终止子

定义

终止子是DNA上的一段核苷酸序列，位于基因或操纵子的3′端，其作用是使RNA聚合酶在该处停止延伸并释放新生RNA^[1]。它通常处于编码区下游的非编码区域，与位于编码区上游的启动子相对应，两者共同界定了转录单元的边界^[1]。

终止子与终止密码子容易混淆，二者分属不同层次：终止子作用于转录环节，是DNA上的序列；终止密码子是mRNA上被核糖体识别的三联体，决定多肽链合成的结束^[4]。因此，终止子决定RNA合成何时停止，终止密码子决定蛋白质翻译何时停止^[4]。

按功能范围还可区分单向终止子与双向终止子：前者只使一条链上的转录中止，后者可使正链与负链上的转录都在此终止，常用于两个方向相反的转录单元之间的隔离^[5]。

原理

大肠杆菌等原核生物中，终止子按体外转录时是否需要蛋白辅因子，分为不依赖Rho的终止子与依赖Rho的终止子两类^[6]。数据库中收录的大肠杆菌终止子几乎都属于前者，原因是后者难以仅凭序列界定^[3]。不依赖Rho的终止子一般由两部分组成：一段回文序列，其转录产物形成富含G-C碱基对的茎环；随后是一段多聚T，转录为多聚U^[7]。

其工作方式可概括为：茎环结构使RNA聚合酶在转录该区域后暂停，紧随的多聚U转录出的rU·dA杂交区氢键较少、稳定性差，双链易于解开，RNA随之从三元复合物中解离，转录即告终止^[6]。突变分析显示，茎环序列对终止效率影响较大，多聚T区也有贡献但相对次要^[3]。

依赖Rho的终止子则借助Rho蛋白完成终止。Rho是由6个相同亚基组成的六聚体，兼具NTP酶与解螺旋酶活性，其模型被概括为“穷追”：先结合到新生RNA上，再沿RNA追向暂停的RNA聚合酶，追上后取代聚合酶，导致RNA释放与转录复合物解体^[6]。Rho通常作用于缺乏核糖体跟随、富含胞苷且缺少二级结构的RNA区段，因而也承担着监控转录与翻译是否耦联的作用^[8]。

真核生物的终止研究得不如细菌清楚，3种核RNA聚合酶采用不同机制^[3]。以RNA聚合酶II为例，多数哺乳动物蛋白编码基因的终止位点并不在加尾位点，而是位于加尾位点下游约0.5至2 kb处，且与转录本的切割和多聚腺苷酸化相偶联^[3]。一种被广泛讨论的解释是“鱼雷模型”：加尾位点切割后产生的RNA 5′端被Xrn2等核酸外切酶降解，酶追至聚合酶并将其从模板上卸下^[9]。

真核终止子的3′UTR通常包含多聚腺苷酸化信号，植物表达载体中常用的有胭脂碱合酶(nos)终止子、花椰菜花叶病毒35S终止子、章鱼碱合酶(ocs)终止子以及马铃薯蛋白酶抑制剂基因(pin)终止子等^[10]。有研究指出，强终止子调控下的转录本丰度可达弱终止子调控时的3.2倍，提示终止子的序列与结构特征还影响上游mRNA的稳定性^[11]。

发展历程

早期对mRNA序列的比较发现，多种mRNA在3′端多聚A之前约15个碱基处存在AAUAAA序列，这一序列随后被认为与多聚腺苷酸化及RNA聚合酶II的终止相关，成为认识真核终止信号的重要起点^[12]。

围绕原核终止机制的两类划分，教材与文献中长期沿用“不依赖Rho”与“依赖Rho”的二分框架^[6]。后来的研究对这一框架有所修正：在枯草芽孢杆菌体内，不依赖Rho的终止子多数需要NusA等因子协助，约97%的此类终止子需要NusA、NusG与Rho的不同组合才能高效终止，说明所谓“不依赖因子”并非绝对。

