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文章題目：Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination

期刊：Nature

發(fā)表時(shí)間：2024年3月27日

主要內(nèi)容：中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/中國(guó)科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張余研究組在Nature雜志上發(fā)表了文章Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination，該研究揭示了酵母mRNA轉(zhuǎn)錄終止的分子機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)利用含有磷硫鍵修飾的不同長(zhǎng)度RNA組裝了包含Rat1-Rai1、Pol II、DNA和RNA的轉(zhuǎn)錄終止前復(fù)合物，重構(gòu)了Rat1-Rai1縮短RNA的中間態(tài)過程，并解析了上述中間狀態(tài)的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)外切酶Rat1-Rai1穩(wěn)定結(jié)合在Pol II的RNA通道外側(cè)，能夠直接將Pol II合成的mRNA引導(dǎo)到其Rat1催化中心進(jìn)行切割。并且，外切酶的結(jié)合位置和Pol II的轉(zhuǎn)錄延伸因子互相重疊，外切酶結(jié)合促使延伸因子Spt4/5/6解離。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07240-3

使用TransGen產(chǎn)品：

Fast Mutagenesis System (FM111)

研究背景

轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的第一步，是調(diào)控基因表達(dá)的重要環(huán)節(jié)。基因轉(zhuǎn)錄按照RNA的合成過程分為轉(zhuǎn)錄起始，轉(zhuǎn)錄延伸和轉(zhuǎn)錄終止三個(gè)階段。近年來轉(zhuǎn)錄起始和轉(zhuǎn)錄延伸的機(jī)制逐漸被揭開，然而轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制尚未闡明。

轉(zhuǎn)錄終止是指RNA聚合酶停止RNA延伸、釋放RNA并從DNA上解離的過程。正確的轉(zhuǎn)錄終止對(duì)RNA的穩(wěn)定性、RNA聚合酶的循環(huán)利用，以及基因組的穩(wěn)定性等非常重要，同時(shí)轉(zhuǎn)錄終止過程也調(diào)控基因表達(dá)和染色質(zhì)狀態(tài)。

真核細(xì)胞RNA聚合酶II（RNA polymerase II，Pol II）根據(jù)合成的RNA種類主要通過兩種方式終止。第一種方式是mRNA的轉(zhuǎn)錄終止，第二個(gè)方式是non-coding RNA的轉(zhuǎn)錄終止。當(dāng)Pol II轉(zhuǎn)錄pre-mRNA經(jīng)過基因末端的PAS（polyadenylation signal）位點(diǎn)時(shí)，pre-mRNA在PAS下游約20個(gè)堿基附近被切割并且在其3’末端添加多聚腺苷酸化修飾，隨后被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)翻譯。而Pol II仍然往下游行進(jìn)，轉(zhuǎn)錄終止一般發(fā)生距離PAS下游幾十到幾千個(gè)堿基的位置，Pol II的轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制在真核生物中普遍保守，其轉(zhuǎn)錄終止依賴保守的5’-3’ RNA外切酶（酵母Rat1，哺乳動(dòng)物XRN2，植物XRN3），然而該RNA外切酶依賴的轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制尚未闡明。

文章概述

首先，該研究團(tuán)隊(duì)提出了外切酶介導(dǎo)的mRNA轉(zhuǎn)錄終止的步驟：（1）外切酶與轉(zhuǎn)錄延伸因子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合Pol II，減慢Pol II的延伸速率；（2）外切酶覆蓋Pol II的RNA通道出口，將Pol II轉(zhuǎn)錄的mRNA引導(dǎo)至催化中心；（3）外切酶通過對(duì)RNA的5’進(jìn)行持續(xù)的切割縮短mRNA的長(zhǎng)度，當(dāng)mRNA被縮短到一定長(zhǎng)度時(shí)（～20 nt），其對(duì)mRNA切割產(chǎn)生牽引力將對(duì)破壞RNA和Pol II的相互作用，從而將RNA從Pol II 催化中心拖拽出來，最終解離mRNA并終止Pol II 轉(zhuǎn)錄。針對(duì)真核細(xì)胞mRNA轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制已經(jīng)被研究了多年，提出了包括“魚雷”、“異構(gòu)”等多個(gè)模型，但是其工作機(jī)制尚存爭(zhēng)議。研究團(tuán)隊(duì)的工作表明mRNA的轉(zhuǎn)錄終止符合修正版的“魚雷”模型，Pol II類似航行的軍艦、Rat1魚雷追趕上Pol II之后，吸附在Pol II上，隨后利用其水解RNA轉(zhuǎn)化的機(jī)械力將RNA從Pol II中拖拽出來。

