撰文丨章臺(tái)柳

mRNA 的加工過程受到不同的分子機(jī)制調(diào)控，并因不同的全局調(diào)控而產(chǎn)生組織或環(huán)境特異性轉(zhuǎn)錄組。因此，長期以來， mRNA 內(nèi)部的外顯子使用一直被當(dāng)作獨(dú)立事件來研究，而這些事件獨(dú)立地對(duì)全長異構(gòu)體的組成產(chǎn)生影響。然而，越來越多的證據(jù)表明， RNA 的加工機(jī)制間存在協(xié)同調(diào)控。參與轉(zhuǎn)錄、 mRNA 剪接以及切割和多聚腺苷酸化（CPA）的因子，在 RNA 加工的其他步驟中可能具有不同的次要作用【1】。 這些研究大多聚焦于剪接與轉(zhuǎn)錄起始或 CPA 之間的關(guān)聯(lián)，而對(duì)于轉(zhuǎn)錄起始與 CPA 之間的直接關(guān)聯(lián)， 則研究 得較少。

超過 70% 的哺乳動(dòng)物基因在不同細(xì)胞環(huán)境中會(huì)表達(dá)選擇性轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSSs）或多聚腺苷酸化位點(diǎn)（PASs），每個(gè)基因平均有 4 到 5 個(gè)注釋的 TSSs 和 / 或 PASs 。選擇性 mRNA 末端使用是細(xì)胞、組織類型和細(xì)胞環(huán)境之間 不同 異構(gòu)體的基礎(chǔ)。選擇性 TSSs 和 PASs 分別影響編碼序列以及 5' 和 3' - UTRs 的組成和長度，進(jìn)而對(duì) RNA 穩(wěn)定性、定位和翻譯效率產(chǎn)生影響。了解這些決定在基因上是否以及如何協(xié)同作用，將有助于闡明全長異構(gòu)體、其編碼的蛋白質(zhì)的調(diào)控，以及對(duì)蛋白質(zhì)表達(dá)的影響。

基因的 5' 和 3' 末端之間存在許多共同的調(diào)控特征。例如，啟動(dòng)子近端轉(zhuǎn)錄延伸所需的 RNA 聚合酶 II （ RNAPII ）磷酸化事件，對(duì)于基因末端的有效延伸也是必需的?；诨騼?nèi) TSS 和 PAS 的位置， RNAPII 延伸速率會(huì)影響選擇性 TSS 和 PAS 的使用【2】?；?終止位點(diǎn) 的決定可能在空間上也有關(guān)聯(lián)。近期對(duì)染色質(zhì)構(gòu)象的高分辨率測量發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)環(huán)錨定在TSS處并延伸穿過基因主體，這表明二維和三維結(jié)構(gòu)可能對(duì)mRNA合成很重要。這些發(fā)現(xiàn)都暗示了轉(zhuǎn)錄起始和 CPA 之間存在時(shí)空關(guān)聯(lián)。

2025 年 10 月 9 日 ， 來自 馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院 的 Athma A. Pai 和 波士頓大學(xué) 的 Ana Fiszbein 團(tuán)隊(duì) 在 Science 雜 志上發(fā)表文章 mRNA initiation and termination are spatially coordinated ，通過系統(tǒng)分析轉(zhuǎn)錄起始和終止位點(diǎn)的聯(lián)合使用情況，發(fā)現(xiàn)使用上游起始位點(diǎn)的mRNA會(huì)優(yōu)先使用上游終止位點(diǎn)，而下游位點(diǎn)的使用也存在類似的關(guān)聯(lián)。同時(shí)揭示了一個(gè)位置起始-終止軸（PItA），在這個(gè)軸中，選擇性 終止 位點(diǎn)的使用會(huì)根據(jù)它們的基因組順序而相互關(guān)聯(lián)。 PItA 在具有獨(dú)特染色質(zhì)特征的較長基因中更為常見。 mRNA 的 5 ′ 起始選擇會(huì)直接影響 3 ′ 末端 ，這依賴于 RNA 聚合酶 II 的移動(dòng)速度 。研究結(jié)果表明，空間組織和轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)變化將轉(zhuǎn)錄起始與mRNA 3′末端的選擇關(guān)聯(lián)起來，從而決定mRNA異構(gòu)體的表達(dá)。

