生物化学原理/细胞代谢 II：RNA 转录

转录是创建 DNA 序列的互补 RNA 拷贝的过程。RNA 和 DNA 都是核酸，它们使用核苷酸的碱基对作为互补语言，可以通过正确酶的作用在 DNA 和 RNA 之间来回转换。在转录过程中，DNA 序列由 RNA 聚合酶读取，RNA 聚合酶产生一个互补的、反向平行的 RNA 链。与 DNA 复制相反，转录产生的 RNA 互补物包含尿嘧啶 (U)，在所有出现胸腺嘧啶 (T) 的情况下。转录可以用 4 或 5 个简单的步骤来解释，每个步骤像波浪一样沿着 DNA 移动。RNA 聚合酶通过破坏互补核苷酸之间的氢键来解开/解压缩 DNA。RNA 核苷酸与互补 DNA 碱基配对。RNA 糖-磷酸骨架在 RNA 聚合酶的帮助下形成。未解开的 RNA+DNA 双螺旋的氢键断裂，释放新合成的 RNA 链。如果细胞有细胞核，RNA 会进一步加工，然后通过小的核孔进入细胞质。转录是导致基因表达的第一步。转录成 RNA 分子的 DNA 片段称为转录单位，它至少编码一个基因。如果转录的基因编码蛋白质，转录的结果是信使 RNA (mRNA)，然后将用于通过翻译过程创建该蛋白质。或者，转录的基因可能编码核糖体 RNA (rRNA) 或转移 RNA (tRNA)，蛋白质组装过程的其他成分，或其他核酶。编码蛋白质的 DNA 转录单位不仅包含最终将直接翻译成蛋白质的序列（编码序列），还包含指导和调节该蛋白质合成的调节序列。编码序列之前的调节序列（上游或来自编码序列）称为 5' 非翻译区 (5'UTR)，编码序列之后的序列（下游）称为 3' 非翻译区 (3'UTR)。转录有一些校对机制，但它们比复制 DNA 的控制机制更少且效率更低；因此，转录的复制保真度低于 DNA 复制。与 DNA 复制一样，DNA 在转录过程中从 3' → 5' 读取。同时，互补的 RNA 从 5' → 3' 方向创建。这意味着它的 5' 端首先在碱基配对中创建。虽然 DNA 以双螺旋形式排列成两条反向平行的链，但两条 DNA 链中只有一条称为模板链用于转录。这是因为 RNA 只是单链的，而不是双链的 DNA。另一条 DNA 链称为编码链，因为它的序列与新创建的 RNA 转录本相同（除了尿嘧啶取代胸腺嘧啶）。只使用 3' → 5' 链消除了对 DNA 复制中观察到的冈崎片段的需求。转录分为 5 个阶段：起始前、起始、启动子清除、延伸和终止。

转录起始

转录起始的简单图示。RNA 聚合酶 (RNAP)

真核生物中的转录起始更为复杂。真核生物的 RNA 聚合酶不能直接识别核心启动子序列。相反，一组称为转录因子的蛋白质介导 RNA 聚合酶的结合和转录的起始。只有在某些转录因子附着到启动子后，RNA 聚合酶才会与其结合。转录因子和 RNA 聚合酶的完整组装体结合到启动子，形成转录起始复合物。古细菌域中的转录类似于真核生物中的转录。

在细菌中，转录始于 RNA 聚合酶与 DNA 中的启动子结合。RNA 聚合酶是一个核心酶，由五个亚基组成：2 个 α 亚基、1 个 β 亚基、1 个 β' 亚基和 1 个 ω 亚基。在起始开始时，核心酶与一个 sigma 因子相关联，该因子有助于找到启动子序列下游的 -35 和 -10 碱基对。

什么是 sigma 因子？

sigma 因子（σ 因子）是一种原核生物转录起始因子，它使 RNA 聚合酶特异性地结合到基因启动子。不同的 sigma 因子响应不同的环境条件而被激活。每个 RNA 聚合酶分子都包含一个 sigma 因子亚基，在模式细菌大肠杆菌中，这个亚基是下面列出的一个。大肠杆菌有七个 sigma 因子；sigma 因子的数量在细菌种类之间有所不同。sigma 因子以其特征分子量来区分。例如，σ70 指的是分子量为 70 kDa 的 sigma 因子。

