Nat Microbiol：新研究揭示双向启动子在生命三界中普遍存在

与生物学教科书中通常描述的情况相反，细菌和古生菌（archaea，也译为古细菌）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（bidirectional promoter）。RNA聚合酶可以跳到双向启动子上，以一种方式或另一种方式产生mRNA转录物。这样的启动子并不罕见。

根据一项新的研究，大肠杆菌中19%的转录起始位点（transcription start site, TSS）都与双向启动子有关。相关研究结果近期发表在Nature Microbiology期刊上，论文标题为“Widespread divergent transcription from bacterial and archaeal promoters is a consequence of DNA-sequence symmetry”。

图片来源：https://www.nature.com/articles/s41564-021-00898-9

论文第一作者、英国伯明翰大学分子微生物学博士后研究员Emily Warman说，“我们很惊讶，虽然以前的研究描述了真核生物以及少数细菌和古生菌物种中的双向启动子，但是这项新的研究确定了异向转录（divergent transcription）--基因的双向读取--是在所有三个生命领域中保守的一个广泛的特征。”

在真核细胞中，DNA缠绕在组蛋白上并被包装成染色质。没有紧密缠绕的DNA片段可让RNA聚合酶和转录所需的其他蛋白质接触到。在某些情况下，这些区域包含两个方向相反的TSS，每条DNA链上各有一个TSS，因此也被称为TSS对（a pair of TSS, TSS pair）；这些TSS对可以相隔数百或数千个碱基对。科学家们已经在从酵母到小鼠巨噬细胞的多种真核细胞中发现了这些类型的双向启动子。

细菌没有组蛋白。但有些细菌确实有类似组蛋白的拟核结构蛋白（histone-like nucleoid structuring protein, H-NS蛋白），H-NS蛋白与DNA结合并帮助折叠细菌染色体。在2014年发表在Genes & Development期刊上的一项研究中，科学家们已发现，在大肠杆菌中，H-NS蛋白抑制了通过水平基因转移获得的启动子，其中水平基因转移是有机体之间除繁殖之外的遗传物质的传播（Genes & Development, 2014, doi:10.1101/gad.234336.113）。耐人寻味的是，他们注意到许多受到H-NS蛋白抑制的启动子用于表达非编码RNA，并且位于其他基因的中间。

当Warman是伯明翰大学David Grainger实验室的博士生时，她的第一项工作是通过将这类启动子插入质粒中的报告基因前面，并测量由此产生的基因表达，来描述这些启动子的活性。她说，“我们拥有的关于这些区域的许多信息并没有告诉我们转录会朝哪个方向运行。为了覆盖所有的碱基，我把所有这些区域都放在两个方向上。”令人惊讶的是，许多启动子片段在两个方向上都产生了活性，这意味着同一DNA片段可以在两个方向上驱动转录。

为了探索双向启动子是否在整个大肠杆菌基因组中普遍存在，Grainger及其研究团队分析了先前获得的用于绘制TSS对的数据集。他们发现了5292个异向转录的TSS对，它们相隔7到25个碱基对，但位于DNA的不同链上。这些TSS对占大肠杆菌中所有TSS的19%。它们之间最常见的距离是18个碱基对--比在真核细胞中观察到的距离近得多。这种较近的间距使得启动子元件（对RNA聚合酶的招募至关重要的DNA序列）在两条DNA链上彼此相对。因此，他们提出，RNA聚合酶可以在两个不同的方向上附着同一段DNA，并以任何一个方向启动转录。

不同细菌中单向启动子与双向启动子的比例相似，图片来自Nature Microbiology, 2021, doi:10.1038/s41564-021-00898-9。

他们继续检查了来自更多种类的细菌的TSS，发现异向转录的TSS对大量存在。在变形菌和放线菌中，TSS对通常相隔18或19个碱基对。他们还研究了以前发表的两个古细菌物种的TSS图谱，发现了许多异向转录的TSS对。

双向转录也是真核生物转录的一个特征，但重要的是，这篇论文显示，细菌中的双向转录机制不同于真核生物中的双向转录机制。

在2018年发表在BMC Genomics期刊上的一项研究中，科学家们在铜绿假单胞菌中报告了类似的发现（BMC Genomics, 2018, doi:10.1186/s12864-018-4538-8）。他们在相反的DNA链上发现了105个正好相隔18个碱基对的TSS对。他们仅研究了假单胞菌，发现了这些TSS对。它们显然在细菌和古生菌中无处不在。

在这项新的研究中，Grainger团队提出，双向启动子可能允许协调调节以相反方向运行的基因。例如，结合启动子区域的转录因子可以同时调控两个相邻基因的表达。这些分子细节和其他潜在形式的RNA依赖性调控仍未确定。

在2019年发表在Nature Microbiology期刊上的一项研究中，美国洛克菲勒大学生物物理学家Shixin Liu及其同事们对大肠杆菌的转录有一个补充性的发现：一些以相反方向运行的趋同基因共享一个双向的转录终止子（Nature Microbiology, 2019, doi:10.1038/s41564-019-0500-z）。

Liu说，细菌有相对紧凑的基因组。“这些[双向元件]似乎是在它们的较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趋同的基因。”

Warman说，双向启动子的普遍存在对于生物技术应用来说可能是值得注意的，科学家们的目标是使用高效的启动子来产生基因产品。“我认为这只是任何对基因表达感兴趣的人需要注意的事情。”

参考资料：

Emily A. Warman et al. Widespread divergent transcription from bacterial and archaeal promoters is a consequence of DNA-sequence symmetry. Nature Microbiology, 2021, doi:10.1038/s41564-021-00898-9.

Many Bacteria and Archaea Promoters Work Forward and Backward

https://www.the-scientist.com/news-opinion/many-bacteria-and-archaea-promoters-work-forward-and-backward-68830