第31卷第1期2019年3月塔里木大学学报
Journal of Tarim University
Vol.31No.1
Mar.2019
文章编号：1009-0568（2019）01-0024-06
流产性转录本及流产性起始的研究现状和进展
闫伟伟1秦少伟1赵利峰1,2*
（1塔里木大学生命科学学院，新疆阿拉尔843300）
（2新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室—国家省部共建培育基地，新疆阿拉尔843300）
摘要流产性转录本（abortive transcript,AT），作为一种特殊的非编码RNA是流产性起始（abortive initiation,AI）的转录产物。流产性起始已被证明是转录起始过程中不可或缺的一步，与RNA聚合酶的结
构和RNA转录起始的过程密切相关。流产性起始的意义或者说流产性转录本的作用目前仍然未知，但其发生的高频性及存在的广泛性说明其可能有重要的生物学作用。已有研究表明，4nt以下的流产性转录本能以引物的形式促进转录，更长的流产性转录本则有转录抑制的作用，还发现一些流产性转录本可能会影响转录终止，但这些研究结果还有待被进一步确认。目前对流产性转录本研究的主要瓶颈是没有方法可以对其进行定性和定量检测。随着检测技术的发展，流产性转录本的生物学功能将被阐释和证明，并有可能成为一种新型生物标志物从而为人类的健康服务。本文就流产性起始和流产性转录本的发现、发生机制、生物学作用以及目前研究中存在的问题等方面进行综述，为进一步了解和研究基因转录调控的分子机制提供依据和参考。
关键词流产性转录本；流产性起始；非编码RNA；转录
盐焗中图分类号：Q74文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2019.01.005
Abortive Transcripts and Abortive Initiation:
Current Status and Rearch Progress
Yan Weiwei1Qin Shaowei1Zhao Lifeng1,2*
(1College of Life Sciences,Tarim University,Alar,Xinjiang843300)
(2Key Laboratory of Protection and Utilization of Biological Resources in Tarim Basin，
Xinjiang Production and Construction Group,Alar,Xinjiang843300)
Abstract Abortive transcript（AT）,as a special type of non-coding RNAs,is a transcriptional product of abortive initiation（AI）. Abortive initiation has been shown to be an integral step in the transcription initiation process,and tied to the promoter escape reaction undergone by RNA polymera at the initiation-elongation transition.Although the significance of transcription initiation and function of abortive transcript is still unknown at prent,the generality of their occurrence suggests that they may have an important biological role.Previous studies indicated that the abortive transcripts who length are less than4nt promoted transcription as primers,while the longer ones inhibited transcription.Moreover,some abortive transcripts also affected transcription termination.However,the results need to be further confirmed.At prent,the main bottleneck of abortive transcript study is the lack of qualitative and quantitative de⁃tection methods.With the development of detection technology,the biological function of abortive transcripts will be revealed and dem⁃onstrated,and the short RNAs will become a novel biological marker to rve human health.This article reviewed the discovery, mechanism,biological function and problems in current rearch on abortive initiation and abortive transcript,which provides a basis and reference for furthe
r understanding and rearch on the mechanism of gene transcriptional regulation.
