轉錄的延伸與暫停

轉錄的延伸可分為早期延伸(early elongation)和生產性延伸(productive elongation)兩個階段。當新生RNA鏈不足10 nt時,可認為仍處於起始階段,隨時可能發生流產起始而重新開始。而如果RNA鏈超過12 nt後,通常就已經通過啟動子解脫程序,進入早期延伸階段。

延伸過程並非一直持續進行,中間經常會發生暫停(pausing)。暫停與多種生物過程相關:真核生物的mRNA加帽、剪接和轉錄調控,原核生物的轉錄終止、RNA二級結構形成、調控因子募集、轉錄-翻譯偶聯、蛋白質摺疊以及DNA修復等都需要轉錄暫停。

在早期延伸階段有一次重要的暫停,因其發生在靠近啟動子的區域,被稱為啟動子近側暫停(promoter-proximal pausing)。這種現象最初是在果蠅熱休克蛋白的轉錄中發現的,現在認為它是轉錄過程中的普遍現象,對於轉錄調控具有重要意義,甚至有人認為它是轉錄過程中的限速步驟。下圖中粗箭頭表示速度較快。

轉錄的延伸與暫停

啟動子近側暫停有關步驟的相對速度。Genes Dev. 2019 Aug 1; 33(15-16): 960–982.


原核生物的σ70依賴性啟動子近側暫停研究較多,發生在大約轉錄15-25個核苷酸後。在真核生物中,RNAP II相關的啟動子近側暫停研究較多,一般發生在轉錄20-60個核苷酸後。暫停之後可能轉錄被終止,也可能繼續轉錄,進入生產性延伸階段,稱為暫停釋放(pause release)。

暫停時Pol II停留在啟動子和第一個核小體之間。暫停因子NELF(negative elongation factor,負延伸因子)和DSIF(DRB sensitivity-inducing factor,DRB敏感性誘導因子)可以與Pol II結合並使其穩定。

轉錄的延伸與暫停

轉錄的早期事件。Annu Rev Genet. 2013;47:483-508.


要使暫停的轉錄複合體釋放,從而進入生產性延伸,需要對其進行兩個重要修飾。一個是新生RNA的加帽,另一個是暫停的轉錄複合物的磷酸化。

加帽過程需要三種酶活性,其中加帽酶(CE)的募集可以緩解NELF的作用,並有助於P-TEFB加載。有人認為加帽是進入生產性延伸的檢查點。

轉錄複合物的磷酸化是由蛋白激酶複合物P-TEFb(positive transcription elongation factor b,正轉錄延伸因子b)介導的,該複合物也使暫停因子DSIF和NELF磷酸化。這些修飾有助於募集更多的延伸和RNA加工因子,以幫助聚合酶克服轉錄的後續障礙。

在人類細胞中,P-TEFb的非活性形式是與7SK snRNP結合的。P-TEFb可以被多種機制(Brd4、中介體或某些直接與DNA結合的激活劑)激活並募集到已暫停的Pol II複合物中。

轉錄的延伸與暫停

從暫停進入生產性延伸。Annu Rev Genet. 2013;47:483-508.


磷酸化的NELF從Pol II上解離,DSIF被P-TEFb磷酸化後變成正伸長因子。在完成其功能後,P-TEFb可以從複合物中解離出去,但在一些高活性基因中,也可仍與Pol II結合。

轉錄的延伸與暫停

Pol II進入和脫離暫停位點的調控。Science. 2008 Mar 28; 319(5871): 1791–1792.


啟動子近側暫停及其釋放受到多種因素調控。細胞可以響應外界環境變化,或發育及分化信號的刺激,通過一些依賴核受體(NR)的信號轉導途徑對其進行調節。所以最近有很多暫停與發育或疾病關係的研究。

轉錄的延伸與暫停

Pol II的暫停和釋放受多種因素調控。Trends Biochem Sci. 2015 Sep; 40(9): 516–525.


進入生產性延伸之後,轉錄過程仍然需要克服許多障礙,比如真核生物的核小體。已經發現的突破核小體屏障的機制包括核小體重塑、組蛋白變體交換和組蛋白尾部修飾等。

轉錄的延伸與暫停

Pol II通過核小體結構的機制。Annu Rev Genet. 2013;47:483-508.


轉錄終止也與暫停有關。原核生物的終止子在終點之前都有一個迴文結構,可使轉錄暫停。關於轉錄終止的具體機制,在下一篇文章中探討。


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