综述：转录因子对mRNA稳定性的调控延伸

《Trends Open》：Extending the reach of transcription factors to mRNA stability

　　

转录因子（Transcription factors，TFs）传统上被视为通过结合DNA调控基因转录的蛋白质。尽管它们在共转录RNA加工中的作用已得到充分证实，但其对下游转录后事件的贡献相对而言仍未得到充分探索。本文综述了新兴证据，表明TFs能够以基因特异性的方式直接调控mRNA稳定性，从而将其调控影响延伸至mRNA生命周期的各个阶段。研究人员重点阐述了多种机制，包括共转录mRNA印记（cotranscriptional mRNA imprinting）、RNA修饰途径的调控、mRNA降解因子的招募，以及直接结合顺式作用mRNA元件。这些发现揭示了TFs与RNA结合蛋白（RNA-binding proteins，RBPs）之间出乎意料的交汇，扩展了当前的基因调控模型，并将mRNA稳定性确立为TF功能中一个重要但长期被低估的维度。

转录因子在mRNA生命周期中的作用

基因表达受到精密调控，以确保基因产物以细胞身份和功能所需的时空精度被合成。这些调控网络的破坏可导致发育缺陷、代谢紊乱及癌症等疾病。基因表达始于细胞核，RNA聚合酶II（RNA polymerase II，RNAPII）复合物、通用转录因子、序列特异性TFs及多种共激活因子在启动子处组装以启动转录。在转录过程中，新生的前体mRNA经历广泛的共转录加工，包括在5′端添加7-甲基鸟苷（m⁷G）帽、通过剪接去除内含子，以及在切割后于3′端添加多聚腺苷酸[poly(A)]尾。成熟mRNA被输出至细胞质，根据细胞需求进行翻译、储存或降解。

mRNA生命周期的所有阶段在功能上相互关联，形成一个确保基因表达稳健且适应性调控的整合网络。在该网络中，TFs发挥核心作用。通过结合启动子或增强子中的特定DNA基序，TFs招募或稳定RNAPII及基础转录机器以调控转录起始。它们还通过与共激活因子、染色质重塑因子和组蛋白修饰酶的相互作用调节染色质可及性，并参与塑造转录状态的3D基因组组织。除起始外，TFs还影响启动子近端暂停和延伸动力学，从而影响加帽、剪接和3′端加工等共转录过程。

其中，剪接是TF直接参与的最佳特征化例子之一。除调控剪接因子的表达外，TFs还可通过动力学和空间偶联机制直接影响剪接位点选择。尽管TFs被认为是早期基因表达的多功能调控因子，但它们在mRNA生命周期后期阶段（尤其是mRNA降解）中的作用直到最近才被发现。本文综述了TFs直接调控mRNA稳定性（mRNA生命周期的最终阶段）的新兴证据，超越了其对降解因子表达的间接效应。

mRNA降解的原理与途径

mRNA降解并非仅仅是对缺陷或过时转录本的处理过程，而是基因表达网络中一个严格调控的组成部分。转录本半衰期在不同基因、细胞类型、发育阶段和环境条件之间差异显著，从而实现快速可逆的基因表达调控。相应地，mRNA稳定性的调控在发育、应激适应、细胞周期进程和衰老中发挥关键作用。

真核细胞使用多种mRNA降解途径，包括一般周转机制和靶向异常转录本的特化质量控制体系。在细胞核中，5′–3′外切核糖核酸酶2（XRN2）和RNA外泌体等监视因子消除加工不当的转录本，并与转录和RNA加工紧密偶联。在细胞质中，质量控制性降解途径与翻译相关联，由异常翻译事件触发，包括无义介导的降解（nonsense-mediated decay，NMD）、非终止降解（nonstop decay，NSD）、无进展降解（no-go decay，NGD）和密码子最优性介导的降解。在这些特化监视途径之外，大多数组成性mRNA周转通过细胞质中依赖脱腺苷化的机制发生。

脱腺苷化：mRNA降解的切入点

大多数mRNA以5′ m⁷G帽和3′ poly(A)尾的形式输出至细胞质，poly(A)尾由多聚腺苷酸结合蛋白（poly(A)-binding proteins，PABPs）结合。这些结构之间的相互作用促进保护性的“闭合环”构象，增强翻译并保护转录本免受外切核酸酶降解。因此，有效的mRNA降解通常需要破坏这种保护性构象，并以poly(A)尾缩短（即脱腺苷化）为开端。

脱腺苷化通常被认为是细胞质mRNA降解的第一个承诺性且限速的步骤。它主要由两种脱腺苷酶复合物介导：poly(A)-核酸酶（PAN）2和3（PAN2–PAN3）以及Carbon Catabolite Repression 4-Negative On TATA-less（CCR4–NOT）。PAN2–PAN3优先缩短长poly(A)尾。CCR4–NOT是一个围绕支架蛋白CNOT1组织的大型多功能复合物，包含两个催化亚基CAF1和CCR4，以及非催化亚基CNOT2、CNOT3、CNOT9、CNOT10和CNOT11。经典的双相模型提出PAN2–PAN3起始脱腺苷化，之后CCR4–NOT完成尾去除。然而，近期研究表明CCR4–NOT是全局mRNA稳定性的主导调控因子，而PAN2–PAN3可能在特定转录本或特定环境中发挥作用。一旦poly(A)尾缩短至保护性PABPC足迹（约30 nt）以下，转录本便易受脱帽和XRN1（5′–3′方向）或RNA外泌体（3′–5′方向）的外切核酸降解。