mRNA 末端（ 5' 和 3' ）的選擇是一個(gè)受到高度調(diào)控的過程，通常涉及在多個(gè)選擇性位點(diǎn)和外顯子之間進(jìn)行選擇 。 研究 人員 首先利用之前開發(fā)的 HIT 指數(shù)，從 RNA - seq 數(shù)據(jù)中來識(shí)別和量化全基因組范圍內(nèi)選擇行末端外顯子相對(duì)使用情況。對(duì) GTEx 項(xiàng)目中來自 5 4 個(gè)人類組織的 1 7350 個(gè) RNA - seq 樣本進(jìn)行選擇性第一外顯子和最后外顯子的識(shí)別，分析顯示：每個(gè)基因的第一外顯子和最后外顯子數(shù)量的分布是相似的，即具有一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)等第一外顯子的基因數(shù)量分別與僅具有一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)等最后外顯子的基因數(shù)量密切匹配。具有選擇性第一外顯子（AFEs）的基因比預(yù)期更有可能也使用選擇性最后外顯子（ALEs） 。這使研究人員推測， 基因可能利用相似數(shù)量的第一外顯子和最后外顯子來共同調(diào)控末端的使用。在具有多個(gè)AFEs和ALEs的基因中，基因內(nèi)第一外顯子和最后外顯子的表達(dá)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，例如，表達(dá)兩個(gè) AFEs 的基因更有可能使用兩個(gè) ALEs ，使用三個(gè) AFEs 的基因通常使用三個(gè) ALEs ，依此類推 。進(jìn)一步分析顯示，具有相似順序位置的末端外顯子的使用在不同基因之間是相關(guān)的。即最上游 AFE （ AFE 1 ）使用的增加與最上游 ALE （ ALE 1 ）的使用呈正相關(guān)， AFE 2 的使用與 ALE 2 的使用呈正相關(guān)，以此類推。同時(shí)， AFE 1 的使用與 ALE 2 的使用呈負(fù)相關(guān)。 這表明不僅末端外顯子的數(shù)量相互關(guān)聯(lián)，它們的使用也相互耦合。這些發(fā)現(xiàn)表明，基因結(jié)構(gòu)在決定末端外顯子之間的耦合以及進(jìn)而調(diào)控基因中異構(gòu)體多樣性方面起著關(guān)鍵作用。

觀察到的末端外顯子使用的相關(guān)性可能使因?yàn)椋耗┒宋稽c(diǎn)可能直接耦合，即具有相似順序位置的外顯子在同一 mRNA 分子上同時(shí)出現(xiàn)；耦合可能是間接的，即具有相似順序位置的外顯子在不同轉(zhuǎn)錄本中獨(dú)立受青睞，從而導(dǎo)致短讀長 RNA - seq 數(shù)據(jù)中出現(xiàn)明顯的相關(guān)性。為了區(qū)分這些可能性，研究人員對(duì)長度長異構(gòu)體測序（ Iso-seq ）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)基于其順序位置的末端外顯子是直接耦合的，即存在一種位置起始-終止軸（PItA），它是轉(zhuǎn)錄起始和CPA決定耦合的基礎(chǔ)。 PItA 耦合是一種普遍現(xiàn)象，其中轉(zhuǎn)錄本起始和終止的協(xié)調(diào)即使在每個(gè)組織僅表達(dá)一種異構(gòu)體或在細(xì)胞類型內(nèi)組成型表達(dá)時(shí)，也可能受到基因結(jié)構(gòu)的影響。 PItA 耦合可能通過協(xié)調(diào)末端或異構(gòu)體的外顯子使用來幫助塑造 mRNA 功能或蛋白質(zhì)組多樣性。