国内文献也曾就终止子的概念与结构展开讨论，指出部分教材在描述终止子与转录终止过程时存在表述上的偏差，反映出该术语在不同教材中的界定并不完全统一^[13]。

随着合成生物学与代谢工程的发展，终止子从被描述的对象变为被设计、改造的元件。研究者对λ噬菌体t0终止子的发卡结构与富尿嘧啶区进行突变改造，获得了终止效率更高、并更有利于上游mRNA稳定的变体，同时发现发卡环对终止并非必需^[14]。

应用

在构建表达载体时，目的基因3′端必须连接终止子，否则转录会继续越过编码区进入下游序列^[7]。通读不仅可能产生过长或不稳定的转录本，还可能干扰紧邻其后的另一个表达盒，因而在含多个表达盒的载体中，元件间的终止与隔离尤为重要^[2]。

终止子还有助于提高表达水平。有研究比较了人类细胞中不同终止元件的作用，发现缺失终止子的构建体中聚合酶终止效率低，并可能绕质粒转录回到启动子区域造成转录干扰，而带有终止元件时mRNA与蛋白水平明显提高^[15]。在酵母中，终止子通过影响mRNA稳定性、转录效率及转录本的定位参与对基因表达的调控，据此可以人工设计可调节的终止子用于途径优化^[16]。

植物基因工程中也广泛使用终止子，例如nos、35S、ocs与pin等终止子被用于单子叶和双子叶植物的转化构建体中^[10]。此外，实验中常在报告基因下游串联一段不带启动子的标记基因，通过检测其是否被转录来判断终止子的通读情况，这类终止子测试载体已成为表征终止子活性的常用方法^[17]。

在天然基因调控层面，转录终止也参与质量控制。有综述指出，转录错误或在DNA损伤时发生的提前终止会产生被迅速降解的截短转录本，而当聚合酶在模板上停滞时则会被蛋白酶体原位清除，以便后续转录继续进行^[9]。

局限

终止子并非绝对可靠的“停车位”。有研究指出，细胞的渗透胁迫、热激、病毒感染或致癌突变等条件都能诱发异常终止，许多基因在此时无法正常终止，由此产生的长距离通读转录会造成下游基因表达的广泛失调^[9]。

真核终止子的界定本身也有困难。植物中缺乏明确保守的多聚腺苷酸化信号序列，用生物信息学方法预测功能有效的3′UTR相当困难；加之成熟mRNA在体内以多种带尾形式积累，用常规方法难以确定转录终止位点^[2]。

依赖Rho的终止子则难以仅凭序列识别。正是由于这类终止子不由序列明确指定，公共元件库在大肠杆菌部分只收录了不依赖Rho的终止子，这限制了可选用元件的范围^[3]。此外，提高发卡稳定性并不必然提高终止效率，例如把茎长延长到9个碱基对以上虽使自由能下降，却未带来终止效率的提升，说明改造终止子仍需逐个验证^[18]。

教材层面的概念界定仍存在不一致，部分生物化学、分子生物学与遗传学教材对终止子的概念与结构描述有误，这也给教学和跨文献比对带来困扰^[13]。

参见

• 启动子 —— 位于编码区上游、与RNA聚合酶结合并启动转录的DNA序列，与终止子共同界定转录单元。

• 终止密码子 —— mRNA上决定翻译终止的三联体，常与终止子混淆，但作用于翻译而非转录。

• RNA聚合酶 —— 沿DNA模板合成RNA的酶，终止子的作用对象即为其延伸过程。

• 多聚腺苷酸化 —— 真核mRNA 3′端加尾的加工过程，与RNA聚合酶II的终止相偶联。

• 表达载体 —— 基因工程中承载目的基因与启动子、终止子等元件的载体。

• 基因表达调控 —— 终止子通过影响转录终止效率参与的一类调控机制。