外切酶Rat1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄終止模型

最后，比較細(xì)菌、古菌和真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄終止，研究團(tuán)隊(duì)提出三域生物趨同進(jìn)化，利用相似的方式終止mRNA合成。這些轉(zhuǎn)錄終止因子均結(jié)合在RNA聚合酶的RNA通道外側(cè)，真核Pol II利用Rat1的外切酶活性解離mRNA，細(xì)菌RNAP利用Rho的RNA移位酶活性解離mRNA，古菌RNAP利用FttA的外切酶活性解離mRNA。

綜上，該研究解析了真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄終止的中間態(tài)復(fù)合物結(jié)構(gòu)，并提出了真核Pol II mRNA轉(zhuǎn)錄終止的工作模型，對(duì)理解基因轉(zhuǎn)錄的工作機(jī)制和調(diào)控機(jī)制具有重要意義。 

全式金產(chǎn)品支撐

優(yōu)質(zhì)的試劑是科學(xué)研究的利器。全式金點(diǎn)突變產(chǎn)品Fast Mutagenesis System (FM111)助力本研究。

Fast Mutagenesis System (FM111)

本產(chǎn)品以甲基化的質(zhì)粒為模板，采用部分重疊引物 (均含突變點(diǎn)) 設(shè)計(jì)，使用2×TransStart^? FastPfu Fly PCR SuperMix擴(kuò)增，擴(kuò)增產(chǎn)物用DMT限制性內(nèi)切酶消化甲基化質(zhì)粒模板后，轉(zhuǎn)化具有降解甲基化質(zhì)粒模板的感受態(tài)細(xì)胞。本產(chǎn)品具有突變效率高，操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。 自上市以來多次榮登Cell、Nature、Science等知名期刊，助力科學(xué)研究。                                                                                                                                                                   

產(chǎn)品特點(diǎn)：

●  由于采用部分重疊引物 (均含突變點(diǎn)) 設(shè)計(jì)，使PCR呈指數(shù)擴(kuò)增， 擴(kuò)增產(chǎn)物凝膠電泳可見，擴(kuò)增產(chǎn)物為環(huán)狀，易于轉(zhuǎn)化。

●  使用2×TransStart^? FastPfu Fly PCR SuperMix擴(kuò)增，縮短了擴(kuò)增時(shí)間，同時(shí)提高了擴(kuò)增的保真性。

●  利用體外限制性內(nèi)切酶和體內(nèi)感受態(tài)細(xì)胞降解甲基化質(zhì)粒模板，突變效率更高，對(duì)照突變效率高達(dá)90%。

全式金產(chǎn)品再一次登上Nature期刊，證明了大家對(duì)全式金產(chǎn)品品質(zhì)和實(shí)力的認(rèn)可，也完美詮釋了全式金一直以來秉承的“品質(zhì)高于一切，精品服務(wù)客戶”的理念。全式金始終在助力科研的道路上砥礪前行，希望未來能與更多的科研工作者并肩奮斗，用更多更好的產(chǎn)品持續(xù)助力科研。

使用Fast Mutagenesis System (FM111)產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：

?   Zeng Y, Zhang H W, Wu X X, et al. Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination [J]. Nature, 2024.

?   Liu X, Liu Z, Wu Z, et al. Resurrection of endogenous retroviruses during aging reinforces senescence[J]. Cell, 2023.

?   Yu Y, Tang W, Lin W, et al. ABLs and TMKs are co-receptors for extracellular auxin[J]. Cell, 2023.

?   Wang K, Zhang Z, Hang J, et al. Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target[J]. Science, 2023.

?   Huang K, Wu X X, Fang C L, et al. Pol IV and RDR2: a two-RNA-polymerase machine that produces double-stranded RNA[J]. Science, 2021.

?   Tian Y, Chen Z H, Wu P, et al. MIR497HG‐Derived miR‐195 and miR‐497 Mediate Tamoxifen Resistance via PI3K/AKT Signaling in Breast Cancer[J]. Advanced Science, 2023.

?   Wang X, Wang Y, Cao A, et al. Development of cyclopeptide inhibitors of cGAS targeting protein-DNA interaction and phase separation[J]. Nature Communications, 2023.

?   Shi C, Yang X, Hou Y, et al. USP15 promotes cGAS activation through deubiquitylation and liquid condensation[J]. Nucleic Acids Research, 2022.

?   Chen Y G, Li D S, Ling Y, et al. A cryptic plant terpene cyclase producing unconventional 18‐and 14‐membered macrocyclic C25 and C20 terpenoids with immunosuppressive activity[J]. Angewandte Chemie, 2021.

?   You L, Shi J, Shen L, et al. Structural basis for transcription antitermination at bacterial intrinsic terminator[J]. Nature communications, 2019.