為了直接驗(yàn)證順序 TSS 和選擇性 PAS 的使用之間存在因果關(guān)系，使用 dCas 9- CRISPR 對(duì) 8 個(gè) AFEs 實(shí)現(xiàn)了特異性激活或抑制，其中 6 個(gè)擾動(dòng)以與 PltA 耦合一致的 方式改變了下游 ALE 的表達(dá)。例如，激活 ZNF 638 的 AFE 1 導(dǎo)致 ALE 1 的表達(dá)增加，同時(shí) AFE 2 和 ALE 2 的表達(dá)降低；抑制 SWI 5 的 AFE 2 降低 ALE 2 的表達(dá)，而沒有顯著改變 AFE 1 或 ALE 1 的表達(dá)。 這些結(jié)果提供了直接證據(jù)，表明 AFE 的選擇可以調(diào)控 ALE 的表達(dá)，支持末端外顯子使用以順序和功能耦合的方式協(xié)調(diào)的模型。 但擾動(dòng) PAS 元件的使用并沒有引起與 PltA 耦合一致的 AFE 變化。 PItA 代表了一種單向調(diào)控機(jī)制，即選擇性 TSS 會(huì)影響順序配對(duì)的選擇性 PAS 使用，但 PAS 使用不會(huì)驅(qū)動(dòng) PItA 耦合。

對(duì) PItA 耦合 的特征進(jìn)行分析， PItA 耦合更可能發(fā)生在較長的基因中，這里的基因長度定義為最上游高表達(dá) TSS 和最下游高表達(dá) PAS 之間的總基因組長度 。 一個(gè)基因可以被分解為許多區(qū)域，所有區(qū)域都獨(dú)立地對(duì)基因的總長度做出貢獻(xiàn)。為了了解基因長度如何影響 PItA 耦合，計(jì)算了參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的區(qū)域長度（ TSS 之間的間隔）、剪接調(diào)控的區(qū)域長度（最下游 TSS 和最上游 PAS 之間的間隔）以及切割和多聚腺苷酸化調(diào)控的區(qū)域長度（ PAS 之間的間隔）。 結(jié)果 發(fā)現(xiàn)， TSS 和 PAS 間隔都與 PItA 密切相關(guān)，選擇性 TSS 和選擇性 PAS 之間的間隔越長， PItA 耦合越強(qiáng)。 對(duì)人和小鼠的 PItA 耦合 進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)僅在人類細(xì)胞中顯示PItA耦合的基因，在人類基因組中的平均長度顯著長于在小鼠基因組中的長度；相應(yīng)地，小鼠特異性的PItA基因在小鼠基因組中的長度顯著更長。在兩個(gè)物種中均未顯示 PItA 耦合的基因，其基因長度沒有差異。 即 PItA 耦合的強(qiáng)度與更長的基因組距離直接相關(guān)。 同時(shí) RNAPII 延伸速率對(duì)于長 PItA 基因中 TSS - PAS 相互作用的耦合至關(guān)重要。 基因上的 RNAPII 延伸速率可能取決于 RNAPII 開始延伸的位置。 即 下游 TSS 和上游 PAS 與更快的 RNAPII 延伸速率相關(guān)，尤其是在 PItA 基因中。 PItA 耦合依賴于持續(xù)的 RNAPII 移動(dòng)以及較長基因中逐漸增強(qiáng)的選擇性 PAS 序列的共同作用。具體來說，從上游TSS起始的較慢的RNAPII分子更有可能使用較弱的上游PAS，而從下游TSS起始的較快的RNAPII分子能夠到達(dá)更強(qiáng)的下游PAS。

總的來說，研究發(fā)現(xiàn)mRNA起始和終止位點(diǎn)的選擇是直接耦合的，這種耦合基于位點(diǎn)在基因組中出現(xiàn)的順序。同時(shí)揭示了位置起始-終止軸（PItA），即mRNA的5′端選擇直接影響mRNA的3′端選擇，并總結(jié)了PItA與基因長度、RNAPII延伸速度之間的關(guān)聯(lián)。

https://doi.org/10.1126/science.ado8279

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. D. Kaida et al. , U1 snRNP protects pre-mRNAs from premature cleavage and polyadenylation.Nature468, 664–668 (2010).

2. C. D. Kaplan, H. Jin, I. L. Zhang, A. Belyanin, Dissection of Pol II trigger loop function and Pol II activity-dependent control of start site selection in vivo.PLOS Genet.8, e1002627 (2012).

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