文章信息
文章题目：Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination
期刊：Nature
发表时间：2024年3月27日
主要内容：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Nature杂志上发表了文章Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination，该研究揭示了酵母mRNA转录终止的分子机制。研究团队利用含有磷硫键修饰的不同长度RNA组装了包含Rat1-Rai1、Pol II、DNA和RNA的转录终止前复合物，重构了Rat1-Rai1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。研究团队发现外切酶Rat1-Rai1稳定结合在Pol II的RNA通道外侧，能够直接将Pol II合成的mRNA引导到其Rat1催化中心进行切割。并且，外切酶的结合位置和Pol II的转录延伸因子互相重叠，外切酶结合促使延伸因子Spt4/5/6解离。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07240-3
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Fast Mutagenesis System (FM111)
研究背景
转录是基因表达的第一步，是调控基因表达的重要环节。基因转录按照RNA的合成过程分为转录起始，转录延伸和转录终止三个阶段。近年来转录起始和转录延伸的机制逐渐被揭开，然而转录终止的机制尚未阐明。
转录终止是指RNA聚合酶停止RNA延伸、释放RNA并从DNA上解离的过程。正确的转录终止对RNA的稳定性、RNA聚合酶的循环利用，以及基因组的稳定性等非常重要，同时转录终止过程也调控基因表达和染色质状态。
真核细胞RNA聚合酶II（RNA polymerase II，Pol II）根据合成的RNA种类主要通过两种方式终止。第一种方式是mRNA的转录终止，第二个方式是non-coding RNA的转录终止。当Pol II转录pre-mRNA经过基因末端的PAS（polyadenylation signal）位点时，pre-mRNA在PAS下游约20个碱基附近被切割并且在其3’末端添加多聚腺苷酸化修饰，随后被转运到细胞质进行蛋白质翻译。而Pol II仍然往下游行进，转录终止一般发生距离PAS下游几十到几千个碱基的位置，Pol II的转录终止机制在真核生物中普遍保守，其转录终止依赖保守的5’-3’ RNA外切酶（酵母Rat1，哺乳动物XRN2，植物XRN3），然而该RNA外切酶依赖的转录终止机制尚未阐明。
文章概述
首先，该研究团队提出了外切酶介导的mRNA转录终止的步骤：（1）外切酶与转录延伸因子竞争结合Pol II，减慢Pol II的延伸速率；（2）外切酶覆盖Pol II的RNA通道出口，将Pol II转录的mRNA引导至催化中心；（3）外切酶通过对RNA的5’进行持续的切割缩短mRNA的长度，当mRNA被缩短到一定长度时（～20 nt），其对mRNA切割产生牵引力将对破坏RNA和Pol II的相互作用，从而将RNA从Pol II 催化中心拖拽出来，最终解离mRNA并终止Pol II 转录。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，但是其工作机制尚存争议。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、Rat1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。
外切酶Rat1介导的转录终止模型
最后，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趋同进化，利用相似的方式终止mRNA合成。这些转录终止因子均结合在RNA聚合酶的RNA通道外侧，真核Pol II利用Rat1的外切酶活性解离mRNA，细菌RNAP利用Rho的RNA移位酶活性解离mRNA，古菌RNAP利用FttA的外切酶活性解离mRNA。
综上，该研究解析了真核生物mRNA转录终止的中间态复合物结构，并提出了真核Pol II mRNA转录终止的工作模型，对理解基因转录的工作机制和调控机制具有重要意义。
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Fast Mutagenesis System (FM111)
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使用Fast Mutagenesis System (FM111)产品发表的部分文章：
• Zeng Y, Zhang H W, Wu X X, et al. Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination [J]. Nature, 2024.
• Liu X, Liu Z, Wu Z, et al. Resurrection of endogenous retroviruses during aging reinforces senescence[J]. Cell, 2023.
• Yu Y, Tang W, Lin W, et al. ABLs and TMKs are co-receptors for extracellular auxin[J]. Cell, 2023.
• Wang K, Zhang Z, Hang J, et al. Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target[J]. Science, 2023.
• Huang K, Wu X X, Fang C L, et al. Pol IV and RDR2: a two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA[J]. Science, 2021.
• Tian Y, Chen Z H, Wu P, et al. MIR497HG‐Derived miR‐195 and miR‐497 Mediate Tamoxifen Resistance via PI3K/AKT Signaling in Breast Cancer[J]. Advanced Science, 2023.
• Wang X, Wang Y, Cao A, et al. Development of cyclopeptide inhibitors of cGAS targeting protein-DNA interaction and phase separation[J]. Nature Communications, 2023.
• Shi C, Yang X, Hou Y, et al. USP15 promotes cGAS activation through deubiquitylation and liquid condensation[J]. Nucleic Acids Research, 2022.
• Chen Y G, Li D S, Ling Y, et al. A cryptic plant terpene cyclase producing unconventional 18‐and 14‐membered macrocyclic C25 and C20 terpenoids with immunosuppressive activity[J]. Angewandte Chemie, 2021.
• You L, Shi J, Shen L, et al. Structural basis for transcription antitermination at bacterial intrinsic terminator[J]. Nature communications, 2019.