Key words abortive transcript;abortive initiation;non-coding RNA;transcription
收稿日期：2018-11-08
基金项目：塔里木大学校长基金重大培育项目“外周血中可标志宫颈癌的流产性转录本筛选”（TDZKZD201801）
作者简介：闫伟伟（1995-），男，2018级在读硕士研究生，研究方向为非编码RNA的生物学功能。E-mail:
*为通讯作者E-mail:
第1期
流产性转录本（abortive transcript,AT）是一类特殊的非编码RNA，是指在基因转录的起始阶段由RNA聚合酶重复合成并释放的许多短片段初生RNA，该现象被称为流产性起始［1-3］。自被发现以来，流产性起始的发生机制以及流产性转录本的生物学作用一直都是一个未解之谜。为此国内外科研人员也在不停地对它们进行着探索。近年来随着实验技术的发展，它们的神秘面纱也在被逐渐揭开。
1流产性转录本和流产性起始的发现1976年Johnston等在冷泉港实验室发现，RNA 聚合酶的延伸反应在缺少两种NTP的转录体系中被阻止，出乎意料的是，这些新生RNA被快速释放出来。然而他们很快又有了新的发现：当四种NTP 均存在的情况下RNA聚合酶开始转录后仍然产生长度不等的流产性RNA，长度范围为2～8nt［4］。1980年，Carpousis等再一次在体外实验中检测到了2～6nt长度不等的流产性RNA，并将其命名为流产性转录本（abortive transcript,AT）。同时发现在所有长度不等的流产性转录本中，2nt长的占比例最大，约占总量的50%［5］。后来其他研究者在体外转录实验中也得到了类似的研究结果，发现流产性转录本的长度一般在2～10nt之间，最长可达19nt［6］。流产性起始的重复过程被称为流产性循环，通常要经过10～100个循环以后，RNA聚合酶才能从启动子上逃逸出来，开始正常转录。体外实验发现，流产性起始普遍发生在细菌、古菌、真核生物和噬菌体等基因转录起始阶段［6］。2009年Goldman等首次在大肠杆菌（Escherichia coli）体内证明了流产性起始现象的存在［7］。
贴山靠2流产性转录本和流产性起始的发生机制及影响因素
流产性转录本和流产性起始一经发现就立刻引起了世界各地科学家的兴趣。自它们被发现以来的40余年时间里，流产性转录本与流产性起始的研究从未间断，科学家们对流产性转录本和流产性起始的发生机制研究也有了许多成果。
研究发现，流产性转录本的发生和RNA聚合酶中σ亚基的结构有关。σ亚基中连接其2个功能域（σ3和σ4）之间的链环靠近RNA聚合酶的活性位点，且位于全酶释放RNA产物的通道内，可能具有阻止RNA产物延伸的作用。该链环与初生RNA之间对该通道的占据存在竞争作用，当链环赢得竞争时，初生RNA则以流产性产物—流产性转录本的形式释放出来；当RNA分子链成功延伸超过12nt时，新生成的RNA链则可将该链环置换出来，这时流产性起始停止［8］。σ亚基的1.2区能够与转录起始位点-4位发生作用，从而促进转录起始位点下游DNA解旋，但该过程中σ亚基1.2区需要β亚基lobe区的协助，流产性起始发生的原因可能在一定程度上与σ亚基1.2区和β亚基lobe区不能正常打开下游DNA双链有关［9］。另外，σ亚基的3.2区在RNA聚合酶中的位置、His-β1237的突变和β亚基S531的突变均能改变流产性起始发生的水平［10-13］。
从流产性转录起始到全长RNA合成的转换过程被称作启动子逃逸（promoter escape）［6］。流产性转录本产生的原因也与启动子逃逸的过程密切相关。流产性起始产生的蜷缩模型认为（见图1），由图可以看出：在转录的起始阶段，RNA聚合酶固定在启动子上并不移动，而是将聚合酶下游的DNA募集到聚合酶里来，DNA在聚合酶里以单链泡形式堆积，在此过程中形成具有DNA解旋应力和DNA压缩应力的中间体，其中累积的应力用于破坏RNA聚合酶与启动子DNA之间以及RNA聚合酶与起始因子之间的相互作用。当RNA聚合酶与启动子DNA以及起始因子的作用力被破坏后，RNA聚合酶才从启动子上逃逸进入转录的延伸阶段［14］，并且在转录的起始阶段，当新合成的转录本达6nt和7nt时，RNA
