RNA测序技术如何绘制全基因组转录终止？
近日，南方科技大学生命科学学院翟继先团队利用纳米孔单分子RNA测序技术绘制了拟南芥全基因组水平转录终止图谱。该方法能同时捕获包括已转录过polyA位点的 readthrough转录本、完成3’末端切割的5’或3’切割产物、以及已完成或正在进行多腺苷酸化（polyadenylation）的转录本在内的多种转录终止过程中的RNA中间产物（图1）。结果显示，拟南芥不同基因的转录终止范围分布很广，从50 nt到超过1000 nt。研究团队应用此方法检测atxrn3和fpa，以及DNA甲基转移酶met1等一系列突变体，发现在atxrn3中转录终止距离变长，fpa中有出现多基因嵌合转录本， met1中基因区CG甲基化的丢失对转录终止没有明显影响。相关成果以“Landscape of transcription termination in Arabidopsis revealed by single-molecule nascent RNA sequencing”为题发表在国际知名学术期刊Genome Biology上。
转录终止是RNA合成中关键的最后一步，在此期间新生RNA从RNA聚合酶II（Pol II）和DNA模板中释放出来。转录终止对于防止转录顺读（transcription readthrough）进入下游基因是至关重要的。该领域几十年的广泛研究提出了变构模型（allosteric/antiterminator model）、鱼雷模型（torpedo model），以及后来结合这两种模型的统一模型（unified model），以解释多腺苷酸信号依赖的终止机制。成熟mRNA的3’端是由新生RNA的末端切割决定的，而不是聚合酶转录终止的位置。3’末端切割（3’ cleavage）为核酸外切酶Xrn2提供入口，使其从5’端开始降解与RNA聚合酶II（Pol II）相连的RNA，直至“追赶”上聚合酶本身时引发转录终止。尽管已经有一些基于Illumina测序来分析新生RNA的方法，但他们的目的主要捕获的是在转录延伸过程的RNA，而不是转录终止过程中产生的RNA中间产物；并且由于测序读长的限制，这些方法不能很好区分readthrough转录本是否完成3’末端切割。
转录终止随机发生在polyA位点下游，从Pol II在polyA位点到其在释放的一段区间被称“终止窗口（termination window）”。数据显示，在拟南芥基因组中各基因的终止窗口大小分布范围很广，从50 nt到超过1000 nt（图2）。团队还观察到下游邻近的tRNA基因可有效促进上游基因转录终止，这表明tRNA基因启动子区域周围的染色质结构可能会限制Pol II的延伸（图2）。
研究团队分别构建了与转录终止相关基因AtXRN3和FPA，以及与DNA甲基化相关基因Met1的FLEP-seq突变体文库，发现在atxrn3突变体中转录终止发生了延迟，而在fpa突变体中发现了嵌合转录本的积累；但在met1突变体中CG甲基化的丢失对转录终止没有明显影响（图3）。
此外，团队还发现在个别位点中上游基因的已经完成3’切割的readthrough转录本可以继续延伸并进入下游基因区域，这些转录本可以产生正常剪接和多腺苷酸化的RNA，表明readthrough本身就能驱动下游基因转录本的产生，这突出了AtXRN3介导的转录终止在拟南芥基因组中的重要性（图4）。
