3月28日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究组在《自然》（Nature）上发表了题为Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination的研究论文。该研究揭示了酵母mRNA转录终止的分子机制。

转录作为中心法则中必不可少的一步，在基因表达过程中发挥重要作用。转录按照反应过程可以分为转录起始、转录延伸、转录终止。近年来，转录起始和转录延伸的机制逐渐被揭开，但转录终止的机制因动态和不稳定特性而不清楚。转录终止是指RNA聚合酶（RNAP）停止RNA延伸、释放RNA并从DNA解离的过程。正确的转录终止对mRNA的稳定性和RNA聚合酶的高效循环利用至关重要。酵母细胞RNA聚合酶II（Pol II）的转录终止机制根据其合成的RNA类型分为两类——mRNA的转录终止、non-coding RNA的转录终止。

mRNA的转录终止机制在真核生物中普遍保守。当Pol II转录至基因末端的多聚腺苷化信号（PAS）时，pre-mRNA在PAS位点下游被切割分为两段。切割后的mRNA完成PolyA加尾后被转运至细胞质翻译，而Pol II仍然朝下游转录继续合成RNA，且其转录终止依赖一个保守的5’-3’ RNA外切酶。科学家对真核细胞mRNA转录终止机制已开展了较多研究，并提出了“鱼雷”“异构”等模型，但其机制尚存争议。

鉴于mRNA转录终止过程快速连续，难以捕捉其中间状态。该研究利用磷硫键修饰的不同长度RNA组装Pol II转录终止复合物，重构了外切酶缩短RNA的中间态过程，并解析了上述中间状态的复合物结构。研究发现，外切酶稳定结合在Pol II的RNA通道外侧，RNA从Pol II的活性中心延伸到外切酶的活性中心。外切酶的结合位置和Pol II的转录延伸因子互相重叠。外切酶结合促使了延伸因子的解离，解释了外切酶延缓Pol II转录延伸速率的原因。根据上述结构信息，研究提出了外切酶介导的mRNA转录终止机制，即外切酶覆盖RNA通道出口，直接将Pol II转录的RNA引导至催化中心，利用其RNA外切酶和移位酶缩短RNA长度的同时，对mRNA产生牵引力从而将其从Pol II 催化中心拖拽出来，最终解离mRNA并终止Pol II 转录。这表明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，而外切酶鱼雷追赶上Pol II之后，吸附在Pol II上，进而利用其水解RNA转化的机械力将RNA从Pol II中拖拽出来。

该研究通过比较细菌、古菌和真核生物mRNA转录终止，提出了三域生物利用相似的方式终止mRNA合成。这些终止因子均结合在聚合酶的RNA通道外侧。真核生物利用Rat1/XRN2/XRN3的外切酶活性解离mRNA，细菌利用Rho的RNA移位酶活性解离mRNA，古菌利用FttA的外切酶活性解离mRNA。

研究工作得到国家重点研发计划和上海市基础研究特区计划的支持。

论文链接

外切酶Rat1与Pol II形成的复合物结构

外切酶Rat1介导的转录终止模