Nat Microbiol：新研究揭示雙向啟動子在生命三界中普遍存在

與生物學教科書中通常描述的情況相反，細菌和古生菌（archaea，也譯為古細菌）可以在基因組上以相反的方向進行轉錄。這要歸功于雙向啟動子（bidirectional promoter）。RNA聚合酶可以跳到雙向啟動子上，以一種方式或另一種方式產生mRNA轉錄物。這樣的啟動子并不罕見。

根據一項新的研究，大腸桿菌中19%的轉錄起始位點（transcription start site, TSS）都與雙向啟動子有關。相關研究結果近期發表在Nature Microbiology期刊上，論文標題為“Widespread divergent transcription from bacterial and archaeal promoters is a consequence of DNA-sequence symmetry”。

圖片來源：https://www.nature.com/articles/s41564-021-00898-9

論文第一作者、英國伯明翰大學分子微生物學博士后研究員Emily Warman說，“我們很驚訝，雖然以前的研究描述了真核生物以及少數細菌和古生菌物種中的雙向啟動子，但是這項新的研究確定了異向轉錄（divergent transcription）--基因的雙向讀取--是在所有三個生命領域中保守的一個廣泛的特征。”

在真核細胞中，DNA纏繞在組蛋白上并被包裝成染色質。沒有緊密纏繞的DNA片段可讓RNA聚合酶和轉錄所需的其他蛋白質接觸到。在某些情況下，這些區域包含兩個方向相反的TSS，每條DNA鏈上各有一個TSS，因此也被稱為TSS對（a pair of TSS, TSS pair）；這些TSS對可以相隔數百或數千個堿基對。科學家們已經在從酵母到小鼠巨噬細胞的多種真核細胞中發現了這些類型的雙向啟動子。

細菌沒有組蛋白。但有些細菌確實有類似組蛋白的擬核結構蛋白（histone-like nucleoid structuring protein, H-NS蛋白），H-NS蛋白與DNA結合并幫助折疊細菌染色體。在2014年發表在Genes & Development期刊上的一項研究中，科學家們已發現，在大腸桿菌中，H-NS蛋白抑制了通過水平基因轉移獲得的啟動子，其中水平基因轉移是有機體之間除繁殖之外的遺傳物質的傳播（Genes & Development, 2014, doi:10.1101/gad.234336.113）。耐人尋味的是，他們注意到許多受到H-NS蛋白抑制的啟動子用于表達非編碼RNA，并且位于其他基因的中間。

當Warman是伯明翰大學David Grainger實驗室的博士生時，她的第一項工作是通過將這類啟動子插入質粒中的報告基因前面，并測量由此產生的基因表達，來描述這些啟動子的活性。她說，“我們擁有的關于這些區域的許多信息并沒有告訴我們轉錄會朝哪個方向運行。為了覆蓋所有的堿基，我把所有這些區域都放在兩個方向上。”令人驚訝的是，許多啟動子片段在兩個方向上都產生了活性，這意味著同一DNA片段可以在兩個方向上驅動轉錄。

為了探索雙向啟動子是否在整個大腸桿菌基因組中普遍存在，Grainger及其研究團隊分析了先前獲得的用于繪制TSS對的數據集。他們發現了5292個異向轉錄的TSS對，它們相隔7到25個堿基對，但位于DNA的不同鏈上。這些TSS對占大腸桿菌中所有TSS的19%。它們之間最常見的距離是18個堿基對--比在真核細胞中觀察到的距離近得多。這種較近的間距使得啟動子元件（對RNA聚合酶的招募至關重要的DNA序列）在兩條DNA鏈上彼此相對。因此，他們提出，RNA聚合酶可以在兩個不同的方向上附著同一段DNA，并以任何一個方向啟動轉錄。

不同細菌中單向啟動子與雙向啟動子的比例相似，圖片來自Nature Microbiology, 2021, doi:10.1038/s41564-021-00898-9。

他們繼續檢查了來自更多種類的細菌的TSS，發現異向轉錄的TSS對大量存在。在變形菌和放線菌中，TSS對通常相隔18或19個堿基對。他們還研究了以前發表的兩個古細菌物種的TSS圖譜，發現了許多異向轉錄的TSS對。

雙向轉錄也是真核生物轉錄的一個特征，但重要的是，這篇論文顯示，細菌中的雙向轉錄機制不同于真核生物中的雙向轉錄機制。

在2018年發表在BMC Genomics期刊上的一項研究中，科學家們在銅綠假單胞菌中報告了類似的發現（BMC Genomics, 2018, doi:10.1186/s12864-018-4538-8）。他們在相反的DNA鏈上發現了105個正好相隔18個堿基對的TSS對。他們僅研究了假單胞菌，發現了這些TSS對。它們顯然在細菌和古生菌中無處不在。

在這項新的研究中，Grainger團隊提出，雙向啟動子可能允許協調調節以相反方向運行的基因。例如，結合啟動子區域的轉錄因子可以同時調控兩個相鄰基因的表達。這些分子細節和其他潛在形式的RNA依賴性調控仍未確定。

在2019年發表在Nature Microbiology期刊上的一項研究中，美國洛克菲勒大學生物物理學家Shixin Liu及其同事們對大腸桿菌的轉錄有一個補充性的發現：一些以相反方向運行的趨同基因共享一個雙向的轉錄終止子（Nature Microbiology, 2019, doi:10.1038/s41564-019-0500-z）。

Liu說，細菌有相對緊湊的基因組。“這些[雙向元件]似乎是在它們的較小基因組中編碼更復雜的調節功能的一種方式，因此一個啟動子可以控制兩個不同的基因，或者一個終止子可以同時控制兩個趨同的基因。”

Warman說，雙向啟動子的普遍存在對于生物技術應用來說可能是值得注意的，科學家們的目標是使用高效的啟動子來產生基因產品。“我認為這只是任何對基因表達感興趣的人需要注意的事情。”

參考資料：

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