流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本及流產(chǎn)性起始的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

閆偉偉 秦少偉 趙利峰,2*

（1 塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

（2 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—國(guó)家省部共建培育基地，新疆 阿拉爾843300）

流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本（abortive transcript, AT）是一類(lèi)特殊的非編碼RNA，是指在基因轉(zhuǎn)錄的起始階段由RNA 聚合酶重復(fù)合成并釋放的許多短片段初生RNA，該現(xiàn)象被稱(chēng)為流產(chǎn)性起始［1-3］。自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，流產(chǎn)性起始的發(fā)生機(jī)制以及流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的生物學(xué)作用一直都是一個(gè)未解之謎。為此國(guó)內(nèi)外科研人員也在不停地對(duì)它們進(jìn)行著探索。近年來(lái)隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，它們的神秘面紗也在被逐漸揭開(kāi)。

1 流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本和流產(chǎn)性起始的發(fā)現(xiàn)

1976 年Johnston 等在冷泉港實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，RNA聚合酶的延伸反應(yīng)在缺少兩種NTP 的轉(zhuǎn)錄體系中被阻止，出乎意料的是，這些新生RNA 被快速釋放出來(lái)。然而他們很快又有了新的發(fā)現(xiàn)：當(dāng)四種NTP均存在的情況下RNA 聚合酶開(kāi)始轉(zhuǎn)錄后仍然產(chǎn)生長(zhǎng)度不等的流產(chǎn)性RNA，長(zhǎng)度范圍為2～8 nt［4］。1980 年，Carpousis 等再一次在體外實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到了2～6 nt 長(zhǎng)度不等的流產(chǎn)性RNA，并將其命名為流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本（abortive transcript,AT）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在所有長(zhǎng)度不等的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本中，2 nt 長(zhǎng)的占比例最大，約占總量的50%［5］。后來(lái)其他研究者在體外轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)中也得到了類(lèi)似的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的長(zhǎng)度一般在2～10 nt 之間，最長(zhǎng)可達(dá)19 nt［6］。流產(chǎn)性起始的重復(fù)過(guò)程被稱(chēng)為流產(chǎn)性循環(huán)，通常要經(jīng)過(guò)10～100 個(gè)循環(huán)以后，RNA 聚合酶才能從啟動(dòng)子上逃逸出來(lái)，開(kāi)始正常轉(zhuǎn)錄。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流產(chǎn)性起始普遍發(fā)生在細(xì)菌、古菌、真核生物和噬菌體等基因轉(zhuǎn)錄起始階段［6］。2009 年Goldman 等首次在大腸桿菌（Escherichia coli）體內(nèi)證明了流產(chǎn)性起始現(xiàn)象的存在［7］。

2 流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本和流產(chǎn)性起始的發(fā)生機(jī)制及影響因素

流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本和流產(chǎn)性起始一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就立刻引起了世界各地科學(xué)家的興趣。自它們被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的40 余年時(shí)間里，流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本與流產(chǎn)性起始的研究從未間斷，科學(xué)家們對(duì)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本和流產(chǎn)性起始的發(fā)生機(jī)制研究也有了許多成果。

研究發(fā)現(xiàn)，流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的發(fā)生和RNA 聚合酶中σ 亞基的結(jié)構(gòu)有關(guān)。σ 亞基中連接其2 個(gè)功能域（σ3 和σ4）之間的鏈環(huán)靠近RNA 聚合酶的活性位點(diǎn)，且位于全酶釋放RNA 產(chǎn)物的通道內(nèi)，可能具有阻止RNA產(chǎn)物延伸的作用。該鏈環(huán)與初生RNA之間對(duì)該通道的占據(jù)存在競(jìng)爭(zhēng)作用，當(dāng)鏈環(huán)贏得競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，初生RNA 則以流產(chǎn)性產(chǎn)物—流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的形式釋放出來(lái)；當(dāng)RNA 分子鏈成功延伸超過(guò)12 nt 時(shí)，新生成的RNA 鏈則可將該鏈環(huán)置換出來(lái)，這時(shí)流產(chǎn)性起始停止［8］。σ 亞基的1.2 區(qū)能夠與轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)-4 位發(fā)生作用，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)下游DNA 解旋，但該過(guò)程中σ 亞基1.2 區(qū)需要β 亞基lobe 區(qū)的協(xié)助，流產(chǎn)性起始發(fā)生的原因可能在一定程度上與σ 亞基1. 2區(qū)和β 亞基lobe 區(qū)不能正常打開(kāi)下游DNA 雙鏈有關(guān)［9］。另外，σ 亞基的3. 2 區(qū)在RNA 聚合酶中的位置、His-β1237的突變和β 亞基S531的突變均能改變流產(chǎn)性起始發(fā)生的水平［10-13］。

