基因转录单元的界限由启动子和终止子界定。RNA聚合酶正确识别启动子和终止子序列，是基因正常转录的先决条件。转录终止异常会引起RNA降解、干扰下游基因表达、干扰DNA复制、破坏基因组稳定性等。RNA聚合酶一般通过两种途径终止转录，一条途径是依赖于终止因子的转录终止，例如细菌RNA聚合酶依赖具有RNA解旋酶活性的Rho因子终止转录， 动植物细胞Pol II依赖具有RNA外切酶活性的XRN终止mRNA转录。另一种是不依赖于终止因子的转录终止，也称为内源性转录终止。内源性转录终止是噬菌体、细菌和真核生物RNA聚合酶（Pol III）保守的转录终止方式。
2023年1月12日，浙江大学基础医学院冯钰团队合作在《Nature》上发表题为“Structural basis for intrinsic transcription termination”的研究论文，该研究捕获了细菌内源性转录终止的中间状态冷冻电镜结构，揭示了细菌RNA聚合酶识别终止序列、停止转录、并解离RNA的分子机制。
在转录终止环节，RNA聚合酶需要从高速的延伸状态（～50 nt/s）紧急刹车停止转录，随后RNA聚合酶发生构象变化，RNA和DNA从高度稳定的RNAP-DNA-RNA复合物解离。细菌的内源性转录终止序列由富含GC的发卡结构以及紧随其后的U tract序列组成，从序列特征分析，转录终止序列的RNA发卡结构与RNA聚合酶催化中心10-bp的RNA-DNA杂合双链存在竞争，可能是促使RNA解离的关键（图1）。
图1 转录终止过程中，RNA发卡结构竞争破坏10-bp的DNA-RNA的杂合双链。
（上）转录延伸状态中RNAP和转录泡结合示意图；
（中）转录终止子的序列特征；
（下）细菌基因操纵子的构造。
由于转录终止具有高度动态和且反应迅速的特征，因此解析转录终止的结构和分子机制具有较大难度。研究团队借鉴前人的研究成果，拆分了转录终止序列，解析了只包含U-tract序列的TTC-pause冷冻电镜结构，解析了包含U-tract序列和部分RNA发卡的TTC-hairpin结构，最后利用antisense RNA模拟形成完整的发卡结构并诱导转录终止，解析了TTC-release的冷冻电镜结构。据此，研究团队提出了内源性转录终止的五个中间步骤（图2）：
（i）转录暂停（TTC-pause）：Poly U序列阻止RNAP结合NTP，诱发转录暂停。
（ii）RNA发卡部分折叠（TTC-hairpin）：RNA发卡折叠进入RNA聚合酶的RNA退出通道，诱导RNA聚合酶构象变化，削弱RNAP和RNA-DNA杂合双链的相互作用。
（iii）DNA闭合（Bubble rewinding）：转录泡的两条DNA单链碱基重新配对，破坏RNA-DNA杂合双链。
（iv）RNA发卡完全折叠（hairpin completion）:DNA闭合破坏RNA-DNA杂合双链，清除RNA发卡完全折叠的能量壁垒，RNA发卡结构完全折叠可能诱导三种形式的RNAP-DNA-RNA的构象变化（这三种形式在之前的研究中各有实验证据支持）。在Hybrid shearing模型中，由于RNA和DNA均为A-U碱基对，RNA可在DNA上相对滑动2 bp，使RNA的3‘端从催化中心远离。在hypertranslocation模型中，RNA聚合酶向前移位，使RNA的3‘端从催化中心远离。在Hairpin invasion模型中，RNA聚合酶发生构象变化，发卡结构入侵至RNA聚合酶内部。以上三种形式都在RNA发卡结构完全折叠的过程中进一步破坏了RNA-DNA杂合双链。
（v）RNA释放（TTC-release）：RNA聚合酶释放RNA，但其仍可以在基因组上自由滑动，最终解离或者滑动至启动子DNA开始下一轮转录。
图2 细菌内源性转录终止机制模型。
（左）三个转录终止中间状态冷冻电镜结构中的DNA和RNA构象；
（中）细菌内源性转录终止机制模型；
（右）三个转录终止中间状态的冷冻电镜结构密度图。
该研究报导了细菌内源性转录终止关键中间态的冷冻电镜结构，还原了细菌内源性转录终止的全过程，揭示了细菌RNA聚合酶在转录终止序列暂停转录，RNA发卡结构在RNAP内部折叠并诱导RNA释放的分子机制。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究员、美国威斯康辛大学麦迪逊分校Robert Landick教授、浙江大学基础医学院冯钰研究员为本文的共同通讯作者，中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生尤琳琳为第一作者，冯钰团队博士后史婧（现为南京中医药大学副教授）和博士生温瑷嘉参与了该课题的冷冻电镜数据收集和分析。
课题组简介
冯钰团队长期致力于原核转录调控的分子机制研究和靶向细菌转录的药物开发，近年在Science（2篇），Nature，Nature Chemical Biology，PNAS，Nature Communications（4篇），Nucleic Acids Research（8篇），eLife等知名杂志发表论文。
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