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转录的延伸与暂停

转录的延伸可分为早期延伸(early elongation)和生产性延伸(productive elongation)两个阶段。当新生RNA链不足10 nt时,可认为仍处于起始阶段,随时可能发生流产起始而重新开始。而如果RNA链超过12 nt后,通常就已经通过启动子解脱程序,进入早期延伸阶段。

延伸过程并非一直持续进行,中间经常会发生暂停(pausing)。暂停与多种生物过程相关:真核生物的mRNA加帽、剪接和转录调控,原核生物的转录终止、RNA二级结构形成、调控因子募集、转录-翻译偶联、蛋白质折叠以及DNA修复等都需要转录暂停。

在早期延伸阶段有一次重要的暂停,因其发生在靠近启动子的区域,被称为启动子近侧暂停(promoter-proximal pausing)。这种现象最初是在果蝇热休克蛋白的转录中发现的,现在认为它是转录过程中的普遍现象,对于转录调控具有重要意义,甚至有人认为它是转录过程中的限速步骤。下图中粗箭头表示速度较快。

启动子近侧暂停有关步骤的相对速度。Genes Dev. 2019

原核生物的σ70依赖性启动子近侧暂停研究较多,发生在大约转录15-25个核苷酸后。在真核生物中,RNAP II相关的启动子近侧暂停研究较多,一般发生在转录20-60个核苷酸后。暂停之后可能转录被终止,也可能继续转录,进入生产性延伸阶段,称为暂停释放(pause release)。

暂停时Pol II停留在启动子和第一个核小体之间。暂停因子NELF(negative elongation factor,负延伸因子)和DSIF(DRB sensitivity-inducing factor,DRB敏感性诱导因子)可以与Pol II结合并使其稳定。

转录的早期事件。Annu Rev Genet. 2013

要使暂停的转录复合体释放,从而进入生产性延伸,需要对其进行两个重要修饰。一个是新生RNA的加帽,另一个是暂停的转录复合物的磷酸化。

加帽过程需要三种酶活性,其中加帽酶(CE)的募集可以缓解NELF的作用,并有助于P-TEFB加载。有人认为加帽是进入生产性延伸的检查点。

转录复合物的磷酸化是由蛋白激酶复合物P-TEFb(positive transcription elongation factor b,正转录延伸因子b)介导的,该复合物也使暂停因子DSIF和NELF磷酸化。这些修饰有助于募集更多的延伸和RNA加工因子,以帮助聚合酶克服转录的后续障碍。

从暂停进入生产性延伸。Annu Rev Genet. 2013

在人类细胞中,P-TEFb的非活性形式是与7SK snRNP结合的。P-TEFb可以被多种机制(Brd4、中介体或某些直接与DNA结合的激活剂)激活并募集到已暂停的Pol II复合物中。

磷酸化的NELF从Pol II上解离,DSIF被P-TEFb磷酸化后变成正延伸因子。在完成其功能后,P-TEFb可以从复合物中解离出去,但在一些高活性基因中,也可仍与Pol II结合。

Pol II进入和脱离暂停位点的调控。Science. 2008

启动子近侧暂停及其释放受到多种因素调控。细胞可以响应外界环境变化,或发育及分化信号的刺激,通过一些依赖核受体(NR)的信号转导途径对其进行调节。所以最近有很多暂停与发育或疾病关系的研究。

Pol II的暂停和释放受多种因素调控。Trends Biochem Sci. 2015

进入生产性延伸之后,转录过程仍然需要克服许多障碍,比如真核生物的核小体。已经发现的突破核小体屏障的机制包括核小体重塑、组蛋白变体交换和组蛋白尾部修饰等。

Pol II通过核小体结构的机制。Annu Rev Genet. 2013

转录终止也与暂停有关。原核生物的终止子在终点之前都有一个回文结构,可使转录暂停。关于转录终止的具体机制,在下一篇文章中探讨。

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