從流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄起始到全長(zhǎng)RNA 合成的轉(zhuǎn)換過(guò)程被稱(chēng)作啟動(dòng)子逃逸（promoter escape）［6］。流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本產(chǎn)生的原因也與啟動(dòng)子逃逸的過(guò)程密切相關(guān)。流產(chǎn)性起始產(chǎn)生的蜷縮模型認(rèn)為（見(jiàn)圖1），由圖可以看出：在轉(zhuǎn)錄的起始階段，RNA 聚合酶固定在啟動(dòng)子上并不移動(dòng)，而是將聚合酶下游的DNA 募集到聚合酶里來(lái)，DNA 在聚合酶里以單鏈泡形式堆積，在此過(guò)程中形成具有DNA 解旋應(yīng)力和DNA 壓縮應(yīng)力的中間體，其中累積的應(yīng)力用于破壞RNA 聚合酶與啟動(dòng)子DNA之間以及RNA聚合酶與起始因子之間的相互作用。當(dāng)RNA 聚合酶與啟動(dòng)子DNA 以及起始因子的作用力被破壞后，RNA 聚合酶才從啟動(dòng)子上逃逸進(jìn)入轉(zhuǎn)錄的延伸階段［14］，并且在轉(zhuǎn)錄的起始階段，當(dāng)新合成的轉(zhuǎn)錄本達(dá)6 nt和7 nt時(shí)，RNA 聚合酶有一個(gè)短暫的停留，這導(dǎo)致7 nt 和6 nt 長(zhǎng)的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本含量相對(duì)也較高［14,15］。研究發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)子序列與其保守序列越接近越不容易逃逸，所產(chǎn)生的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本就越多［16］。同時(shí)啟動(dòng)子序列還影響流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的長(zhǎng)度，15 nt 流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本就是在啟動(dòng)子突變的T5 噬菌體N25基因轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的［6］。

圖1 流產(chǎn)性起始的蜷縮模型

此外，流產(chǎn)性起始還受到起始轉(zhuǎn)錄序列、轉(zhuǎn)錄延伸因子GRE 等的影響。改變轉(zhuǎn)錄起始序列（如將A變成C，將G變成T）不影響轉(zhuǎn)錄起始階段轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成和總體起始轉(zhuǎn)錄的水平，但可以使全長(zhǎng)mRNA的合成降低10～25 倍［17,18］。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄延伸因子GRE 能降低流產(chǎn)性起始的發(fā)生。當(dāng)新生轉(zhuǎn)錄本3′端的-OH 不與RNA 聚合酶的催化位點(diǎn)接觸時(shí)，RNA 聚合酶停止轉(zhuǎn)錄。此時(shí)GRE能與停止轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶相互作用，誘導(dǎo)聚合酶對(duì)新生轉(zhuǎn)錄本的切割反應(yīng)，重新激活RNA 聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性［19,20］。通用轉(zhuǎn)錄因子TFIIB 則能促進(jìn)流產(chǎn)性起始的發(fā)生，在真核生物和古菌基因的轉(zhuǎn)錄起始階段，TFIIB 能通過(guò)促進(jìn)RNA 聚合酶的招募，從而刺激流產(chǎn)性起始的發(fā)生［21］。

3 流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本和流產(chǎn)性起始的生物學(xué)作用

眾所周知，生物體對(duì)自身基因表達(dá)以及物質(zhì)和能量代謝有著嚴(yán)格的調(diào)控機(jī)制。因此，流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本和流產(chǎn)性起始絕非是生命體無(wú)意義的行為。雖然目前關(guān)于流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本生物學(xué)作用和流產(chǎn)性起始的生物學(xué)意義知道的很少，但一些研究工作表明流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本是具有生物學(xué)作用的。在它們被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的40 多年里，研究人員對(duì)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的生物學(xué)作用進(jìn)行了深入探索，也取得了許多有意義的成果。