聚合酶有一个短暂的停留，这导致7nt和6nt长的流产性转录本含量相对也较高［14,15］。研究发现，启动子序列与其保守序列越接近越不容易逃逸，所产生的流产性转录本就越多［16］。同时启动子序列还影响流产性转录本的长度，15nt流产性转录本就是在启动子突变的T5噬菌体N25基因转录实验中发现的［6］。
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塔里木大学学报第31卷
图1流产性起始的蜷缩模型
注：A实验证明，RNA聚合酶前缘相对于-10/-35间隔DNA没有移动。B实验证明RNAP后缘相对于-10/-35间隔DNA 没有移动。（引自Kapanidis等2006）
此外，流产性起始还受到起始转录序列、转录延伸因子GRE等的影响。改变转录起始序列（如将A 变成C，将G变成T）不影响转录起始阶段转录复合物的形成和总体起始转录的水平，但可以使全长mRNA 的合成降低10~25倍［17,18］。研究发现，转录延伸因子GRE能降低流产性起始的发生。当新生转录本3′端的-OH不与RNA聚合酶的催化位点接触时，RNA聚合酶停止转录。此时GRE能与停止转录的RNA聚合酶相互作用，诱导聚合酶对新生转录本的切割反应，重新激活RNA聚合酶的转录活性
［19,20］。通用转录因子TFIIB则能促进流产性起始的发生，在真核生物和古菌基因的转录起始阶段，TFIIB能通过促进RNA聚合酶的招募，从而刺激流产性起始的发生［21］。
3流产性转录本和流产性起始的生物学作用
众所周知，生物体对自身基因表达以及物质和能量代谢有着严格的调控机制。因此，流产性转录本和流产性起始绝非是生命体无意义的行为。虽然目前关于流产性转录本生物学作用和流产性起始的生物学意义知道的很少，但一些研究工作表明流产性转录本是具有生物学作用的。在它们被发现以来的40多年里，研究人员对流产性转录本的生物学作用进行了深入探索，也取得了许多有意义的成果。
流产性转录本有可能以引物的形式参与RNA和
DNA的合成。通常，所有细胞中转录起始都是利用
花香扑鼻单核苷酸作为起始逐一合成一条长链RNA。但是体
教法与学法有哪些
外关于引物依赖的转录起始研究表明，无论是真核
生物还是原核生物的RNA聚合酶都能利用2～8nt 长度不等的寡聚核苷酸来引发转录的起始［22-30］。2011年，Goldman等发现在大肠杆菌体内的RNA聚
合酶利用2～4nt人工合成的流产性转录本引发转录
起始，同时发现能作为引物的流产性转录本在序列
和长度上有着极其严苛的要求，只有长度在2nt到金刚藤咀嚼片
4nt之间，序列与DNA模板链互补，且5′端在-3到+1
之间，3′端在+1到+3之间的流产性转录本才能够作为引物促进转录［31,32］。还有研究发现，原核生物T7RNA聚合酶通过合成引物启动DNA的复制。φ1·1B启动子的最短引物长度是8nt，因此8nt的流产性转录本可作为DNA复制的引物。早期DNA复
制系统似乎利用了DNA依赖性RNA聚合酶的流产
性循环，这种循环在“DNA World”出现前就已存在，
原始RNA聚合酶的进化可以引发DNA的复制。因
此，流产性循环可能在“DNA World”的进化中发挥着重要作用［33］。
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第1期
流产性转录本有转录抑制的作用。体外转录实验表明，流产性转录本的长度主要在2～10nt，最长到19nt，且主要集中在2nt、4nt、6nt和7nt［7,14］。研究发现如果通过抑制短链核酸酶的作用来增加细胞内长度小于或等于4nt短寡核苷酸的浓度，一些基因的表达水平增加，但另一些基因的表达水平则降低［31］。根据Goldman等总结的规律，2nt和3nt的流产性转录本可以促进自身基因的转录，那么其余不能作为引物的短寡核苷酸则可能具有转录抑制作用，而大于或等于4nt的流产性转录本并不符合上述作为引物的要求，所以也可能具有转录抑制作用。2016年，Qin SW等利用体外转录实验结合实时荧光定量PCR（quantitative real-time PCR,qRT-PCR）技术，检测了3个大肠杆菌基因meta（homorine O-succinyltransfera）、ompa（outer membrane porin A）和reca（recombina A）的4nt和6nt流产性转录本对自身基因和其它基因转录的影响，发现流产性转录本对自身和其它基因的转录均具有抑制作用，且最大抑制率可达7.5倍（图2），认为流产性转录本可能通过影响转录延伸复合物的稳定性从而影响转录的进行［34］。
