Bacteriophage T7 infection of $\it{Escherichia coli}$ is uniquely slow, taking about 10 minutes, as linear phage DNA is injected into host by DNA pulling action of transcribing RNA polymerase. A strong intrinsic terminator $T\Phi$ encoding an RNA hairpin-oligo(U), however, is located at a three-fifth position of T7 genome and halts the phage DNA injection. This terminator should be inactivated for resumption of injection and expression of $T\Phi$-downstream promoter-less genes $\it{11}$ and $\it{12}$, but its regulatory mechanism has not been known to date. Two novel mechanisms are provided in this study for antitermination of $T\Phi$, both involving modulation of RNA secondary structure.
Firstly, the oligo(U) sequence exerts an antitermination activity on terminator $T\Phi$ via allowing elongation complexes to pause. The pausing is observed three base-pairs upstream of termination site in a single-round transcription reaction. This pausing is caused by the oligo(U) sequence rather than the RNA hairpin, and RNA polymerase is backtracked with three 3`-end RNA residues protruded from the active site due to weak interactions between rU and dA. The backtracked pausing favors formation of a thermodynamically more stable antiterminator structure rather than an incomplete terminator RNA structure, resulting in inactivation of terminator $T\Phi$. In the antiterminator RNA, the 5` half of the terminator RNA was sequestered by a further upstream sequence in a $\it{cis}$-acting manner.
Secondly, we show that abortive initiation affects termination in transcription of bacteriophage T7 gene $\it{10}$. Specifically, abortive transcripts produced from promoter $\Phi$10 exert $\it{trans}$-acting antitermination activity on terminator $T\Phi$both $\it{in vitro}$ and $\it{in vivo}$. Following abortive initiation cycling of T7 RNA polymerase at $\Phi$10, short G-rich and oligo(G) RNAs are produced and both specifically sequester 5- and 6-nucleotide C+U stretch sequences, consequently interfering with terminator hairpin formation. This antitermination activity depends on sequence-specific hybridization of abortive transcripts with the 5` but not 3` half of $T\Phi$ RNA. Antitermination is abolished when $T\Phi$ is mutated to lack a C+U stretch, but restored when abortive transcript sequence is additionally modified to complement the mutation in $T\Phi$, both $\it{in vitro}$ and $\it{in vivo}$. Antitermination is enhanced $\it{in vivo} when the abortive transcript concentration is increased via overproduction of RNA polymerase or ribonuclease deficiency.
박테리오파아지 T7 의 종결제 $T\Phi$ 의 RNA 염기 서열은 머리핀 구조로 되어 있으며 3’ 말단에 6 개의 연속된 U 염기가 뒤따른다. 대장균에 T7 파아지가 감염되는 시간은 10 분 정도이며 전사에 의해서 일어난다. T7 의 종결제 $T\Phi$ 는 T7 유전체에 중간정도에 위치해 있는데 전사를 종결 시킴으로서 유전체의 이동을 저해할것이다. 본 연구에서는 종결제 $T\Phi$ 의 두 가지 새로운 저해 기작을 발견하였다. 이 전사 종결 저해 기작은 전사 멈춤 또는 전사 개시 중의 짧은 전사물에 의해서 발생되었다.
먼저, 전사 종결 위치 이전의 전사 멈춤은 다른 조절 단백질 없이 U 염기 서열에 의해서 일어 났다. 전사 멈춤은 종결제의 선도 염기 서열이 종결제의 왼쪽 머리핀 염기서열과 결합시키게 도와줌으로써 종결 감소 현상을 일으켰다. 종결 감소의 정도는 두 염기 서열간의 결합력에 의해서 결정되었다.
다음, 전사 개시 중에 형성되는 짧은 불안전 전시물은 종결에 반드시 필요한 C 또는 U 염기 다발적인 서열과 결합함으로써 전사 종결 감소를 일으켰다. 종결 감소 정도는 불안정한 짧은 전사물의 양과 염기 서열에 의해서 결정되었다. 여기서 제시된 시험관 내에서 2가지 종결 감소 기작은 생체 내에서도 파아지 DNA 의 이동 및 파아지 구조 유전자 발현에 중추적인 역할을 할 것이라 생각된다.