流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本有可能以引物的形式參與RNA 和DNA 的合成。通常，所有細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄起始都是利用單核苷酸作為起始逐一合成一條長(zhǎng)鏈RNA。但是體外關(guān)于引物依賴(lài)的轉(zhuǎn)錄起始研究表明，無(wú)論是真核生物還是原核生物的RNA 聚合酶都能利用2～8 nt長(zhǎng)度不等的寡聚核苷酸來(lái)引發(fā)轉(zhuǎn)錄的起始［22-30］。2011 年，Goldman 等發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌體內(nèi)的RNA 聚合酶利用2～4 nt人工合成的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本引發(fā)轉(zhuǎn)錄起始，同時(shí)發(fā)現(xiàn)能作為引物的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本在序列和長(zhǎng)度上有著極其嚴(yán)苛的要求，只有長(zhǎng)度在2 nt 到4 nt之間，序列與DNA 模板鏈互補(bǔ)，且5′端在-3到+1之間，3′端在+1 到+3 之間的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本才能夠作為引物促進(jìn)轉(zhuǎn)錄［31,32］。還有研究發(fā)現(xiàn)，原核生物T7 RNA 聚合酶通過(guò)合成引物啟動(dòng)DNA 的復(fù)制。φ1·1B 啟動(dòng)子的最短引物長(zhǎng)度是8 nt，因此8 nt 的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本可作為DNA 復(fù)制的引物。早期DNA 復(fù)制系統(tǒng)似乎利用了DNA 依賴(lài)性RNA 聚合酶的流產(chǎn)性循環(huán)，這種循環(huán)在“DNA World”出現(xiàn)前就已存在，原始RNA 聚合酶的進(jìn)化可以引發(fā)DNA 的復(fù)制。因此，流產(chǎn)性循環(huán)可能在“DNA World”的進(jìn)化中發(fā)揮著重要作用［33］。

流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本有轉(zhuǎn)錄抑制的作用。體外轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)表明，流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的長(zhǎng)度主要在2～10 nt，最長(zhǎng)到19 nt，且主要集中在2 nt、4 nt、6 nt 和7 nt［7,14］。研究發(fā)現(xiàn)如果通過(guò)抑制短鏈核酸酶的作用來(lái)增加細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)度小于或等于4 nt短寡核苷酸的濃度，一些基因的表達(dá)水平增加，但另一些基因的表達(dá)水平則降低［31］。根據(jù)Goldman 等總結(jié)的規(guī)律，2 nt 和3 nt 的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本可以促進(jìn)自身基因的轉(zhuǎn)錄，那么其余不能作為引物的短寡核苷酸則可能具有轉(zhuǎn)錄抑制作用，而大于或等于4 nt的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本并不符合上述作為引物的要求，所以也可能具有轉(zhuǎn)錄抑制作用。2016 年，Qin SW 等利用體外轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)時(shí)熒光定量PCR（quantitative real-time PCR, qRT-PCR）技術(shù)，檢測(cè)了3 個(gè)大腸桿菌基因meta（homoserine Osuccinyltransferase）、ompa（outer membrane porin A）和reca（recombinase A）的4 nt 和6 nt 流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本對(duì)自身基因和其它基因轉(zhuǎn)錄的影響，發(fā)現(xiàn)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本對(duì)自身和其它基因的轉(zhuǎn)錄均具有抑制作用，且最大抑制率可達(dá)7.5 倍（圖2），認(rèn)為流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本可能通過(guò)影響轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物的穩(wěn)定性從而影響轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行［34］。

流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本可能還有其他的生物學(xué)作用。研究還發(fā)現(xiàn)，噬菌體T710φ 基因產(chǎn)生的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本富含G，恰好能與其終止子上兩個(gè)5 nt和6 nt長(zhǎng)、富含C 的延伸序列相互作用，阻止發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，從而抑制轉(zhuǎn)錄終止［35］。含有短RNA的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的X射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)揭示了三種結(jié)構(gòu)狀態(tài)：一種是具有2 nt和3 nt 的RNA，其中只有RNA 的3'末端是可檢測(cè)的；第二種狀態(tài)是具有4 nt 和5 nt 的RNA，此時(shí)RNA-DNA雜合體具有嚴(yán)重扭曲的構(gòu)象；還有一種具有6 nt或更長(zhǎng)RNA 的第三種狀態(tài)，這種狀態(tài)基本上與穩(wěn)定的延伸復(fù)合物相同。從第一狀態(tài)到第二狀態(tài)的轉(zhuǎn)變與顯著降低的流產(chǎn)起始頻率有關(guān)。從第二狀態(tài)到第三狀態(tài)的轉(zhuǎn)變與部分“氣泡坍塌”（bubble collapse）和促進(jìn)啟動(dòng)子逃逸有關(guān)。學(xué)者推測(cè)在這個(gè)過(guò)程中流產(chǎn)性起始可能起著啟動(dòng)子控制的檢驗(yàn)點(diǎn)（checkpoint）和校正點(diǎn)（calibration point）作用［36］。

