基因环结构调控基因转录方向

互联网2013-09-06

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在玩具赛车轨道游戏里，出老千的玩家会扳动开关，让他们对手的车辆进入一个循环轨道，从而赢取比赛。细胞也会这一招——改变“轨道”布局，影响细胞功能，来自欧洲分子生物学实验室(EMBL)和牛津大学的科学家们发现通过形成或撤销基因环结构(gene loops)，细胞能调控转录机器，控制它是沿着遗传物质的一个方向还是两个方向前进。

“我们发现基因环可以将双向启动子变成单向系统，”领导这项研究的Lars Steinmetz说。

三年前，Steinmetz实验室发现当转录机器定位在大部分基因启动子(标记转录开始位置的序列)上的时候，它不仅会沿着基因的方向移动，而且也会朝着相反的方向，DNA的另外一条“路”移动。而当时令他们感到有点惊讶的是，这种现象并不是无处不在的，一些基因似乎其启动子只能朝着一个方向。

同一期间，英国牛津大学的Nicholas Proudfoot研究组则发现基因能弯曲成一个环，从而当转录机器到达基因末端的时候，就能回到开始的地方，重新转录，就像是一个被困的玩具车。Proudfoot研究组的研究人员还发现，一个特定蛋白的失活就会导致这些基因环无法形成。

转录机器是指具有RNA聚合酶活性，并能将模板基因序列转录为互补RNA链的连续动态转换的转录复合体。其主要成分包括RNA聚合酶等，2006年美国科学家Roger D.Kornberg就因此获得了诺贝尔化学奖。

在最新这项研究中，Steinmetz, Proudfoot和其他同事分析了酵母细胞的整个基因组，发现带有单向启动子的基因无法形成环，这些启动子起始的转录过程就会变成双向，这种转录似乎不会被困在一个循环中，更多的是自由的向相反的方向移动，因此就会影响到其它基因。这样细胞通过形成或撤消基因环，不仅可以调控循环基因本身，而且还可以调整整个基因组中调控的分布。

目前研究人员正在尝试探索这些环如何形成，以及何时形成的，比如说如何对一个细胞环境变化作出应对，解环会如何影响基因中短DNA序列的转录。Steinmetz还有一个希望解答的问题：一个启动子激活两个基因的情况下会发生什么? “它们是在一个循环里吗?会发生什么变化呢?”。

原文摘要：

Gene loops enhance transcriptional directionality

Eukaryotic genomes are extensively transcribed, forming both messenger (m) and noncoding (nc) RNAs. ncRNAs made by RNA polymerase II often initiate from bidirectional promoters (nucleosome-depleted chromatin) that synthesize mRNA and ncRNA in opposite directions. We demonstrate that actively transcribed mRNA encoding genes by adopting a gene loop conformation, restrict divergent transcription of ncRNAs. Since gene loop formation depends on a protein factor (Ssu72) that co-associates with both promoter and terminator, its inactivation leads to increased synthesis of promoter-associated divergent ncRNAs, referred to as Ssu72 restricted transcripts (SRTs). Similarly, inactivation of individual gene loops by gene mutation enhances SRT synthesis. We demonstrate that gene loop conformation enforces transcriptional directionality on otherwise bidirectional promoters.