开始就是结束！Cell最新研究解密基因表达的另一层复杂性

我们DNA中的每个基因都有开始和结束。正确定义基因的末端对于产生功能性蛋白质至关重要。很多研究都是为了找出是什么决定了基因何时、何地以及在DNA的哪个位点“开始”。但是一个基因在哪里结束，是一个不同的故事。

　　

   

   

一个包含两个可能的起始点（TSS）和两个可能的终止点（TES）的基因实例。
基因模型中的黑框表示将被翻译成蛋白质的序列。传统的短读段mRNA测序，其中信号代表reads的积累，无法区分不同的分子。在长读测序中，每条水平线从头到尾代表一个mRNA分子。对于stathmin基因，我们可以看到TSS1预先决定了在TES1处结束，TSS2将导致TES2。

一个生物体中的所有细胞都含有相同的DNA序列。决定单个细胞和组织的身份和功能的，是一组在特定地点、特定时间活跃的基因。这些活性基因从DNA模板转录成不同的信使RNA (mRNA)分子，并编码细胞功能所需的蛋白质。

在称为启动子的特定位置，一个复杂的分子机制开始将DNA序列转录成mRNA。有趣的是，大多数基因包含多个转录开始或结束的可能位点。这意味着对于每个基因，取决于起始位点或终止位点，mRNA可以是不同的。在不同的变体中表达一个基因，将基因组的多样性和功能扩展了许多倍。与此同时，它为基因组研究增加了另一层复杂性。

从开始到结束的RNA快照

马克斯普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所的科学家们想知道每个基因使用多少个不同的起始和结束位点，以何种组合，以及这些组合在不同条件下是否不同。回答这个问题的技术问题是，我们必须从头到尾“读取”所有基因中的每一个mRNA分子。这是一项前所未有的艰巨任务，”MPI-IE研究小组负责人Valérie Hilgers表示。

为此，科学家们使用了一种改进的新一代测序技术来读取单个mRNA。对于传统的短读测序，每个mRNA被分解成更短的片段，这些片段被扩增，然后测序以产生“读”。然后使用生物信息学技术将这些读数像拼图一样拼凑成一个连续的序列。为了获得包括大脑在内的几个果蝇组织的全基因组的全长mRNA信息，Hilgers与MPI深度测序设施合作，优化了特定的长读测序技术。

“与广泛使用的标准测序相比，长读段测序允许检索更长的测序读段。然而，我们甚至必须优化这项技术，将典型的读取长度增加几倍，以在我们不同的模型系统中获得全长的mRNA信息，”文章一作Carlos Alfonso-Gonzalez说。除了果蝇，Hilgers实验室还在他们的研究中加入了一个人类神经系统模型，脑类器官——用诱导多能干细胞在培养皿中培养的“迷你大脑”。

转录终点是在转录开始时预先确定的

收集到的代表每个mRNA的全分子尺度的数据使我们对单个基因的转录有了前所未有的了解。“我们意识到，起始位点(TSS)和结束位点(TESs)不是随机组合在一起的，我们经常发现，转录起始位点与转录末端的不同位点特异性地联系在一起，”Hilgers说。这种联系实际上是因果关系:例如，在卵巢中，人工激活通常只在大脑中使用的TSS，会覆盖正常的TES，并人工诱导使用大脑TES。这表明TSS在塑造每个组织独特的RNA景观中起着关键作用，从而影响组织身份。

启动子优势驱动RNA多样性、基因功能和组织特性

然而，有一个现象引人注目。“某些TSSs表现出意想不到的支配行为。它们否定传统的信号来结束转录，胜过其他的tss，并导致不同的TESs的选择。因此，我们将他们命名为‘主导推动者’”。

此外，研究小组发现，这些显性启动子与其相关基因末端之间的相互作用是由不同的表观遗传特征引导的。重要的是，果蝇脑细胞的结果可以在人脑类器官中复制，表明启动子优势是一种保守的，也许是普遍的，调节功能蛋白和细胞功能产生的机制。

这种新机制的生理相关性是什么?通过深入的序列保守分析，Freiburg研究人员发现TSS和TESs表现出共同进化:在物种之间数百万年的进化中，从显性启动子开始的基因的个体核苷酸变化伴随着相应基因末端的变化。“我们将这一观察结果解释为进化过程中的一种‘推动’，以维持基因两端之间的相互作用，这意味着这些配对对动物的适应性具有重要意义，”Hilgers说。

文章标题

Sites of transcription initiation drive mRNA isoform selection