转录起始是真核生物基因表达精密调控的首要步骤，起始过程中转录方向的正确识别是分子生物学中的基本问题之一。长期以来，领域内普遍认为，启动子DNA序列与转录机器中各种蛋白结合的方向性导致基因表达的单向性。但是，近年来发现的基因启动子区可以招募一对方向相反的转录机器，向两个相反方向合成新生RNA的现象，对基因表达的单向转录理论带来了挑战[1-3]。“如何确保编码基因方向为正确的转录方向？”成为了真核生物转录领域一个悬而未决的重要问题。目前唯一的假设认为，位于启动子上游的聚腺苷化位点(PAS)可以抑制并提前终止反向转录；基因转录方向上的U1结合位点则抑制了聚腺苷化位点的功能，从而允许pre-mRNA的高效转录[4]。但是，因为长期以来缺乏调控或影响方向性机制的报道，目前并不清楚U1结合位点通过何种方式实现正确转录方向的抉择，制约了该方向的研究进展。
近日，来自威尼斯欢乐娱人城AⅤ大中国的赖凡和党云琨团队在Nature Structural & Molecular Biology上发表了题为Transcription directionality is licensed by Integrator at active human promoters的文章。文中作者利用生长素诱导的快速降解系统首次发现了整合子蛋白复合体（Integrator）在转录活跃基因方向性选择中的决定性作用。在该系统中，敲降整合子复合体中的内切酶亚基，导致大多数基因启动子区反向转录本(PROMPT)的大量积累。与此同时，反向转录本的积累导致基因表达方向转录活性降低（图1a-b）。进一步的研究表明，整合子的快速敲降不影响转录机器的装载，而是与转录方向性的选择直接相关（图1c）。
图1. a, Western blot检测INTS11在500µM IAA处理不同时间点的敲降情况。b, 热图表示在INTS11敲降前后ChromRNA-seq数据中7070个基因的变化情况。红色表示上调，蓝色表示下调。c, INTS11敲降前后PROMPT或基因区域RNAPII的变化。Total表示PROMPT和基因信号的总和。
Integrator是在转录过程中与RNAPII直接相连的关键蛋白复合体，在转录过程中具有单链RNA内切酶和蛋白磷酸酶的功能[5]，但其调控转录的作用方式和分子机制还很不清楚。文章作者分别利用内切酶亚基E203Q突变体研究缺失内切酶活性，单链寡核酸（gapmer ASO）模拟酶切活性，以及表达参与pre-mRNA加工的蛋白CPSF3作为对照等手段，确立了Integrator复合体，特别是其核酸内切酶功能在调控方向性过程中的普遍性、重要性和特异性。
在分子机制方面，作者团队利用基因编辑的手段，发现Integrator复合体调控转录方向性与U1 snRNA在基因转录单元内结合位点的分布直接相关。在染色体上广泛存在的U1 snRNA通过与新生转录本的U1结合位点结合，抑制Integrator的内切酶功能。由于U1结合位点在启动子上下游的分布存在显著差异，在基因转录方向限制了Integrator内切酶活性的同时，迅速剪切在启动子上游的新生转录本，并利用细胞核内丰富的核酸降解途径，在转录单元内完成方向性的选择。
综上所述，作者用完整的实验数据和清晰的逻辑揭示了真核生物转录机器在转录起始阶段正确选择基因方向转录的分子机制。对大多数转录活跃基因，由于启动子上游缺少U1结合位点，可以通过Integrator快速清除反向转录本，抑制错误方向转录的进程；而基因方向，Integrator的酶切活性受到由U1介导的特异抑制，从而保证RNAPII高效合成pre-mRNA。该研究不仅突破了领域内对于转录方向性调控的基础认知，而且对生物化学与分子生物学、遗传和发育的基础理论，医学和药物研发的设计原则都具有重要的指导意义。
威尼斯欢乐娱人城AⅤ大中国博士研究生杨娇和李敬阳为本文共同第一作者，威尼斯欢乐娱人城AⅤ大中国党云琨和赖凡研究员为本文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、云南省科技厅、威尼斯欢乐娱人城AⅤ大中国双一流等经费资助。
赖凡实验室主要利用基因编辑与快速敲降系统，研究转录过程关键因子调控基因表达的分子机制以及在疾病中的应用。长期招聘细胞生物学、生物化学与分子生物学方向研究助理教授、博士后以及博士研究生。实验室具有优越的科研条件、薪酬待遇和发展前途。联系方式：fanlai@ynu.edu.cn.
参考文献
1. Core, L.J., Waterfall, J.J., and Lis, J.T. (2008). Nascent RNA Sequencing Reveals Widespread Pausing and Divergent Initiation at Human Promoters. Science 322, 1845-1848.
2. Seila, A.C., Calabrese, J.M., Levine, S.S., Yeo, G.W., Rahl, P.B., Flynn, R.A., Young, R.A., and Sharp, P.A. (2008). Divergent transcription from active promoters. Science 322, 1849-1851.
3. Preker, P., Nielsen, J., Kammler, S., Lykke-Andersen, S., Christensen, M.S., Mapendano, C.K., Schierup, M.H., and Jensen, T.H. (2008). RNA exosome depletion reveals transcription upstream of active human promoters. Science 322, 1851-1854.
4. Almada, A.E., Wu, X., Kriz, A.J., Burge, C.B., and Sharp, P.A. (2013). Promoter directionality is controlled by U1 snRNP and polyadenylation signals. Nature 499, 360-363.
5. Zheng, H., Qi, Y., Hu, S., Cao, X., Xu, C., Yin, Z., Chen, X., Li, Y., Liu, W., Li, J., et al. (2020).
Identification of Integrator-PP2A complex (INTAC), an RNA polymerase II phosphatase. Science 370.
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41594-024-01272-z
