論文第一作者、英國伯明翰大學(xué)分子微生物學(xué)博士后研究員Emily Warman說，“我們真地很驚訝。雖然以前的研究描述了真核生物以及少數(shù)細(xì)菌和古生菌物種中的雙向啟動(dòng)子，但是這項(xiàng)新的研究確定了異向轉(zhuǎn)錄（divergent transcription）---基因的雙向讀取---是在所有三個(gè)生命領(lǐng)域中保守的一個(gè)廣泛的特征。"

在真核細(xì)胞中，DNA纏繞在組蛋白上并被包裝成染色質(zhì)。沒有緊密纏繞的DNA片段可讓RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄所需的其他蛋白質(zhì)接觸到。在某些情況下，這些區(qū)域包含兩個(gè)方向相反的TSS，每條DNA鏈上各有一個(gè)TSS，因此也被稱為TSS對（a pair of TSS, TSS pair）；這些TSS對可以相隔數(shù)百或數(shù)千個(gè)堿基對。科學(xué)家們已經(jīng)在從酵母到小鼠巨噬細(xì)胞的多種真核細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了這些類型的雙向啟動(dòng)子。

細(xì)菌沒有組蛋白。但有些細(xì)菌確實(shí)有類似組蛋白的擬核結(jié)構(gòu)蛋白（histone-like nucleoid structuring protein, H-NS蛋白），H-NS蛋白與DNA結(jié)合并幫助折疊細(xì)菌染色體。在2014年發(fā)表在Genes & Development期刊上的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)，在大腸桿菌中，H-NS蛋白抑制了通過水平基因轉(zhuǎn)移獲得的啟動(dòng)子，其中水平基因轉(zhuǎn)移是有機(jī)體之間除繁殖之外的遺傳物質(zhì)的傳播（Genes & Development, 2014, doi:10.1101/gad.234336.113）。耐人尋味的是，他們注意到許多受到H-NS蛋白抑制的啟動(dòng)子用于表達(dá)非編碼RNA，并且位于其他基因的中間。

當(dāng)Warman是伯明翰大學(xué)David Grainger實(shí)驗(yàn)室的博士生時(shí)，她的第一項(xiàng)工作是通過將這類啟動(dòng)子插入質(zhì)粒中的報(bào)告基因前面，并測量由此產(chǎn)生的基因表達(dá)，來描述這些啟動(dòng)子的活性。她說，“我們擁有的關(guān)于這些區(qū)域的許多信息并沒有告訴我們轉(zhuǎn)錄會(huì)朝哪個(gè)方向運(yùn)行。為了覆蓋所有的堿基，我把所有這些區(qū)域都放在兩個(gè)方向上。"令人驚訝的是，許多啟動(dòng)子片段在兩個(gè)方向上都產(chǎn)生了活性，這意味著同一DNA片段可以在兩個(gè)方向上驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)錄。

為了探索雙向啟動(dòng)子是否在整個(gè)大腸桿菌基因組中普遍存在，Grainger及其研究團(tuán)隊(duì)分析了先前獲得的用于繪制TSS對的數(shù)據(jù)集。他們發(fā)現(xiàn)了5292個(gè)異向轉(zhuǎn)錄的TSS對，它們相隔7到25個(gè)堿基對，但位于DNA的不同鏈上。這些TSS對占大腸桿菌中所有TSS的19%。它們之間最常見的距離是18個(gè)堿基對--比在真核細(xì)胞中觀察到的距離近得多。這種較近的間距使得啟動(dòng)子元件（對RNA聚合酶的招募至關(guān)重要的DNA序列）在兩條DNA鏈上彼此相對。因此，他們提出，RNA聚合酶可以在兩個(gè)不同的方向上附著同一段DNA，并以任何一個(gè)方向啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。

不同細(xì)菌中單向啟動(dòng)子與雙向啟動(dòng)子的比例相似

他們繼續(xù)檢查了來自更多種類的細(xì)菌的TSS，發(fā)現(xiàn)異向轉(zhuǎn)錄的TSS對大量存在。在變形菌和放線菌中，TSS對通常相隔18或19個(gè)堿基對。他們還研究了以前發(fā)表的兩個(gè)古細(xì)菌物種的TSS圖譜，發(fā)現(xiàn)了許多異向轉(zhuǎn)錄的TSS對。

雙向轉(zhuǎn)錄也是真核生物轉(zhuǎn)錄的一個(gè)特征，但重要的是，這篇論文顯示，細(xì)菌中的雙向轉(zhuǎn)錄機(jī)制不同于真核生物中的雙向轉(zhuǎn)錄機(jī)制。

科學(xué)家們在銅綠假單胞菌中報(bào)告了類似的發(fā)現(xiàn)（BMC Genomics, 2018, doi:10.1186/s12864-018-4538-8）。他們在相反的DNA鏈上發(fā)現(xiàn)了105個(gè)正好相隔18個(gè)堿基對的TSS對。他們僅研究了假單胞菌，發(fā)現(xiàn)了這些TSS對。它們顯然在細(xì)菌和古生菌中無處不在。

在這項(xiàng)新的研究中，Grainger團(tuán)隊(duì)提出，雙向啟動(dòng)子可能允許協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)以相反方向運(yùn)行的基因。例如，結(jié)合啟動(dòng)子區(qū)域的轉(zhuǎn)錄因子可以同時(shí)調(diào)控兩個(gè)相鄰基因的表達(dá)。這些分子細(xì)節(jié)和其他潛在形式的RNA依賴性調(diào)控仍未確定。

，美國洛克菲勒大學(xué)生物物理學(xué)家Shixin Liu及其同事們對大腸桿菌的轉(zhuǎn)錄有一個(gè)補(bǔ)充性的發(fā)現(xiàn)：一些以相反方向運(yùn)行的趨同基因共享一個(gè)雙向的轉(zhuǎn)錄終止子（Nature Microbiology, 2019, doi:10.1038/s41564-019-0500-z）。

Liu說，細(xì)菌有相對緊湊的基因組。“這些[雙向元件]似乎是在它們的較小基因組中編碼更復(fù)雜的調(diào)節(jié)功能的一種方式，因此一個(gè)啟動(dòng)子可以控制兩個(gè)不同的基因，或者一個(gè)終止子可以同時(shí)控制兩個(gè)趨同的基因。"

Warman說，雙向啟動(dòng)子的普遍存在對于生物技術(shù)應(yīng)用來說可能是值得注意的，科學(xué)家們的目標(biāo)是使用高效的啟動(dòng)子來產(chǎn)生基因產(chǎn)品。“我認(rèn)為這只是任何對基因表達(dá)感興趣的人需要注意的事情。"