转录因子

转录因子对于基因表达的调节至关重要，因此存在于所有生物体中。生物体内发现的转录因子的数量随着基因组大小而增加，更大的基因组往往每个基因具有更多的转录因子。人类基因组中大约有 2600 种蛋白质包含 DNA 结合域，其中大多数被认为是转录因子。因此，基因组中大约 10% 的基因编码转录因子，这使得该家族成为人类蛋白质中最大的家族。此外，基因经常被几个不同转录因子的结合位点包围，每个基因的有效表达都需要几个不同转录因子的协同作用（例如，肝细胞核因子）。因此，大约 2000 种人类转录因子的一个子集的组合使用很容易解释发育过程中人类基因组中每个基因的独特调节。

在分子生物学中，转录因子（有时称为序列特异性 DNA 结合因子）是一种与特定 DNA 序列结合的蛋白质，从而控制遗传信息从 DNA 到 mRNA 的移动（或转录）。转录因子通过促进（作为激活剂）或阻止（作为抑制剂） RNA 聚合酶（执行从 DNA 到 RNA 的遗传信息转录的酶）募集到特定基因来单独或与其他蛋白质在复合物中执行此功能。

通用转录因子或 GTFs 密切参与基因调节过程，大多数是生命所必需的。TATA 结合蛋白（TBP）是一种 GTF，它与 TATAA 盒（T=胸腺嘧啶，A=腺嘌呤）结合，TATAA 盒是所有基因编码区直接上游的核酸基序。TBP 负责招募 RNA Pol II 全酶，这是转录起始的最后一步。这些蛋白质无处不在，并与 DNA 的核心启动子区域相互作用，该区域包含所有 II 类基因的转录起始位点。并非所有 GTF 都在转录起始中发挥作用；一些是转录的第二步，即延伸所必需的。例如，FACT 复合物的成员（S. cerevisiae 中的 Spt16/Pob3，人类中的 SUPT16H/SSRP1）促进 RNA Pol II 在基因编码区域的快速移动。这是通过将组蛋白八聚体移出活性聚合酶的路径并因此使染色质解压缩来实现的。

转录因子在结构上是模块化的，包含以下域

DNA 结合域（DBD），它附着在 DNA 增强子或启动子的特定序列上：所有载体所必需的组件：用于驱动载体转基因启动子序列的转录）位于受调节基因附近。与转录因子结合的 DNA 序列通常被称为反应元件。

反式激活域（TAD），它包含其他蛋白质（例如[转录共调节因子]的结合位点。这些结合位点通常被称为激活功能（AFs）。

一个可选的信号传感域（SSD）（例如，配体结合域），它感知外部信号，并响应这些信号，将这些信号传递到转录复合物的其余部分，从而导致基因表达的上调或下调。此外，DBD 和信号传感域可能驻留在转录复合物内相互关联以调节基因表达的单独蛋白质上。

RNA 延伸

转录延伸的简单图示（RNA 为蓝色）

合成第一个键后，RNA 聚合酶必须清除启动子。在此期间，RNA 转录本存在释放并产生截断转录本的趋势。这被称为中止起始，在真核生物和原核生物中都很常见。中止起始会持续发生，直到 σ 因子重新排列，导致转录延伸复合物的形成（该复合物会形成一个 35 bp 的移动足迹）。σ 因子在合成 80 个核苷酸的 mRNA 之前被释放。一旦转录本达到大约 23 个核苷酸，它就不会再滑动，延伸过程就可以进行。这与转录的其余大部分过程一样，是一个依赖能量的过程，消耗三磷酸腺苷 (ATP)。DNA 的一条链，模板链（或非编码链），被用作 RNA 合成的模板。随着转录的进行，RNA 聚合酶穿过模板链，并利用与 DNA 模板的碱基配对互补性来创建 RNA 拷贝。尽管 RNA 聚合酶从 3' → 5' 穿过模板链，但编码链（非模板链）和新形成的 RNA 也可以用作参考点，因此可以将转录描述为从 5' → 3' 发生。这会产生从 5' → 3' 的 RNA 分子，它是编码链的精确拷贝（除了胸腺嘧啶被尿嘧啶取代，并且核苷酸由核糖 (5-碳) 糖组成，而 DNA 在其糖磷酸骨架中具有脱氧核糖 (少一个氧原子)）。与 DNA 复制不同，mRNA 转录可以涉及单个 DNA 模板上的多个 RNA 聚合酶，以及多个转录循环（特定 mRNA 的扩增），因此可以从单个基因拷贝快速产生许多 mRNA 分子。延伸还涉及一个校对机制，该机制可以替换错误掺入的碱基。在真核生物中，这可能对应于转录过程中的短暂暂停，允许适当的 RNA 编辑因子结合。这些暂停可能是 RNA 聚合酶本身的固有属性，也可能是由于染色质结构所致。