5′–3′和3′–5′降解途径

脱腺苷化后，细胞质mRNA降解最常通过5′脱帽进行。该反应由mRNA脱帽酶2（DCP2）与其辅因子DCP1形成的复合物催化。DCP1–DCP2复合物的组装和活性受多种辅助因子调控，包括脱帽增强子（EDC1–4）、Like-Sm蛋白（LSM1–7）复合物、mRNA加工体组装因子LSM14A和PATL1，以及DEAD-box RNA解旋酶6（DDX6）。值得注意的是，PATL1/LSM1–7复合物优先结合寡腺苷酸化转录本，将CCR4–NOT介导的脱腺苷化完成与脱帽起始联系起来。脱帽后的mRNA随后被外切核酸酶XRN1以5′–3′方向降解。作为替代途径，脱腺苷化的转录本可由细胞质RNA外泌体从3′端降解，该途径依赖于DIS3样外切核酸酶1（DIS3L1）和RNA解旋酶SKI2，但在整体细胞质降解中不如脱帽–XRN1途径显著。

mRNA稳定性的分子决定因素

mRNA稳定性由内在顺式作用特征与解读它们的反式作用因子之间的相互作用所决定。顺式作用特征包括被RBPs、miRNAs和长链非编码RNA（lncRNAs）识别的序列和结构元件，以及表观转录组修饰、提前终止密码子、密码子最优性和整体核苷酸组成。稳定性相关RBP的结合位点和miRNA靶位点通常富集于3′ UTR，而RNA修饰（如m⁶A和m⁵C）则优先位于终止密码子和翻译起始位点附近。mRNA稳定性调控的结果反映了结合在同一转录本上的多个稳定化和去稳定化因子的组合作用。

RNA序列基序与结构

序列基序，尤其是3′ UTR内的基序，作为RBPs和非编码RNA的对接平台。其中，AU富集元件（AREs）是特征最明确的顺式调控基序之一，在编码早期反应基因、细胞因子、生长因子和原癌基因的短寿命转录本中尤为富集。大多数ARE结合蛋白通过招募CCR4–NOT复合物、5′–3′和3′–5′降解机器或miRNA途径组分来促进转录本降解。三脯氨酸蛋白（TTP）是典型的去稳定化ARE-BP。相反，AUF1和HuR等ARE-BP通常通过竞争去稳定化ARE-BP或遮蔽miRNA结合位点来稳定靶mRNA。序列依赖性调控还通过miRNAs介导，miRISC通过GW182介导招募PAN2–PAN3和CCR4–NOT复合物。许多RBPs通过一级序列与局部结构的组合识别RNA。RNA二级和三级结构构成真正的顺式调控元件，可招募结构特异性RBPs或调节附近调控基序的可及性。RNA解旋酶UPF1是结构依赖性mRNA降解的核心介导因子，在NMD之外还参与Staufen蛋白（STAU1和STAU2）、SLBP、G3BP1、ZC3H12A和TRIM71等多条途径。Staufen介导的降解（SMD）是这一原理的最佳特征化例子，其中Staufen蛋白结合双链RNA结构。近期转录组范围分析表明，至少某些形式的SMD可独立于UPF1发生。

RNA修饰

化学修饰引入了统称为表观转录组的额外调控层。其中，m⁶A是蛋白编码转录本中最丰富的内部修饰，也是mRNA稳定性的主要决定因素。m⁶A由METTL3–METTL14–WTAP甲基转移酶复合物共转录沉积，由专门的阅读蛋白解读，并由去甲基化酶ALKBH5或FTO去除。m⁶A的功能结果主要取决于其被YTH结构域蛋白（YTHDC1、YTHDC2和YTHDF1–3）的识别。YTHDF蛋白通常通过将甲基化mRNA偶联至CCR4–NOT依赖性脱腺苷化、内切核酸切割或XRN1介导的降解来促进转录本降解。相比之下，IGF2BP1–3通过识别GG(m⁶A)C基序来稳定转录本。

TFs作为mRNA稳定性的新兴调控因子

TFs可能直接调控mRNA稳定性的观点源于启动子身份可决定其产生的转录本的细胞质命运的意外观察。酵母中的两项开创性研究独立证明了启动子序列决定特定酵母mRNA的半衰期，且不依赖于转录本编码的顺式元件，从而确立了共转录mRNA印记的概念——即转录过程中沉积到新生转录本上的因子影响其细胞质命运。印记因子的候选者包括RNAPII亚基二聚体Rpb4/7和CCR4–NOT复合物。Rpb4/7在延伸过程中与新生转录本结合，随后穿梭至细胞质并与多种降解因子相互作用。启动子结合的TFs可能提供缺失的特异性层。许多TFs在细胞核和细胞质之间穿梭，且越来越多的TFs被证明可直接结合RNA。

