Nat Microbiol：新研讨提醒双向启动子在性命三界中广泛存在

2021年6月1日讯/BIOON/---与生物学教科书中通常描写的环境相反，细菌和古生菌（archaea，也译为古）可以在基因组上以相反的偏向进行转录。这要归功于双向启动子（bidirectional promoter）。RNA聚合酶可以跳到双向启动子上，以一种方式或另一种方式发生mRNA转录物。如许的启动子并不常见。依据一项新的研讨，年夜肠杆菌中19%的转录肇端位点（transcription start site, TSS）都与双向启动子无关。相关研讨成果近期颁发在Nature Microbiology期刊上，论文题目为“Widespread divergent transcription from bacterial and archaeal promoters is a consequence of DNA-sequence symmetry”。

论文第一作者、英国伯明翰年夜学分子微生物学博士后研讨员Emily Warman说，“咱们真地很诧异。尽管曩昔的研讨描写了真核生物以及少数和古生菌物种中的双向启动子，然则这项新的研讨确定了异向转录（divergent transcription）---基因的双向读取---是在一切三个性命畛域中激进的一个普遍的特征。”

在真核细胞中，DNA环绕纠缠在组卵白上并被包装成染色质。没有慎密环绕纠缠的DNA片断可让RNA聚合酶和转录所需的其他卵白质打仗到。在某些环境下，这些区域包括两个偏向相反的TSS，每条DNA链上各有一个TSS，是以也被称为TSS对（a pair of TSS, TSS pair）；这些TSS对可以相隔数百或数千个碱基对。迷信家们曾经在从到小鼠巨噬细胞的多种真核细胞中发现了这些类型的双向启动子。

细菌没有组卵白。但有些细菌确切有相似组卵白的拟核构造卵白（histone-like nucleoid structuring protein, H-NS卵白），H-NS卵白与DNA联合并帮忙折叠染色体。在2014年颁发在Genes Development期刊上的一项研讨中，迷信家们已发现，在年夜肠杆菌中，H-NS卵白克制了通过程度基因转移得到的启动子，此中程度基因转移是无机体之间除繁衍之外的物资的传达（Genes Development, 2014, doi:10.1101/gad.234336.113）。回味无穷的是，他们注意到许多遭到H-NS卵白克制的启动子用于表白，而且位于其他基因的中心。

当Warman是伯明翰年夜学David Grainger试验室的博士生时，她的第一项任务是通过将这类启动子拔出质粒中的申报基因后面，并丈量由此发生的基因表白，来描写这些启动子的活性。她说，“咱们领有的对于这些区域的许多信息并没有奉告咱们转录会朝哪个偏向运转。为了笼罩一切的碱基，我把一切这些区域都放在两个偏向上。”令人诧异的是，许多启动子片断在两个偏向上都发生了活性，这象征着统一DNA片断可以在两个偏向上驱动转录。

为了摸索双向启动子是否在整个年夜肠杆菌基因组中广泛存在，Grainger及其研讨团队阐发了先前得到的用于绘制TSS对的数据集。他们发现了5292个异向转录的TSS对，它们相隔7到25个碱基对，但位于DNA的分歧链上。这些TSS对占年夜肠杆菌中一切TSS的19%。它们之间最罕见的间隔是18个碱基对--比在真核细胞中察看到的间隔近得多。这种较近的间距使得启动子元件（对RNA聚合酶的招募至关紧张的DNA序列）在两条DNA链上彼此绝对。是以，他们提出，RNA聚合酶可以在两个分歧的偏向上附着统一段DNA，并以任何一个偏向启动转录。

分歧细菌中单向启动子与双向启动子的比例类似，图片来自Nature Microbiology, 2021, doi:10.1038/s41564-021-00898-9。

他们持续查看了来自更多品种的细菌的TSS，发现异向转录的TSS对年夜量存在。在变形菌和放线菌中，TSS对通常相隔18或19个碱基对。他们还研讨了曩昔颁发的两个古物种的TSS图谱，发现了许多异向转录的TSS对。

双向转录也是真核生物转录的一个特征，但紧张的是，这篇论文显示，中的双向转录机制分歧于真核生物中的双向转录机制。

在2018年颁发在BMC Genomics期刊上的一项研讨中，迷信家们在铜绿假单胞菌中申报了相似的发现（BMC Genomics, 2018, doi:10.1186/s12864-018-4538-8）。他们在相反的DNA链上发现了105个正好相隔18个碱基对的TSS对。他们仅研讨了假单胞菌，发现了这些TSS对。它们显然在和古生菌中无处不在。

在这项新的研讨中，Grainger团队提出，双向启动子能够许可协调调理以相反偏向运转的基因。例如，联合启动子区域的转录因子可以同时调控两个相邻基因的表白。这些分子细节和其他潜在模式的RNA依赖性调控仍未确定。

在2019年颁发在Nature Microbiology期刊上的一项研讨中，美国洛克菲勒年夜学生物物理学家Shixin Liu及其共事们对年夜肠杆菌的转录有一个弥补性的发现：一些以相反偏向运转的趋同基因共享一个双向的转录终止子（Nature Microbiology, 2019, doi:10.1038/s41564-019-0500-z）。

Liu说，有绝对紧凑的基因组。“这些[双向元件]仿佛是在它们的较小基因组中编码更简单的调理功效的一种方式，是以一个启动子可以节制两个分歧的基因，或许一个终止子可以同时节制两个趋同的基因。”