Cell：揭示对大多数基因而言，转录开始位点决定了转录结束位点

我们DNA中的每个基因都有开始和结束。正确确定基因的开始和结束对于产生功能性蛋白至关重要。人们已做了大量的研究来确定是什么决定了一个基因何时、何地以及在DNA的哪个位点“开始”。但是基因在哪里结束则是另一回事---转录终止位点的选择一直被认为取决于下游元件和外在因素。

在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所的研究人员取得一项令人惊讶的发现：对于我们的大多数基因来说，转录开始的位点决定了转录结束的位点。这种现象在不同的物种中都是保守性的，并且在转录的一开始就预先决定了mRNA的结束位点，在细胞的身份和功能中起着至关重要的作用。相关研究结果发表在2023年5月25日的Cell期刊上，论文标题为“Sites of transcription initiation drive mRNA isoform selection”。

一种有机体内的所有细胞都包含相同的DNA序列。决定单个细胞和组织的特性和功能的是在特定时间、特定地点具有活性的一组基因。这些有活性的基因从DNA模板转录成不同的信使RNA（mRNA）分子，并将编码细胞发挥功能所需的蛋白。

在基因组中称为启动子（promoter）的特定地方，一种复杂的分子机器开始将DNA序列转录成mRNA。有趣的是，大多数基因包含多个可能的转录开始或结束的位点。这意味着对于每个基因来说，根据起始或终止位点的不同，mRNA可以是不同的。以不同的变体表达一个基因，可以将基因组的多样性和功能扩大许多倍。与此同时，这为基因组的研究增加了另一层的复杂性。

RNA快照从开始到结束

在这项新的研究中，这些作者想知道每个基因使用了多少个不同的起点和终点，以何种方式组合，以及这些组合在不同条件下是否不同。论文通讯作者、马克斯-普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所的Valérie Hilgers说，“回答这个问题所面临的技术问题是，我们必须从每个基因的起点到终点读取所有基因产生的每个mRNA分子。这是一项前所未有的艰巨任务。”

这些作者使用了一种经过调整的下一代测序技术来读出各个mRNA。对于传统的短读测序，每个mRNA被分解成较短的片段，这些片段被扩增，然后被测序以产生读取片段。随后利用生物信息学技术将这些读取片段像拼图一样拼成一个连续的序列。

为了获得包括大脑在内的多种果蝇组织的全长mRNA信息，这些作者优化了特定的长读测序技术。论文第一作者、马克斯-普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所的Carlos Alfonso-Gonzalez说，“长读测序允许检索比广泛使用的标准测序长得多的测序片段（sequencing reads）。然而，我们甚至不得不优化这项技术，将典型的读取片段长度增加几倍，以便在我们不同的模型系统中获得全长的mRNA信息。”

除了果蝇之外，Hilgers实验室还将人类的神经系统模型纳入了他们的研究：脑类器官--在培养皿中用诱导性多能干细胞（iPS）培养的“迷你大脑（mini-brain）”。在转录开始时就预先确定了转录结束位点。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.04.012。

这些收集到的在全分子尺度上代表每个mRNA的数据使人们对单个基因的转录有了前所未有的见解。Hilgers 说，“我们意识到，转录起始位点（TSS）和转录结束位点（TES）不是随机组合在一起的，我们发现TSS往往与不同的TES特异性关联在一起。”

这种关联性实际上是有因果关系的：比如在卵巢中，人为地激活通常只在大脑中使用的TSS，它会覆盖正常的TES并人为地诱导了大脑TES的使用。这显示了TSS在塑造每个组织特有的RNA景观方面的关键作用，从而影响了组织特性。

启动子优势驱动RNA多样性、基因功能和组织特性

然而，有一个现象很突出。Alfonso-Gonzalez 说，“某些TSS显示出意想不到的支配行为。它们覆盖了结束转录的常规信号，在其他TSS的竞争中胜出，并导致了对不同TES的选择。因此，我们将它们命名为优势启动子（dominant promoter）。”

此外，这些作者发现，这些优势启动子与其相关的基因结束位点之间的相互作用是由不同的表观遗传学特征引导的。重要的是，这些在果蝇脑细胞中获得的研究结果在人脑类器官中得到再现，表明启动子优势是一种保守的，也许是普遍的机制，用于调节功能蛋白的产生和脑细胞的功能。

这种新机制的生理学意义可能是什么？通过深入的序列保守性分析，这些作者发现TSS和TES表现出共同进化：在不同物种间数百万年的进化过程中，优势启动子的基因起始位点的单个核苷酸变化伴随着相应基因结束位点的变化。

Hilgers说，“我们将这一观察解释为通过进化的推动，维持基因起始和结束位点之间的相互作用，这意味着这意味着这些连接性对动物的适应性具有重要意义。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

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