转录终止

转录终止的简单示意图。RNA 以蓝色显示。

细菌使用两种不同的策略进行转录终止。在 Rho 独立转录终止中，当新合成的 RNA 分子形成一个富含 G-C 的发夹环，紧随其后是一段 U 时，RNA 转录停止。当发夹形成时，机械应力会破坏弱的 rU-dA 键，现在填补了 DNA-RNA 杂交体。这会将 poly-U 转录本从 RNA 聚合酶的活性位点拉出，实际上终止了转录。在“Rho 依赖性”类型的终止中，一种被称为“Rho”的蛋白质因子会破坏模板和 mRNA 之间的相互作用，从而将新合成的 mRNA 从延伸复合物中释放出来。真核生物中的转录终止尚不清楚，但涉及新转录本的切割，然后在称为多聚腺苷酸化的过程，在新的 3' 末端添加独立于模板的 A。

Rho 依赖性终止

Rho 因子作用于 RNA 底物。Rho 的关键功能是其解旋酶活性，其能量由 RNA 依赖性 ATP 水解提供。Rho 的初始结合位点是在合成中的 RNA 中的一个扩展的（约 70 个核苷酸，有时是 80-100 个核苷酸）单链区域，该区域富含胞嘧啶而缺乏鸟嘌呤，被称为 Rho 利用位点或 rut，位于实际终止序列的上游。已经发现了几个 Rho 结合序列。在这些序列中没有发现一致性，但不同的序列似乎都是特异性的，因为序列中的微小突变会破坏其功能。Rho 结合到 RNA 上，然后利用其 ATPase 活性提供能量，使其沿着 RNA 转运，直到到达 RNA-DNA 螺旋区域，在那里它解开杂合双链结构。RNA 聚合酶在终止序列处暂停，这是由于在 Rho 结合位点大约 100nt 处有一个特定的位点，称为 Rho 敏感暂停位点。因此，即使 RNA 聚合酶比 Rho 快大约 40nt/秒，但这对 Rho 终止机制没有问题，因为 RNA 聚合酶允许 Rho 因子赶上来。

Rho 独立终止

Rho 独立终止（也称为内在终止）是一种在真核生物和原核生物中都存在的机制，会导致 mRNA 转录停止。在这种机制中，mRNA 包含一个序列，该序列可以与自身配对以形成一个长度为 7-20 个碱基对的发夹环结构，该结构也富含胞嘧啶-鸟嘌呤碱基对。这些碱基在彼此之间形成三个氢键，因此特别牢固。在发夹环结构之后是一串尿嘧啶残基。尿嘧啶和腺嘌呤之间的键非常弱。与 RNA 聚合酶结合的蛋白质 (nusA) 与发夹环结构紧密结合，足以使聚合酶暂时停滞。聚合酶的这种暂停与 poly-尿嘧啶序列的转录相吻合。弱的腺嘌呤-尿嘧啶键使 RNA-DNA 双链体不稳定，导致其解开并从 RNA 聚合酶中分离。没有 poly-尿嘧啶序列的发夹环结构会导致 RNA 聚合酶暂停，但它通常会在短时间后继续转录，因为双链体太稳定，无法解开到足以导致终止的程度。Rho 独立转录终止是导致顺式作用 RNA 调节元件（如核糖开关）活性的常见机制。