,5]。1.3.2polⅡ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ploy(A)和依赖Sen1的两种模式[5]。(1)依赖poly(A)的转录终止(酵母中的模式如图1，高等生物如人类中如图2所示)。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)相偶联。这个过程可以分为两个步骤[6,7]：首先，随着转录的进行，polⅡ的CTD磷酸化发生变化，当poly(A)加工信号(酵母中为富含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，polⅡ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。Sen1在依赖Poly(A)的转录终止中可维持转录区染色体的稳定，并在polⅡ复合物识别poly(A)加工信号后促进转录复合物解图1　酵母中依赖ploy(A)的转录终止模式[3]CTD:C末端结构域(carboxy-terminaldomain)，是PolⅡ复合物中最大亚基Rbp1的C末端特征结构，含保守的7个氨基酸(Tyr1-Ser2-Pro3-Thr4-Ser5-Pro6-Ser7)重复序列，不同生物中至少重复26次，其中Ser2和Ser5磷酸化程度与两者磷酸化的比例是转录调控的关键；CFIA:裂解因子IA(cleavagefactorIA)，与CTD中磷酸化的Ser2结合，解离CTD与RNA的杂合物；CPF:酵母中的剪切与多腺苷酸化因子复合物(cleavageandpolyadenylationfactorcomplex)，至少有6个亚基，分别具有poly(A)剪切位点依赖的RNA内切酶活性、与磷酸化的CTD和poly(A)加工位点结合、磷酸酯酶(如Sen1和CTD的Ser5的脱磷酸化)等活性，行使转录暂停、识别和加工poly(A)信号等功能；PolⅡ:RNA聚合酶Ⅱ(RNApolymeraseⅡ)，催化RNA合成的多因子复合物；Rat1-Rai1-Rtt103复合物:Rat1：RNA运输蛋白1(RNA-traffickingprotein1)，具有RNA5’外切酶活性；Rai1:Rat1相互作用蛋白1(Rat1-interacting1)，具有焦磷酸水解酶活性，稳定Rat1和促进其活性；Rtt103(regulatorofTy1transposition103)：与Ser2磷酸化的CTD结合，招募Rat1和CFIA与PolⅡ结合；Sen1：与PolⅡ的CTD结合，具有5’→3’解开RNA-DNA杂化双链的功能。一一图2　高等生物中依赖ploy(A)的转录终止模式(人类)[3]CFIIm：哺乳动物中与酵母CFI同源的因子，与CstF一起行使类似与CFIA的功能；Senataxin：与酵母Sen1相对应；DOM3Z(DOM-3homologueZ)：与酵母Rat1-Rai1-Rtt103复合物中的Rai1功能相对应；XRN2：5’核酸外切酶2(exoribonuclease2)，与酵母Rat1-Rai1-Rtt103复合物中的Rat1功能相对应；CstF：哺乳动物中与酵母CFIA功能相对应的因子；CPSF：剪切与多腺苷酸化因子特异因子(cleavageandpolyadenylationspecificityfactor)，功能与酵母CPF相对应。一一《生命的化学》2012年32卷6期CHEMISTRYOFLIFE2012，32(6)·552·●ResearchProgress聚，完成转录终止[8]。(2)依赖Sen1复合物的转录终止(酵母中的模式如图3所示)。Sen1与Rho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杂化双链图3　酵母中依赖Sen1的转录终止模式[3]Sen1-Nrd1-Nab3复合物：Nrd1：与CTD中Ser5磷酸化的PolⅡ的结合，并与RNA结合；Nab3：核内多聚腺苷化RNA结合蛋白3(nuclearpolyadenylatedRNA-binding3)，作为Nrd1与polⅡ结合的脚手架蛋白，并能招募Sen1与polⅡ结合。一一来终止polⅡ作用[9,10]。(3)两种转录终止模式的选择受polⅡ的CTD磷酸化的调控[5-7]。转录过程中，polⅡ的CTD磷酸化会发生显著变化，导致酵母polⅡ最终选择依赖poly(A)和依赖Sen1转录终止模式中的一种。在酵母和人类中，选择依赖poly(A)的转录终止模式过程大致如下(图1、图2)[5]：由于polⅡ的CTD中Ser2在转录过程中的磷酸化程度逐步升高(图1、图2中绿色表示)，Ser5磷酸化程度逐步下降(图1、图2中橙色表示)，与特征序列(酵母中一串富含A和富含U，人类中AAUAAA)一起招募CFIA(人类中对应分子为CstF和CFIIm复合物)，同时招募CPF复合物(人类中对应复合物为CPSF)，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polⅡ复合物结构变化，Rat1(人类中对应分子为XRN2)发挥作用，快速降解下游RNA产物，导致polⅡ从RNA-DNA杂合双链上解离。在酵母中，大多数非编码RNA的转录终止选择依赖Sen1复合物的模式，过程大致如下(图3)[11-14]：转录过程中，polⅡ的CTD重复序列中的Ser5磷酸化程度逐步升高(图3中橙色表示)，Ser2磷酸化程度逐步下降(图3中绿色表示)，与特征序列(如GUAA和UCUU串联重复序列)一起招募Nrd1和Nab3，同时招募Sen1至polⅡ，形成转录终止复合物，Sen1依赖其解螺旋酶的活性，将polⅡ从RNA-DNA杂合双链上解离出来，从而终止转录。2.真核生物转录提前终止及其抑制与转录的完整过程一样，转录提前终止在病毒与真核生物的基因表达调控中普遍存在，这与原核生物的转录衰减现象类似，但作用模式完全不同，是以依赖Sen1的模式提前终止的，并由CTD的磷酸化来调控[15,16]。2.1正常情况应急基因转录被提前终止依赖于Sen1模式研究发现，酵母中一些应急基因[15]，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[17-19]。但在转录起始位点不远处，就由基本转录起始复合物中的Paf1招募Sen1-Nrd1-Nab3转录终止复合物，解开RNA-DNA杂合双链，使聚合酶从模板链上释放，转录提前终止(图4)[19]。此时，可在细胞内检测到不完整的FKS2的图4　正常情况下应急基因的转录提前终止的模式[19]Paf1：polⅡ相关复合物因子1(polⅡassociatedcomplexfactor1)，作为脚手架蛋白，促进CFIA和Nrd1与PolⅡ复合物结合。一一《生命的化学》2012年32卷6期·553·●研究进展CHEMISTRYOFLIFE2012，32(6)图3　酵母中依赖Sen1的转录终止模式[3]Sen1-Nrd1-Nab3复合物：Nrd1：与CTD中Ser5磷酸化的PolⅡ的结合，并与RNA结合；Nab3：核内多聚腺苷化RNA结合蛋白3(nuclearpolyadenylatedRNA-binding3)，作为Nrd1与polⅡ结合的脚手架蛋白，并能招募Sen1与polⅡ结合。一一图4　正常情况下应急基因的转录提前终止的模式[19]Paf1：polⅡ相关复合物因子1(polⅡassociatedcomplexfactor1)，作为脚手架蛋白，促进CFIA和Nrd1与PolⅡ复合物结合。一一转录产物，大部分为短的片段，类似于色氨酸操纵子中转录衰减[19]。2.2应急情况下可抑制转录的提前终止Mpk1是酵母中的一种MAPK，接受膜受体转换与传递的信号并将其带入细胞核内的一类重要分