2019年7月17日，位于美國紐約的洛克菲勒大學劉詩欣實驗室（第一作者為鞠湘武博士）在Nature Microbiology發表文章Full-length RNA profiling reveals pervasive bidirectional transcription terminators in bacteria，報道了他們研究的一種新的RNA測序方法，5 和3 末端連同測序（simultaneous 5 and 3 end sequencing, SEnd-seq）。

這種方法通過將RNA末端標記后，逆轉錄成單鏈cDNA，然后將cDNA進行環化，使得cDNA的兩個末端連接在一起。隨后將環化的cDNA 打斷后，將同時包含RNA 5’端和3’端的片段進行富集并制備成測序文庫，在Illumina 平臺如Next-seq 500進行測序。通過相應的生物信息學分析可以精確地還原RNA的相應末端信息。由于在細菌中內含子并不常見，因些可以根據兩處末端信息推斷出每個RNA分子的完整序列信息。

圖1：SEnd-seq RNA測序流程

該論文使用了一種高通讀性的II型內含子成熟酶，來盡可能地將長度各異、包含各種復雜二級結構的全長RNA完整地逆轉錄成cDNA；并通過優化反應條件，使得TS2126連接酶能高效地將不同長度的cDNA環化。文章在隨后一系列的質量控制分析中，顯示SEnd-seq并沒有引起明顯的長度或者末端序列偏差，也幾乎沒有檢測到不同cDNA的線性連接，而且得到基因表達水平同普通RNA測序結果高度相關。

因此通過SEnd-seq RNA測序方法，該文作者繪制出精確到單個核甘酸的高分辨率大腸桿菌轉錄組圖譜。同時結合相應方法，SEnd-seq可以在大腸桿菌中檢測出比以前更多的轉錄起始位點 （TSS） 和轉錄轉錄終止位點（TTS），并成功注釋大部分轉錄終止位點類型如固有終止子（Intrinsic terminator）和Rho蛋白依賴的終止子（Rho-dependent terminator）。而且SEnd-seq方法可以非常直觀地顯示轉錄組操縱子結構，反義RNA分布等多種信息。

除此之外，他們還發現很多兩個轉錄會聚方向的RNA轉錄物經常會出現3’末端重疊，從而形成雙向轉錄終止子（Bidirectional terminator）。而這兩個轉錄本可能是由一對轉錄相反方向的基因或基因和反義編碼RNA之間組成。但大部分雙向轉錄終止子并不是兩個轉錄終止子的簡單重疊，提示其它的機制可能在發揮作用。通過體外和體內的實驗進一步證明，兩個會聚行進方向的RNA 聚合酶在雙向轉錄終止子附近的碰撞會引起很高的轉錄終止效率，比僅僅單一方向的轉錄終止效率要高得多。這一發現進一步將基因轉錄排列方向同轉錄功能及產物聯系起來。

圖2：會聚行進方向的RNA 聚合酶碰撞引起轉錄終止示意圖

以上結果表明，SEnd-seq是一種功能強大的測序方法。而且一對測序序列可以對應一條RNA分子，因此很容易得到很深的測序深度并節省測序費用。綜上， SEnd-seq完全可以進一步被廣泛地應用于病原細菌轉錄組和亞轉錄組等方向的研究。

研究背景

RNA 不僅起到傳遞遺傳信息、翻譯蛋白的作用，在細胞內還發揮非常廣泛和關鍵的調節功能， 如小RNA和非編碼RNA等。而RNA功能主要是由其核苷酸序列決定的，特別是5 和3 末端序列對其功能至關重要。在細菌體內，RNA 的轉錄、翻譯和降解常常同時進行，每個RNA分子的5 和3 末端動態變化是體內一系列轉錄調節的產物。因此，測定所有RNA分子的全長序列可以更好地了解細胞功能、基因調節網絡，特別是同RNA 有關機制的相互作用。

新一代高通量RNA測序是用于分析轉錄組學革命性的工具。基于Illumina 平臺的高通量測序可以輕易地得到大量的測序短序列，但通常需要將RNA進行打斷，從而失去了RNA的完整序列信息；而基于PacBio平臺的長序列測序可以得到RNA完整序列信息，但目前仍不能滿足轉錄組研究的準確性、高深度和高可靠性的要求。因此一種能夠結合兩者優勢的方法必將深受歡迎。

關于洛克菲勒大學

洛克菲勒大學（Rockefeller University）是一所世界著名的生物醫學教育研究中心，位于美國紐約，由美國石油大王洛克菲勒捐資建立。成立于1901年的洛克菲勒醫學研究所，在其82個獨立的實驗室中， 大學為科學家們提供一個獨特的協作環境。洛克菲勒醫學院引導患者導向學習，是全國唯一的完全用于臨床研究的私人醫療設施機構。洛克菲勒大學在生理學或醫學、化學領域擁有36位諾貝爾獎獲得者（校友及教職工），是世界上在生物醫學領域擁有諾貝爾獎最多的機構。