TFs通过共转录mRNA印记调控mRNA稳定性

酵母裂指蛋白1（Sfp1）是特征最佳化的TF直接介导共转录mRNA印记的例子。Sfp1被招募至启动子，随后以Rpb4依赖性方式随延伸中的RNAPII移动。通过促进RNAPII回溯，Sfp1从聚合酶转移至新生转录本，随后促进转录本稳定化。Sfp1通过限制CCR4–NOT依赖性脱腺苷化来稳定靶转录本，从而将转录激活与延长的mRNA稳定性偶联。Sfp1依赖性印记仅影响其转录靶标的一个子集，表明存在额外决定因素参与转录本选择性。

TFs通过表观转录组调控mRNA稳定性

SMAD2和SMAD3在人类胚胎干细胞中与METTL3–METTL14–WTAP m⁶A甲基转移酶复合物物理结合。在活跃信号下，SMAD2/3促进WTAP招募和这些转录本上的共转录m⁶A沉积，为随后的细胞质降解做准备。这种m⁶A依赖性去稳定化促进多能性退出。相反，ZNF217通过将METTL3隔离在催化失活的复合物中来限制m⁶A沉积，从而稳定SOX2、KLF4、NANOG、MYC和CCND1等转录本并维持多能性。此外，YBX蛋白可作为表观转录组标记的阅读器。YBX1通过其保守的冷休克结构域结合m⁵C修饰的RNA，并通过招募HuR等保护性RBP促进其稳定化。YBX1还通过组装稳定化mRNP复合物来稳定c-MYC和BCL2等致癌m⁶A修饰转录本，该过程不涉及对m⁶A的直接识别。

TFs通过直接招募mRNA降解机器调控mRNA稳定性

糖皮质激素受体（GR）通过其DNA结合结构域高亲和力结合主要位于5′ UTR的GC富集RNA发夹结构。配体结合诱导mRNA结合的GR发生构象变化，促进衔接蛋白PNRC2的招募，组装包含UPF1和DCP1A的降解复合物，该途径被称为GR介导的降解（GMD）。GMD独立于翻译和外显子连接复合物。孕烷X受体（PXR）结合转录本中的GC富集茎环结构，并通过招募RNase抑制剂RNH1来稳定它们。KLF4通过其ZnF与STAU1相互作用，增强STAU1向靶mRNA的招募，通过依赖DDX5和DDX17而非UPF1的非经典SMD样途径触发降解。ERG通过涉及RBPMS和CCR4–NOT的三方相互作用促进mRNA降解。RBPMS将ERG招募至靶转录本，而ERG通过CNOT2与NOT模块结合触发降解。ERG降解靶标富集有丝分裂调控因子如AURKA和AURKB。融合癌蛋白EWSR1::FLI1通过EWSR1来源的内在无序区（IDR）招募CCR4–NOT，通过FLI1来源区域招募HuR，将HuR从稳定化因子转变为mRNA降解促进因子。EBF1通过其DBD与CCR4–NOT亚基CNOT3相互作用，该相互作用的破坏改变EBF1调控基因子集的转录和mRNA稳定性。

TFs通过直接识别mRNA特征调控mRNA稳定性

ARID5A是ARID家族的双功能成员，兼具TF和RBP活性。在细胞质中，ARID5A通过结合靶转录本3′ UTR内的结构化元件并阻止降解促进因子的进入来稳定转录本。ARID5A最初被发现结合IL6 3′ UTR中的茎环结构，从而阻断内切核糖核酸酶ZC3H12A的招募并稳定转录本。类似机制随后在STAT3、NFKBIZ、CXCL1和CXCL5等免疫相关转录本中被描述。YBX1和YBX3也通过直接结合mRNA发挥稳定化作用。CLIP-seq分析显示YBX1与转录组的很大一部分结合，对主要位于编码区和3′ UTR的CAUC基序有适度偏好。YBX蛋白被认为通过限制降解促进RBP的进入来稳定转录本。YBX3结合3′ UTR并稳定CDKN1A、SLC7A5和SLC3A2等转录本。

结论与展望

TFs对mRNA稳定性的调控在机制上具有多样性且高度依赖上下文。不同TFs，甚至同一TF在不同环境中，可参与多条机制独立的途径来稳定或去稳定靶转录本。这种调控并不局限于特定TF家族。尽管调控mRNA稳定性的TFs缺乏明显的保守序列或结构特征，但它们通常富集IDR或低复杂度区域，提示TF可能通过高阶mRNP组装和液-液相分离来调控mRNA稳定性。转录与转录后调控的协调程度、TF介导调控的亚细胞定位、与RNA监视途径的关系，以及其在人类疾病中的贡献，仍是重要的未解问题。