圖2 被不同流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本干擾后基因表達(dá)水平的變化

4 展望和小結(jié)

盡管流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本和流產(chǎn)性起始的發(fā)現(xiàn)至今已有40 余年，但依然存在許多未知的謎團(tuán)。目前對(duì)于流產(chǎn)性起始發(fā)生機(jī)制的研究相對(duì)較多，但對(duì)于流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的生物學(xué)功能研究仍然處于起步階段。制約流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本研究的瓶頸主要是自然產(chǎn)生的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)度一般不超過(guò)10 nt，用qRT-PCR 或常規(guī)探針?lè)椒o(wú)法對(duì)其進(jìn)行定量檢測(cè)。目前檢測(cè)較短流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的方法有兩種。其中一種是基于特定轉(zhuǎn)錄模板和P32標(biāo)記NTP 的體外轉(zhuǎn)錄實(shí)驗(yàn)，這種方法只能在體外通過(guò)放射自顯影技術(shù)檢測(cè)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的長(zhǎng)度和含量，并不能對(duì)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的序列進(jìn)行鑒別，也無(wú)法對(duì)機(jī)體內(nèi)自然產(chǎn)生的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行定性和定量分析。另一種則是利用鎖核酸探針對(duì)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行檢測(cè)。鎖核酸（locked nucleic acid,LNA）是一種類(lèi)寡核苷酸衍生物，其結(jié)構(gòu)中的β-D-呋喃核糖的2'-O、4'-C 位通過(guò)縮水作用形成剛性的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能降低單體中核糖結(jié)構(gòu)的柔韌性，增強(qiáng)局部磷酸骨架穩(wěn)定性。研究表明在探針的核酸序列中每增加一個(gè)鎖核酸單體能夠使寡核苷酸鏈的解鏈溫度提高2～8℃，從而提高其與目標(biāo)序列的結(jié)合能力，且比常規(guī)的寡核苷酸具有更高的專(zhuān)一性［37］。Goldman 等正是用鎖核酸探針實(shí)現(xiàn)了對(duì)啟動(dòng)子突變的T5噬菌體N25 基因產(chǎn)生的11 nt長(zhǎng)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的直接檢測(cè)［7］，該方法較第一種研究方法的優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)特定序列的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行體外檢測(cè)，但仍然無(wú)法對(duì)生物體內(nèi)自然產(chǎn)生且10 nt以下的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行定量檢測(cè)。目前，檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步很快，單分子檢測(cè)、熒光原位雜交等新技術(shù)正越來(lái)越多地得到應(yīng)用。如果能對(duì)機(jī)體內(nèi)的流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本實(shí)現(xiàn)定性和定量檢測(cè)，則可以在機(jī)體內(nèi)利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)人為干擾某一基因流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的含量，從而確定流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的生物學(xué)功能。同時(shí)，生物體內(nèi)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本比全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄本高幾十倍甚至上百倍的含量還使其具有成為腫瘤或其他疾病標(biāo)志物的潛在可能，在未來(lái)臨床分子診斷和檢測(cè)中有著潛在的應(yīng)用價(jià)值，一旦在檢測(cè)技術(shù)上取得突破，流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本將可能成為一種新型生物標(biāo)志物為人類(lèi)健康做出巨大貢獻(xiàn)。

總之，流產(chǎn)性起始的發(fā)生由RNA 聚合酶的結(jié)構(gòu)和RNA 轉(zhuǎn)錄起始的模式所決定，是RNA 轉(zhuǎn)錄中必不可少的一種生物學(xué)現(xiàn)象，普遍發(fā)生在一切以RNA 聚合酶為特征的生物的每一次轉(zhuǎn)錄中。目前，對(duì)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄發(fā)生的機(jī)制已基本了解，對(duì)其生物學(xué)作用知道的仍然不多，但其存在的廣泛性暗示其可能有重要的生物學(xué)作用，最新的研究也表明流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本在基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程中具有重要的調(diào)控作用。相信隨著對(duì)體內(nèi)10 nt 以下的寡核苷酸定量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，一定能有效解決目前流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的體內(nèi)定量檢測(cè)的問(wèn)題，也終將對(duì)流產(chǎn)性轉(zhuǎn)錄本的生物學(xué)功能作出闡釋。