近日，中国科学院微生物研究所东秀珠研究员团队在Nucleic Acids Res上发表了题为“Internal transcription termination widely regulates differential expression of operon-organized genesincluding ribosomal protein and RNA polymerase genes in an archaeon”的研究论文。研究通过整合甲烷古菌的PacBio-seq、dRNA-seq、Term-seq和illumina-seq数据，结合多种生化实验及检验，确定了甲烷古菌的操纵子模式及内部终止现象，发现了由操纵子内部终止位点（ioTTS）介导的可广泛应用于原核生物的调控新机制。菲沙基因承担了本研究中原核全长转录组部分测序工作。

1961年提出的操纵子假说，指出一个操纵子内的基因通常会出现共转录，从而同步调节多个基因，这也是原核生物与真核生物调控的主要区别。虽然经常在编码多个亚基符合物的操纵子内的基因有发现差异蛋白质，但是其涉及到的调控机制并不明确。这种选择性的mRNA加工已经发现可以对细菌、古菌等生命活动进行调控。

细菌中已发现存在大量的转录通读情况，表明了细菌中转录景观的复杂性。此前研究也发现了在甲烷古菌中大多数操纵子在终止位点（TTS）表现出不完全终止的情况，并发现其终止强度与转录终止因子aCPSF1相关。在Term-seq图谱中的一些推测的操纵子内的基因区域发现了TSS，并且结合illumina数据检测到了操纵子内基因的不同转录水平，这说明操纵子中可能存在转录终止调控，并且调控了操纵子中基因的梯度表达。研究基于此深入研究了甲烷古菌，发现了广泛存在的操纵子内终止子（ioTTS），其可以介导下游基因的转录抑制从而调控机体。并且发现其可以影响广泛存在于古菌中的核糖体蛋白-RNA聚合酶（RP-RNAP）的丰度，表明ioTTS终止，可能是一种新的调控古菌中操纵子基因差异表达的机制。

甲烷古菌中的操纵子内终止位点（ioTTS）和操纵子内起始位点（ioTSS）

PacBio-seq可以通过研究甲烷古菌中的全长转录本，通过与此前研究的转录起始位点（TSS）的dRNA-seq和转录终止位点（TTS）的Term-seq数据以及illumina转录组数据整合后，可以发现单碱基分辨率下的甲烷古菌转录图谱。在1722个编码基因中，鉴定到了884个转录单元（TU），其中操纵子约占50%，且存在多基因调控。值得注意的是，内部操纵子TSS（ioTSS）和TTSs（ioTTSs）分别在53%和38%的操纵子内发现。鉴定了四种操纵子类型。

调控上下游基因差异表达的ioTTS

在38%的操纵子中发现了ioTTS，通过侧翼基因的转录差异表达率（TDERs）来表征ioTTS，TDERs＞1.5认为存在上下游表达差异，TDERs＞2认为有极显著表达差异。发现含有ioTTS的操纵子，超过72%的TDERs具有中高意义，说明大多数ioTTS是具有功能的，是它们调控了操纵子内部两侧基因转录的不平衡。

在甲烷古菌中转录终止，一般依赖于转录终止因子aCPSF1，并且发生在带U碱基的顺式元件上。为了进一步去人ioTTS的终止机制是否类似于转录单元（TU）末端的机制，进一步研究了aCPSF1和终止子基序的作用。发现在ioTTS的终止还取决于PolyU区和aCPSF1的存在，类似于古菌在TU末端终止时所需的顺式和反式元件。IoTTS的终止特征也在PacBIo-seq中发现的MMP1635-1633中被证实。

ioTTS终止在编码蛋白质复合体操纵子基因表达差异中的作用

在甲烷古菌中，很多操纵子编码多亚基酶和蛋白质复合体，ioTTS可以通过终止，可以调控不同亚基的比例。为了探究ioTTS终止在编码蛋白质复合体操纵子的意义，研究选择了编码AFU ABC转运蛋白的操纵子afuABC来进行探究。在Afua和Afub之间的基因间区中发现了ioTTS，而在操纵子内部没有发现ioTSS或反义RNA，通过illumina和PacBio的数据发现，AfuA的丰度高于AfuBC，q-PCR和WB也支持这一结果。通过使用CRISPR-Cas9的手段敲除了ioTTS后，发现AfuBC的表达升高但是菌的生长减缓了。因此ioTTS对于afuABC操纵子中基因的正确表达具有重要意义，其介导的编码丰度差异会影响菌体生长。同时进一步将ioTTS插入到没有终止的操纵子中，发现插入下游的基因表达下调，同时破坏了操纵子的协调转录。因此，ioTTS的正确定位，是操纵子正确表达所必须。

IoTTS终止调控RP-RNAP操纵子中ioTTS下游RNAP亚基的表达及意义

甲烷古菌具有与真核生物一样RNAPⅡ同源的RNA聚合酶（RNAP），由12个亚基组成，并在5个操纵子中编码，其中几个编码亚基位于核糖体蛋白（RP）基因的操纵子上，形成RP-RNAP操纵子。RP和RNAP的需求蛋白水平不同，因此转录差异是必须的，同时这些操纵子中，RNAP主要位于RP基因下游，且二者中间存在一个ioTTS。发现RP转录丰度高于RNAP，并且差异在aCPSF1突变体中减少。因此ioTTS的终止影响RP-RNAP操纵子中基因的正确表达。总而言之，ioTTS在调控RPRNAP操纵子的表达中起到重要作用，其在RNAP产生的正常速率中起到了重要作用，对生长以及转录和翻译速率具有极大影响。

RP-RNAP操纵子和ioTTS终止在古菌中广泛分布

研究进一步探究了RP-RNAP操纵子在古菌中的分布情况，发现RP-RNAP操纵子在古菌中广泛存在，且通过对已有古菌转录组数据进行进一步分析发现，ioTTS终止，可能在多种古菌中都非常常见。

总 结

转录终止在基因表达中起到了关键的调控作用，但是对于古菌的转录终止过程和意义并不清晰。本研究发现了ioTTS终止调节操纵子内的基因差异转录，这种新发现的调控模式不仅可以解释许多TTS中发现的终止效率差异，还为我们提供了一种新的调控控制策略，这种机制可能在古菌中广泛存在。