酵母细胞mRNA转录终止的分子机制揭示：外切酶Rat1与Pol II形成复合物结构，并在此过程中依赖外切酶的活性将mRNA引导至活性中心，从而控制mRNA的稳定结合与延展速度，导致转录终止。这一过程具有重要生物学意义，如保证基因表达的准确性、确保RNA聚合酶的高效回收以及防止转录过快对生物系统的潜在风险。研究成果已在Nature期刊《Structural basis of exoribonuclease-mediated mRNA transcription termination》上发表。这项研究为了解释动植物间的差异性基因转录行为提供了一个新的视角，也为后续深入研究相关复杂机制提供了理论基础。
酵母细胞mRNA转录终止的分子机制揭示：外切酶Rat1与Pol II形成复合物结构及关键功能
一、引言
在细胞内，mRNA（信使RNA）是基因信息从DNA传递到蛋白质的过程中转化为初级翻译模板的主要载体。当mRNA进入细胞核后，会通过多种调控机制来指导其稳定结合并延长转录的过程，进而实现遗传信息的准确表达。然而，近年来的研究表明，部分类型的mRNA可能在转录结束时发生异常终止，例如，Rat1外切酶与Pol II形成的复合物结构在其中发挥着重要作用。
二、酵母细胞mRNA转录终止过程
Rat1外切酶是一种异特异性酶，能够识别和切除特定长度的RNA序列，尤其是含有ATCG序列的帽子区（通常位于mRNA的5'端）。在这段剪接序列中，Rat1通过磷酸化自身的α亚基，与由核心酶结合的5'末端结合位点上的Poly(dGTP)形成一个“磷酸-D-GTP-S腺苷”复合物（P-D-GTP-SA），这是一种需要活化的特殊核酸加合物。在这个复合物内部，poly(dGTP)是一种特殊的糖基转移酶，可以水解mRNA上的糖苷键，使得cDNA（互补碱基对序列）链得以直接连接到RNA链上。
poly(dGTP)-RNA结合位点对于mRNA转录起始至关重要。当mRNA达到该位点时，蛋白质-polⅡ复合体（即限制因子Ⅲ和DNA结合蛋白Ⅳ）先结合DNA，并形成一个稳定的开放阅读框（OARF），紧接着，polⅡ成员，特别是β₂s蛋白，会开始催化起始转录复合物的移动。由于糖苷键被破坏，具有聚丙烯酰胺桥的mRNA链被切割成两部分，形成了前剪接片段和后剪接片段，分别对应于基因前体和蛋白质编码区（起始密码子）。这些剪接片段在PolⅡ作用下进一步结合，随后转移到核蛋白体的起始部位进行翻译。
三、Rat1外切酶与Pol II形成复合物结构的关键作用
1. 控制mRNA转录的稳定结合与延展速度
Rat1外切酶能够精确地切割mRNA帽区中的特定区域，使得cDNA链能够在核酸交联域（D-loop）处被成功切断，形成具有双链DNA结构的长编码区（σDNA）。这段σDNA链的存在能够避免RNA复制错误的发生，同时，由于rsDNA的化学性质稳定，进一步增加了mRNA稳定结合的能力。此外，mRNA剪接产生的前剪接片段和后剪接片段在随后的翻译过程中能够较稳定地保存下来，防止mRNA片段过度延伸或缠绕在核蛋白体上，影响mRNA翻译效率。
2. 确保基因表达的准确性
在mRNA转录过程中，RNA聚合酶需要从5'端向3'端延伸，以合成一段长度约为80-200bp的mRNA链。若mRNA的剪接失常导致DNA序列在ρDNA上的剪切异常，这可能会引发多个ρDNA片段的断裂，最终导致大量mRNA片段的生成，干扰了mRNA的正常功能和细胞内信号传递。另一方面，前剪接片段和后剪接片段有助于mRNA的稳定结合和延展，减少了RNA片段过多的重复，保持了mRNA链的相对完整性和稳定性，有利于遗传信息的准确传递。
3. 保护RNA聚合酶的高效回收
Poly(dGTP)-RNA结合位点的剪切异常往往会导致某些转录因子无法正常与poly(dGTP)结合，形成异质性状态。这种异常状态下，转录因子与游离的poly(dGTP)间可能存在高度亲和力，导致其过度活化，产生竞争性抑制现象。这不仅可能降低mRNA结合到ρDNA上的概率，而且还可能降低活性中心复合物的构象稳定性，影响转录的启动和继续。因此，处于上述异常状态的转录因子通常需要依靠Rat1外切酶的定位和去除作用，协助维持活性中心复合物的稳定性和活性，进而保护RNA聚合酶的高效回收，保持细胞内的遗传信息正确传递。
四、结论
酵母细胞mRNA转录终止的过程是一个复杂的生理过程，涉及到许多不同的分子机制，其中包括Rat1外切酶与Poly(dGTP)-RNA结合位点的剪切、遗传因子状态的调节以及活性中心复合物的动态调整等。Rat1外切酶在这一过程中发挥着关键的作用，它能准确识别和切割特定长度的RNA序列，帮助mRNA稳定结合，并且通过复杂的剪接过程减少mRNA片段过多的重复，保证了基因表达的准确性。此外，Rat1外切酶还参与构建起始转录复合物，保护RNA聚合酶的高效回收，防止转录过快对生物系统的潜在风险，这些都是其在酵母细胞mRNA转录终止机制方面的重要生物学意义。
本研究揭示了动物(microbial)与植物(microscopic)的mRNA转录终止过程存在显著差异。不同物种之间的基因转录行为往往是相互关联的，Rat1外切酶的功能对其机制有着重要影响。通过理解这一过程，我们有望发现更多类似的分子机制，以便于在植物学、微生物学等领域开展更深入的研究，更好地理解和调控生命活动，从而推动生物技术的发展和健康相关领域的进步。