双向启动子可以协调调控反向运行的基因

　　新的分析发现，发散性转录(一个启动子引导两个相邻基因向相反方向表达)在生命的所有领域都是保守的。

　　与生物学教科书中描述的相反，细菌和古生菌可以在基因组上以相反的方向进行转录。这要归功于双向启动子——RNA聚合酶可以在DNA序列上跳动，并以或另一种方式移动产生mRNA转录本。

　　5月6日发表在Nature Microbiology上的一项研究指出，大肠杆菌中所有转录起始位点(TSSs)的19%都与双向启动子有关。

　　“我们真的很惊讶，”文章作者，英国伯明翰大学分子微生物学博士后Emily Warman说。虽然之前的研究描述了真核生物以及一些细菌和古细菌的双向启动子，但这项新的研究认为不同的转录：基因的双向解读是作为一个广泛存在于生命的特征。

　　生物学中的双向启动子

　　在真核细胞中，DNA缠绕在组蛋白周围，并打包成染色质。卷曲不紧密的DNA片段可以被RNA聚合酶和转录所需的其他蛋白质所获取。在某些情况下，这些区域包含两个tss，每个DNA链上一个，方向相反。这些tss可以被数百或数千个碱基对分开。科学家已经在从酵母到小鼠巨噬细胞的各种真核细胞中发现了这类双向启动子。

　　细菌没有组蛋白。但有些细菌确实含有类组蛋白类核结构(H-NS)蛋白，它与DNA结合并帮助折叠细菌染色体。在2014年发表在《基因与发展》(Genes & Development)杂志上的一项研究中，研究人员发现，在大肠杆菌中，H-NS抑制了通过水平基因转移获得的启动子，水平基因转移是生殖之外的生物体之间的遗传物质传输。有趣的是，他们注意到许多H-NS-c抑制的启动子是非编码RNA的，并且位于其他基因的中间。

　　Warman在伯明翰大学David Grainger实验室读博士时的第一份工作就是通过将这些启动子插入质粒的报告基因前，并测量由此产生的基因表达来表征这些启动子的活性。

　　她说:“我们掌握的关于这些区域的很多信息并不能告诉我们转录会朝哪个方向运行。”令人惊讶的是，许多启动子片段在两个方向上都产生活性，这意味着相同的DNA片段可以在两个方向上驱动转录。

　　为了探究双向启动子是否在大肠杆菌基因组中普遍存在，该团队分析了之前获得的用于绘制TSSs的数据集。他们发现了5292个不同的tss，它们之间相隔7到25个碱基对，但在不同的DNA链上。这些TSS对占大肠杆菌中所有TSS的19%。位点之间最常见的距离是18个碱基对，这比在真核细胞中观察到的距离要近得多。这种紧密的间隔将启动子元件(RNA聚合酶招募的关键DNA序列)置于两条DNA链的相反位置。因此，作者提出，RNA聚合酶可以以两种不同的方向附着在同一DNA片段上，并在两个方向上启动转录。

　　他们继续研究了来自更多细菌种类的TSS，发现了大量的差异对。在变形菌门和放线菌门中，TSS对通常间隔18或19个碱基对。该团队还查看了之前发表的两个古物种的TSS地图，并发现了许多不同的TSS对。

　　“双向转录也是真核生物转录的一个特征，但重要的是，这篇论文表明细菌的机制不同于真核生物的机制。”

　　在2018年发表在《BMC Genomics》上的一项研究中，研究人员在铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)中报告了类似的发现，铜绿假单胞菌是一种导致人类感染的病原体。他们在相反的链上发现了105对TSS，正好相隔18个碱基对。

　　“我们只是观察了假单胞菌，我们发现了它们，并认为它不寻常，”文章另一位作者Peter Unrau说，“它们显然在细菌和古细菌中无处不在，这真的很酷。”

　　双向的基因调控

　　作者提出双向启动子可以协调调控反向运行的基因。例如，结合一个启动子区域的转录因子可以同时调节两个相邻基因的表达。这些分子细节和其他潜在的RNA依赖调控形式仍然是悬而未决的问题。

　　在2019年发表在Nature Microbiology上的一项研究中，洛克菲勒大学生物物理学家Shixin Liu及其同事对大肠杆菌的转录做出了一个互补的发现：一些相互趋同的基因共享一个双向转录终止子。

　　细菌的基因组相对紧凑，“这些[双向元件]似乎是在它们的小基因组中编码更复杂的调节功能的一种方式，因此一个启动子可以控制两个不同的基因，或者一个终止子可以同时控制两个convergent基因。”

　　双向启动子的普遍应用可能值得注意，因为在生物技术领域，科学家的目标是利用有效的启动子产生基因产品。“我认为这是任何对基因表达感兴趣的人都需要知道的事情。”