为什么原核生物转录和翻译要偶联在一起

为什么原核生物转录和翻译要偶联在一起？

与真核生物相比，原核生物基因表达的一个重要特点是，转录和翻译偶联在一起。具体说，也就是在一个mRNA 转录尚未完成时，此mRNA 已经合成的区段便开始了蛋白质翻译过程。

这一现象，分子生物学教科书中给出的理由是：只有转录和翻译同时进行，才有可能实现色氨酸操纵子的衰减调控（attenuator ）。学习生物学要注意，教材（包括国际著名教材）中的很多说法都经不住深究，善于思考的同学应该能发现这些经不起推敲的说法。这种操作子在基因组中占少数，但原核生物所有的编码蛋白质的基因转录和翻译都是偶联。

前几年，有人提出转录和翻译同时进行是为了避免R-loop 的形成（1）。基因转录过程中，新产生的mRNA 可能和DNA 模板结合形成DNA:RNA双链，另外一条DNA 链单独存在，此状态称为R-loop 。研究显示，R-loop 会引起DNA 损伤等一些不良效应。如果新产生的mRNA 结合上了蛋白质合成机器-核糖体，mRNA 也就没机会与DNA 互补配对了。因此，有关学者提出，转录和翻译紧密偶联是为了避免R-loop 的形成及其对生物体的不良影响。这种说法至少在逻辑上没有漏洞，属于令人满意的假说。将来也许证明R-loop 的危害不是太大，或者核糖体的阻隔效果不够强，从而说明转录和翻译紧密偶联对避免R-loop 的形成及其对生物体的不良影响意义不大。但目前，这种假说至少还是应该关注。

去年，Science 上发表了三篇论文（一篇评论+两篇原始研究论文）（2-4），发现核糖体有效地结合在mRNA 上并不断向前移动可以起到推着RNA 聚合酶向前走、防止倒退的作用。"Efficient binding and progression of ribosomes along mRNA increase the speed of RNA polymerase" "prevents retraction of the emerging mRNA into RNA polymerase, and thus inhibits

backtracking-associated pauses that slow RNA polymerase in the absence of the ribosome."

看完了这些文章，喜欢思考问题的读者会想到，RNA 聚合酶倒退（backtracking ）是什么大事吗？我查了查文献，确是有一些关于backtracking 的介绍，但也没看出来危害有多大。我想这种情况下，在Science 上发表论文就需要“嘴大”了。“嘴大”，就像很多专权社会的领导" 嘴大" 一样。领导、权威这样说可以，普通人这么说就需要拿出证据了。所以，那两篇论文，如果是我们实验室做出来的绝对上不了Science 。

下一步，那就应该认真研究研究RNA 聚合酶backtracking 到底有什么害处？嘴大虽然可以发表论文，但不能说问题不存在。那几位作者心里肯定明白。于是，其中一个课题组就此做了较为深入的研究，论文发表在最近一期Cell 上（5）。

细菌细胞中，如果把DNA 复制过程比作奔驰车，那基因转录过程充其量也就是拖拉机，慢得很。二者都需要DNA 作为模板。也就相当于单行道上同时有奔驰和拖

拉机一样，奔驰追拖拉机的尾是常事。本来你就慢，如果你再经常倒车，那问题不就更严重了吗。基因转录过程的倒车就是RNA 聚合酶的backtracking 。Cell 上这个研究发现，倒车引起的追尾后果很严重，是DNA double-strand break--一种很严重的DNA 损伤。

这下故事比较完整了，转录和翻译要偶联在一起，是蛋白质翻译机器（核糖体）推着基因转录机器（RNA 聚合酶）往前做，防止其倒车，避免其倒车引起的追尾事故，减少悲剧（DNA 严重损伤-->细胞死亡）。应该补充说明一下的是，这篇文章报道的机理中，RNA:DNA双链也参与了。

这里我说故事比较完整了，还不是特别完整，还有什么问题呢？不写了，不是因为我们实验室可能要做这个研究而保密，而是要留着硕士/博士生面试、我的《基因组学》课上考学生用。顺便对潜在考生说两句，我们不是宁缺勿滥，而是择优录取。考我们这里，不要求你非得想出能发Cell 的思路，但你要比你的竞争者思考得深入一些。

1. Gowrishankar J, Harinarayanan R: Why is transcription coupled to translation in bacteria? Mol Microbiol 2004, 54:598-603.

2. Burmann BM, Schweimer K, Luo X, Wahl MC, Stitt BL, Gottesman ME, Rosch P: A NusE:NusG complex links transcription and translation. Science 2010, 328:501-504.

3. Proshkin S, Rahmouni AR, Mironov A, Nudler E: Cooperation between translating ribosomes and RNA polymerase in transcription elongation. Science 2010, 328:504-508.

4. Roberts JW: Syntheses that stay together . Science 2010, 328:436-437.

5. Dutta D, Shatalin K, Epshtein V, Gottesman Max E, Nudler E: Linking RNA polymerase backtracking to genome instability in E. coli . Cell 2011, 146:533-543.