雙向啟動子可以協調調控反向運行的基因

　　新的分析發現，發散性轉錄(一個啟動子引導兩個相鄰基因向相反方向表達)在生命的所有領域都是保守的。

　　與生物學教科書中描述的相反，細菌和古生菌可以在基因組上以相反的方向進行轉錄。這要歸功于雙向啟動子——RNA聚合酶可以在DNA序列上跳動，并以或另一種方式移動產生mRNA轉錄本。

　　5月6日發表在Nature Microbiology上的一項研究指出，大腸桿菌中所有轉錄起始位點(TSSs)的19%都與雙向啟動子有關。

　　“我們真的很驚訝，”文章作者，英國伯明翰大學分子微生物學博士后Emily Warman說。雖然之前的研究描述了真核生物以及一些細菌和古細菌的雙向啟動子，但這項新的研究認為不同的轉錄：基因的雙向解讀是作為一個廣泛存在于生命的特征。

　　生物學中的雙向啟動子

　　在真核細胞中，DNA纏繞在組蛋白周圍，并打包成染色質。卷曲不緊密的DNA片段可以被RNA聚合酶和轉錄所需的其他蛋白質所獲取。在某些情況下，這些區域包含兩個tss，每個DNA鏈上一個，方向相反。這些tss可以被數百或數千個堿基對分開。科學家已經在從酵母到小鼠巨噬細胞的各種真核細胞中發現了這類雙向啟動子。

　　細菌沒有組蛋白。但有些細菌確實含有類組蛋白類核結構(H-NS)蛋白，它與DNA結合并幫助折疊細菌染色體。在2014年發表在《基因與發展》(Genes & Development)雜志上的一項研究中，研究人員發現，在大腸桿菌中，H-NS抑制了通過水平基因轉移獲得的啟動子，水平基因轉移是生殖之外的生物體之間的遺傳物質傳輸。有趣的是，他們注意到許多H-NS-c抑制的啟動子是非編碼RNA的，并且位于其他基因的中間。

　　Warman在伯明翰大學David Grainger實驗室讀博士時的第一份工作就是通過將這些啟動子插入質粒的報告基因前，并測量由此產生的基因表達來表征這些啟動子的活性。

　　她說:“我們掌握的關于這些區域的很多信息并不能告訴我們轉錄會朝哪個方向運行。”令人驚訝的是，許多啟動子片段在兩個方向上都產生活性，這意味著相同的DNA片段可以在兩個方向上驅動轉錄。

　　為了探究雙向啟動子是否在大腸桿菌基因組中普遍存在，該團隊分析了之前獲得的用于繪制TSSs的數據集。他們發現了5292個不同的tss，它們之間相隔7到25個堿基對，但在不同的DNA鏈上。這些TSS對占大腸桿菌中所有TSS的19%。位點之間最常見的距離是18個堿基對，這比在真核細胞中觀察到的距離要近得多。這種緊密的間隔將啟動子元件(RNA聚合酶招募的關鍵DNA序列)置于兩條DNA鏈的相反位置。因此，作者提出，RNA聚合酶可以以兩種不同的方向附著在同一DNA片段上，并在兩個方向上啟動轉錄。

　　他們繼續研究了來自更多細菌種類的TSS，發現了大量的差異對。在變形菌門和放線菌門中，TSS對通常間隔18或19個堿基對。該團隊還查看了之前發表的兩個古物種的TSS地圖，并發現了許多不同的TSS對。

　　“雙向轉錄也是真核生物轉錄的一個特征，但重要的是，這篇論文表明細菌的機制不同于真核生物的機制。”

　　在2018年發表在《BMC Genomics》上的一項研究中，研究人員在銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)中報告了類似的發現，銅綠假單胞菌是一種導致人類感染的病原體。他們在相反的鏈上發現了105對TSS，正好相隔18個堿基對。

　　“我們只是觀察了假單胞菌，我們發現了它們，并認為它不尋常，”文章另一位作者Peter Unrau說，“它們顯然在細菌和古細菌中無處不在，這真的很酷。”

　　雙向的基因調控

　　作者提出雙向啟動子可以協調調控反向運行的基因。例如，結合一個啟動子區域的轉錄因子可以同時調節兩個相鄰基因的表達。這些分子細節和其他潛在的RNA依賴調控形式仍然是懸而未決的問題。

　　在2019年發表在Nature Microbiology上的一項研究中，洛克菲勒大學生物物理學家Shixin Liu及其同事對大腸桿菌的轉錄做出了一個互補的發現：一些相互趨同的基因共享一個雙向轉錄終止子。

　　細菌的基因組相對緊湊，“這些[雙向元件]似乎是在它們的小基因組中編碼更復雜的調節功能的一種方式，因此一個啟動子可以控制兩個不同的基因，或者一個終止子可以同時控制兩個convergent基因。”

　　雙向啟動子的普遍應用可能值得注意，因為在生物技術領域，科學家的目標是利用有效的啟動子產生基因產品。“我認為這是任何對基因表達感興趣的人都需要知道的事情。”