流产性转录本可能还有其他的生物学作用。研究还发现，噬菌体T710φ基因产生的流产性转录本富含G，恰好能与其终止子上两个5nt和6nt长、富含C的延伸序列相互作用，阻止发夹结构的形成，从而抑制转录终止［35］。含有短RNA的转录复合物的X射线晶体结构揭示了三种结构状态：一种是具有2nt和3nt的RNA，其中只有RNA的3'末端是可检测的；第二种状态是具有4nt和5nt的RNA，此时RNA-DN
A 杂合体具有严重扭曲的构象；还有一种具有6nt或更长RNA的第三种状态，这种状态基本上与稳定的延伸复合物相同。从第一状态到第二状态的转变与显著降低的流产起始频率有关。从第二状态到第三状态的转变与部分“气泡坍塌”（bubble collap）和促进启动子逃逸有关。学者推测在这个过程中流产性起始可能起着启动子控制的检验点（checkpoint）和校正点（calibration point）作用［36］。
图2被不同流产性转录本干扰后基因表达水平的变化
注：图中c为对照，M4、O4、R4、M6、O6、R6分别代表meta、ompa、reca三个基因的与其4nt和6nt的流产性转录本序列相同的人工合成的寡聚核苷酸（引自Qin S W等,2016）。
4展望和小结
腐竹做法尽管流产性转录本和流产性起始的发现至今已有40余年，但依然存在许多未知的谜团。目前对于流产性起始发生机制的研究相对较多，但对于流产性转录本的生物学功能研究仍然处于起步阶段。制约流产性转录本研究的瓶颈主要是自然产生的流产性转录本长度一般不超过10nt，用qRT-PCR或常规
探针方法无法对其进行定量检测。目前检测较短流闫伟伟等：流产性转录本及流产性起始的研究现状和进展27
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产性转录本的方法有两种。其中一种是基于特定转录模板和P32标记NTP的体外转录实验，这种方法只能在体外通过放射自显影技术检测流产性转录本的长度和含量，并不能对流产性转录本的序列进行鉴别，也无法对机体内自然产生的流产性转录本进行定性和定量分析。另一种则是利用锁核酸探针对
流产性转录本进行检测。锁核酸（locked nucleic acid, LNA）是一种类寡核苷酸衍生物，其结构中的β-D-呋喃核糖的2'-O、4'-C位通过缩水作用形成刚性的结构，该结构能降低单体中核糖结构的柔韧性，增强局部磷酸骨架稳定性。研究表明在探针的核酸序列中每增加一个锁核酸单体能够使寡核苷酸链的解链温度提高2～8℃，从而提高其与目标序列的结合能力，且比常规的寡核苷酸具有更高的专一性［37］。Gold-man等正是用锁核酸探针实现了对启动子突变的T5噬菌体N25基因产生的11nt长流产性转录本的直接检测［7］，该方法较第一种研究方法的优势是可以对特定序列的流产性转录本进行体外检测，但仍然无法对生物体内自然产生且10nt以下的流产性转录本进行定量检测。目前，检测技术的发展进步很快，单分子检测、荧光原位杂交等新技术正越来越多地得到应用。如果能对机体内的流产性转录本实现定性和定量检测，则可以在机体内利用转基因技术人为干扰某一基因流产性转录本的含量，从而确定流产性转录本的生物学功能。同时，生物体内流产性转录本比全长转录本高几十倍甚至上百倍的含量还使其具有成为肿瘤或其他疾病标志物的潜在可能，在未来临床分子诊断和检测中有着潜在的应用价值，一旦在检测技术上取得突破，流产性转录本将可能成为一种新型生物标志物为人类健康做出巨大贡献。
总之，流产性起始的发生由RNA聚合酶的结构和RNA转录起始的模式所决定，是RNA转录中必不可少的一种生物学现象，普遍发生在一切以RNA聚合酶为特征的生物的每一次转录中。目前，对流产性转录发生的机制已基本了解，对其生物学作用知道的仍然不多，但其存在的广泛性暗示其可能有重要的生物学作用，最新的研究也表明流产性转录本在基因的转录过程中具有重要的调控作用。相信随
着对体内10nt以下的寡核苷酸定量检测技术的发展，一定能有效解决目前流产性转录本的体内定量检测的问题，也终将对流产性转录本的生物学功能作出阐释。
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