近日，南方科技大学生命科学学院副教授翟继先团队利用纳米孔单分子RNA测序技术绘制了拟南芥全基因组水平转录终止图谱。相关成果以“Landscape of transcription termination in Arabidopsis revealed by single-molecule nascent RNA sequencing”为题发表在国际知名学术期刊Genome Biology上。

纳米孔单分子RNA测序技术能同时捕获包括已转录过polyA位点的 readthrough转录本、完成3’末端切割的5’或3’切割产物、以及已完成或正在进行多腺苷酸化（polyadenylation）的转录本在内的多种转录终止过程中的RNA中间产物（图1）。结果显示，拟南芥不同基因的转录终止范围分布很广，从50 nt到超过1000 nt。研究团队应用此方法检测atxrn3和fpa，以及DNA甲基转移酶met1等一系列突变体，发现在atxrn3中转录终止距离变长，fpa中有出现多基因嵌合转录本， met1中基因区CG甲基化的丢失对转录终止没有明显影响。

转录终止是RNA合成中关键的最后一步，在此期间新生RNA从RNA聚合酶II（Pol II）和DNA模板中释放出来。转录终止对于防止转录顺读（transcription readthrough）进入下游基因是至关重要的。该领域几十年的广泛研究提出了变构模型（allosteric/antiterminator model）、鱼雷模型（torpedo model），以及后来结合这两种模型的统一模型（unified model），以解释多腺苷酸信号依赖的终止机制。成熟mRNA的3’端是由新生RNA的末端切割决定的，而不是聚合酶转录终止的位置。3’末端切割（3’ cleavage）为核酸外切酶Xrn2提供入口，使其从5’端开始降解与RNA聚合酶II（Pol II）相连的RNA，直至“追赶”上聚合酶本身时引发转录终止。尽管已经有一些基于Illumina测序来分析新生RNA的方法，但他们的目的主要捕获的是在转录延伸过程的RNA，而不是转录终止过程中产生的RNA中间产物；并且由于测序读长的限制，这些方法不能很好区分readthrough转录本是否完成3’末端切割。

图1. 单分子新生RNA测序技术FLEP-seq区分转录终止RNA中间体示意图

转录终止随机发生在polyA位点下游，从Pol II在polyA位点到其在释放的一段区间被称“终止窗口（termination window）”。数据显示，在拟南芥基因组中各基因的终止窗口大小分布范围很广，从50 nt到超过1000 nt（图2）。团队还观察到下游邻近的tRNA基因可有效促进上游基因转录终止，这表明tRNA基因启动子区域周围的染色质结构可能会限制Pol II的延伸（图2）。

图2. 拟南芥中转录终止窗口大小分布（左图）和tRNA有效促进上游基因转录终止（右图）

研究团队分别构建了与转录终止相关基因AtXRN3和FPA，以及与DNA甲基化相关基因Met1的FLEP-seq突变体文库，发现在atxrn3突变体中转录终止发生了延迟，而在fpa突变体中发现了嵌合转录本的积累；但在met1突变体中CG甲基化的丢失对转录终止没有明显影响（图3）。

图3. FLEP-seq揭示突变体的转录终止图谱

此外，团队还发现在个别位点中上游基因的已经完成3’切割的readthrough转录本可以继续延伸并进入下游基因区域，这些转录本可以产生正常剪接和多腺苷酸化的RNA，表明readthrough本身就能驱动下游基因转录本的产生，这突出了AtXRN3介导的转录终止在拟南芥基因组中的重要性（图4）。

图4. FLEP-seq检测atxrn3（左图）和fpa突变体（右图）转录终止的例子

翟继先为该论文的通讯作者，南科大生命科学学院博士研究生莫伟鹏和刘波为该论文共同第一作者，中科院遗传与发育生物学研究所研究员曹晓风、副研究员邓娴，南科大生命科学学院讲席教授郭红卫、研究助理教授龙艳萍、贾津布等参与了该项工作。南科大是论文第一单位。该研究得到了科技部国家重点研发计划、广东省创新创业团队、深圳市科创委、广东省植物细胞工厂分子设计重点实验室以及深圳市高等院校稳定支持计划基金的资助。

论文链接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02543-4 

供稿：生命科学学院

通讯员：付文卿

主图：丘妍

编辑：朱增光