【原】转录的多种终止机制

转录进行到一定程度，会停止下来，复合物解体，新生RNA释放出来，称为转录的终止（termination）。终止通常需要一个标志，即终止子（terminator），DNA模板上作为转录终止信号的顺式作用元件（cis-acting element）。

元件（element）指DNA上有特定功能的一段序列。相对来说，与之作用的蛋白质被称为“因子”（factor）。顺式（cis）与反式（trans）来自拉丁文前缀，是“在同一侧”和“在另一侧”的意思。这两个词在顺反异构中比较好理解，在分子生物中的用法与早期研究有关。

在早期的分子遗传学研究中，经常要判断对某基因的调控作用是来自DNA分子本身，还是来自另一个分子。前者称为顺式作用，比如增强子对启动子的作用；后者称为反式作用，比如某个蛋白因子对启动子的作用。在顺反子的定义中也是同样的含义。

原核生物有两类终止子：依赖ρ因子的终止子和不依赖ρ因子的终止子。ρ因子（Rho）是一种高度保守的终止因子，存在于几乎所有的原核生物。除了终止转录以外，Rho还有抑制反义转录，影响tRNA和小调节RNA的合成，沉默外源DNA等多种功能。

两类终止子都有一段回文结构。简单终止子有两个对称的富含GC的片段，下游还有一段富含A的序列。而依赖ρ因子的终止子不需要GC序列和寡聚A序列。

简单终止子转录出RNA后，两段富含GC的片段会形成茎环结构，破坏了RNA和模板DNA的杂合双链结构。此时下游恰好是结合力较弱的AU对，进一步造成了转录延伸复合物的不稳定，导致聚合酶解离和转录终止。

转录的内部终止模型。Biomolecules. 2015

这种终止也称为内部终止（intrinsic termination）。大肠杆菌中的大多数基因采用内部终止，Rho依赖的终止大约占20-30%。

大肠杆菌的Rho因子是环状六聚体，每个亚基47KD。亚基N端为RNA结合域，共同构成初始结合位点（primary binding site，PBS）。亚基的C端具有ATP酶活性，可通过水解ATP推动构象变化。

Rho因子首先通过PBS识别并结合RNA的特定序列（称为Rho utilization site，rut位点），然后打开六聚体环，将RNA纳入环中。RNA与另一侧的第二结合位点（SBS）结合后，环再闭合，并激活ATP酶活性，消耗ATP向3’方向移动，称为易位（translocation）。

Rho依赖的转录终止过程。Trends Biochem Sci. 2016

易位的结果是Rho逐渐接近新生RNA的3’-末端，从而与RNAP相互作用，触发转录终止。终止的具体机制尚不清楚，有不同假设，如杂合双链的剪切、RNAP的变构等。

Rho依赖的转录终止过程具有更丰富的调控方式，包括Rho因子的数量及活性调控、核糖体及蛋白因子对终止过程的影响等。例如，当rut位点被核糖体或蛋白因子占据，或形成二级结构时，就无法起到终止作用，从而导致下游序列被转录出来，即转录通读（transcriptional readthrough）。

Rho依赖的转录终止与基因表达调控。Trends Biochem Sci. 2016

在一些细菌mRNA的5'-前导区（leader region）内有Rho依赖的终止子，通过控制rut位点或RNAP暂停等方式决定下游的基因主体是否可以被转录出来。

真核生物的RNAP有3种，其终止方式也有所不同。Pol I的终止需要转录终止因子TTF-1与rRNA基因下游的终止子结合，导致聚合酶暂停。然后由PTRF（Pol I和转录物释放因子）介导转录复合物的解离。

RNAP I的终止机制。Genes Dev. 2009

Pol III转录的基因都比较小，所以终止子相对简单。其模板链中有一段oligo（dA）（多聚A），转录出多聚U后二者的结合较弱，使复合物不稳定。比较特殊的是，其非模板链的oligo（dT）也会参与终止过程，可以促进聚合酶暂停和转录本释放等。

Pol II的终止研究最多，它主要用加尾信号作为转录终止信号。当mRNA中转录出聚腺苷酸化信号5'-AAUAAA-3'后，会募集一系列蛋白因子，切割mRNA并添加poly A尾，然后才释放RNAP，转录终止。此过程中RNAP仍可继续合成大约500-2000个核苷酸。

RNAP II释放的具体机制目前主要有两个模型：鱼雷模型（torpedo model）和变构模型（allosteric model）。前者认为，mRNA被切割后，5'-3'核酸外切酶（Rat1/Xrn2）会降解转录复合物中剩余的RNA链，逐步接近RNAP II。击中后就会触发复合物解体，导致转录终止。

变构模型认为，延伸复合物（EC）通过poly A位点（PAS）会引起延伸因子的解离或终止因子的结合，导致复合物构象变化造成转录终止。两个模型并非完全互斥，也有一些模型将二者结合起来。还有模型认为终止需要PAS，但并不一定需要mRNA的切割（Mol Cell. 2015 Aug 6;59(3):437-48.）。

一种不需要mRNA切割的RNAP II终止模型。Mol Cell. 2015

上述RNAP II的终止方式称为poly A依赖的终止，是其主要的终止机制。此外也发现了另一种终止机制，称为NNS（Nrd1-Nab3-Sen1）依赖的终止。其中Sen1起着类似原核Rho因子的作用。

NNS依赖的终止。Wiley Interdiscip Rev RNA. 2019

这种机制主要用于非编码RNA转录的早期终止，可以抑制非编码RNA的过度转录（pervasive transcription），防止其影响编码基因的表达。

参考文献：

1. Robert S Washburn, et al. Regulation of transcription elongation and termination. Biomolecules. 2015 May 29;5(2):1063-78.

2. Michelle A Kriner, et al. Learning from the Leaders: Gene Regulation by the Transcription Termination Factor Rho. Trends Biochem Sci. 2016 Aug;41(8):690-699.

3. Patricia Richard, et al. Transcription termination by nuclear RNA polymerases. Genes Dev. 2009 Jun 1;23(11):1247-69.

4. Huimin Zhang, et al. Poly(A) Signal-Dependent Transcription Termination Occurs through a Conformational Change Mechanism that Does Not Require Cleavage at the Poly(A) Site. Mol Cell. 2015 Aug 6;59(3):437-48.

5. Sarah A Peck, et al. Writing a wrong: Coupled RNA polymerase II transcription and RNA quality control. Wiley Interdiscip Rev RNA. 2019 Jul;10(4):e1529.