基因转录单元的界限由启动子和终止子界定。RNA聚合酶正确识别启动子和终止子序列，是基因正常转录的先决条件。转录终止异常会引起RNA降解、干扰下游基因表达、干扰DNA复制、破坏基因组稳定性等。RNA聚合酶一般通过两种途径终止转录，一条途径是依赖于终止因子的转录终止，例如细菌RNA聚合酶依赖具有RNA解旋酶活性的Rho因子终止转录，动植物细胞Pol II依赖具有RNA外切酶活性的XRN终止mRNA转录。另一种是不依赖于终止因子的转录终止，也称为内源性转录终止。内源性转录终止是噬菌体、细菌和真核生物RNA聚合酶（Pol III）保守的转录终止方式。

  2023年1月12日，浙江大学基础医学院冯钰团队合作在《Nature》上发表题为“Structural basis for intrinsic transcription termination”的研究论文，该研究捕获了细菌内源性转录终止的中间状态冷冻电镜结构，揭示了细菌RNA聚合酶识别终止序列、停止转录、并解离RNA的分子机制。

  在转录终止环节，RNA聚合酶需要从高速的延伸状态（～50 nt/s）紧急刹车停止转录，随后RNA聚合酶发生构象变化，RNA和DNA从高度稳定的RNAP-DNA-RNA复合物解离。细菌的内源性转录终止序列由富含GC的发卡结构以及紧随其后的U tract序列组成，从序列特征分析，转录终止序列的RNA发卡结构与RNA聚合酶催化中心10-bp的RNA-DNA杂合双链存在竞争，可能是促使RNA解离的关键（图1）。

图1 转录终止过程中，RNA发卡结构竞争破坏10-bp的DNA-RNA的杂合双链。

（上）转录延伸状态中RNAP和转录泡结合示意图；

（中）转录终止子的序列特征；

（下）细菌基因操纵子的构造。

  由于转录终止具有高度动态和且反应迅速的特征，因此解析转录终止的结构和分子机制具有较大难度。研究团队借鉴前人的研究成果，拆分了转录终止序列，解析了只包含U-tract序列的TTC-pause冷冻电镜结构，解析了包含U-tract序列和部分RNA发卡的TTC-hairpin结构，最后利用antisense RNA模拟形成完整的发卡结构并诱导转录终止，解析了TTC-release的冷冻电镜结构。据此，研究团队提出了内源性转录终止的五个中间步骤（图2）：

  （i）转录暂停（TTC-pause）：Poly U序列阻止RNAP结合NTP，诱发转录暂停。

  （ii）RNA发卡部分折叠（TTC-hairpin）：RNA发卡折叠进入RNA聚合酶的RNA退出通道，诱导RNA聚合酶构象变化，削弱RNAP和RNA-DNA杂合双链的相互作用。

  （iii）DNA闭合（Bubble rewinding）：转录泡的两条DNA单链碱基重新配对，破坏RNA-DNA杂合双链。

  （iv）RNA发卡完全折叠（hairpin completion）:DNA闭合破坏RNA-DNA杂合双链，清除RNA发卡完全折叠的能量壁垒，RNA发卡结构完全折叠可能诱导三种形式的RNAP-DNA-RNA的构象变化（这三种形式在之前的研究中各有实验证据支持）。在Hybrid shearing模型中，由于RNA和DNA均为A-U碱基对，RNA可在DNA上相对滑动2 bp，使RNA的3‘端从催化中心远离。在hypertranslocation模型中，RNA聚合酶向前移位，使RNA的3‘端从催化中心远离。在Hairpin invasion模型中，RNA聚合酶发生构象变化，发卡结构入侵至RNA聚合酶内部。以上三种形式都在RNA发卡结构完全折叠的过程中进一步破坏了RNA-DNA杂合双链。

  （v）RNA释放（TTC-release）：RNA聚合酶释放RNA，但其仍可以在基因组上自由滑动，最终解离或者滑动至启动子DNA开始下一轮转录。

图2 细菌内源性转录终止机制模型。

（左）三个转录终止中间状态冷冻电镜结构中的DNA和RNA构象；

（中）细菌内源性转录终止机制模型；

（右）三个转录终止中间状态的冷冻电镜结构密度图。

  该研究报导了细菌内源性转录终止关键中间态的冷冻电镜结构，还原了细菌内源性转录终止的全过程，揭示了细菌RNA聚合酶在转录终止序列暂停转录，RNA发卡结构在RNAP内部折叠并诱导RNA释放的分子机制。

  中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究员、美国威斯康辛大学麦迪逊分校Robert Landick教授、浙江大学基础医学院冯钰研究员为本文的共同通讯作者，中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生尤琳琳为第一作者，冯钰团队博士后史婧（现为南京中医药大学副教授）和博士生温瑷嘉参与了该课题的冷冻电镜数据收集和分析。