我們DNA中的每個基因都有開始和結(jié)束。正確確定基因的開始和結(jié)束對于產(chǎn)生功能性蛋白至關(guān)重要。人們已做了大量的研究來確定是什么決定了一個基因何時、何地以及在DNA的哪個位點“開始”。但是基因在哪里結(jié)束則是另一回事---轉(zhuǎn)錄終止位點的選擇一直被認為取決于下游元件和外在因素。

在一項新的研究中，來自德國馬克斯-普朗克免疫生物學與表觀遺傳學研究所的研究人員取得一項令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：對于我們的大多數(shù)基因來說，轉(zhuǎn)錄開始的位點決定了轉(zhuǎn)錄結(jié)束的位點。這種現(xiàn)象在不同的物種中都是保守性的，并且在轉(zhuǎn)錄的一開始就預先決定了mRNA的結(jié)束位點，在細胞的身份和功能中起著至關(guān)重要的作用。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2023年5月25日的Cell期刊上，論文標題為“Sites of transcription initiation drive mRNA isoform selection”。

一種有機體內(nèi)的所有細胞都包含相同的DNA序列。決定單個細胞和組織的特性和功能的是在特定時間、特定地點具有活性的一組基因。這些有活性的基因從DNA模板轉(zhuǎn)錄成不同的信使RNA（mRNA）分子，并將編碼細胞發(fā)揮功能所需的蛋白。

在基因組中稱為啟動子（promoter）的特定地方，一種復雜的分子機器開始將DNA序列轉(zhuǎn)錄成mRNA。有趣的是，大多數(shù)基因包含多個可能的轉(zhuǎn)錄開始或結(jié)束的位點。這意味著對于每個基因來說，根據(jù)起始或終止位點的不同，mRNA可以是不同的。以不同的變體表達一個基因，可以將基因組的多樣性和功能擴大許多倍。與此同時，這為基因組的研究增加了另一層的復雜性。

RNA快照從開始到結(jié)束

在這項新的研究中，這些作者想知道每個基因使用了多少個不同的起點和終點，以何種方式組合，以及這些組合在不同條件下是否不同。論文通訊作者、馬克斯-普朗克免疫生物學與表觀遺傳學研究所的Valérie Hilgers說，“回答這個問題所面臨的技術(shù)問題是，我們必須從每個基因的起點到終點讀取所有基因產(chǎn)生的每個mRNA分子。這是一項前所未有的艱巨任務?！?/p>

這些作者使用了一種經(jīng)過調(diào)整的下一代測序技術(shù)來讀出各個mRNA。對于傳統(tǒng)的短讀測序，每個mRNA被分解成較短的片段，這些片段被擴增，然后被測序以產(chǎn)生讀取片段。隨后利用生物信息學技術(shù)將這些讀取片段像拼圖一樣拼成一個連續(xù)的序列。

為了獲得包括大腦在內(nèi)的多種果蠅組織的全長mRNA信息，這些作者優(yōu)化了特定的長讀測序技術(shù)。論文第一作者、馬克斯-普朗克免疫生物學與表觀遺傳學研究所的Carlos Alfonso-Gonzalez說，“長讀測序允許檢索比廣泛使用的標準測序長得多的測序片段（sequencing reads）。然而，我們甚至不得不優(yōu)化這項技術(shù)，將典型的讀取片段長度增加幾倍，以便在我們不同的模型系統(tǒng)中獲得全長的mRNA信息。”

除了果蠅之外，Hilgers實驗室還將人類的神經(jīng)系統(tǒng)模型納入了他們的研究：腦類器官--在培養(yǎng)皿中用誘導性多能干細胞（iPS）培養(yǎng)的“迷你大腦（mini-brain）”。在轉(zhuǎn)錄開始時就預先確定了轉(zhuǎn)錄結(jié)束位點。

圖片來自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.012。

這些收集到的在全分子尺度上代表每個mRNA的數(shù)據(jù)使人們對單個基因的轉(zhuǎn)錄有了前所未有的見解。Hilgers 說，“我們意識到，轉(zhuǎn)錄起始位點（TSS）和轉(zhuǎn)錄結(jié)束位點（TES）不是隨機組合在一起的，我們發(fā)現(xiàn)TSS往往與不同的TES特異性關(guān)聯(lián)在一起?！?/p>

這種關(guān)聯(lián)性實際上是有因果關(guān)系的：比如在卵巢中，人為地激活通常只在大腦中使用的TSS，它會覆蓋正常的TES并人為地誘導了大腦TES的使用。這顯示了TSS在塑造每個組織特有的RNA景觀方面的關(guān)鍵作用，從而影響了組織特性。

啟動子優(yōu)勢驅(qū)動RNA多樣性、基因功能和組織特性

然而，有一個現(xiàn)象很突出。Alfonso-Gonzalez 說，“某些TSS顯示出意想不到的支配行為。它們覆蓋了結(jié)束轉(zhuǎn)錄的常規(guī)信號，在其他TSS的競爭中勝出，并導致了對不同TES的選擇。因此，我們將它們命名為優(yōu)勢啟動子（dominant promoter）。”

此外，這些作者發(fā)現(xiàn)，這些優(yōu)勢啟動子與其相關(guān)的基因結(jié)束位點之間的相互作用是由不同的表觀遺傳學特征引導的。重要的是，這些在果蠅腦細胞中獲得的研究結(jié)果在人腦類器官中得到再現(xiàn)，表明啟動子優(yōu)勢是一種保守的，也許是普遍的機制，用于調(diào)節(jié)功能蛋白的產(chǎn)生和腦細胞的功能。

這種新機制的生理學意義可能是什么？通過深入的序列保守性分析，這些作者發(fā)現(xiàn)TSS和TES表現(xiàn)出共同進化：在不同物種間數(shù)百萬年的進化過程中，優(yōu)勢啟動子的基因起始位點的單個核苷酸變化伴隨著相應基因結(jié)束位點的變化。

Hilgers說，“我們將這一觀察解釋為通過進化的推動，維持基因起始和結(jié)束位點之間的相互作用，這意味著這意味著這些連接性對動物的適應性具有重要意義?！?（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Carlos Alfonso-Gonzalez et al. Sites of transcription initiation drive mRNA isoform selection. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.012.