结构生物化学/转录
转录与 DNA 复制类似，DNA 被用作模板来制造新的核苷酸链（RNA）。新合成的 RNA 链与 DNA 模板链互补。
RNA 聚合酶使用核糖核苷三磷酸 (rNTP) 在 5'->3' 方向合成 mRNA 链（rATP、rUTP、rCTP 和 rGTP）。
转录可以分为 3 个步骤
1. 启动。转录从 RNA 聚合酶与称为启动子的 DNA 区域结合开始。需要额外的转录因子才能将 RNA 聚合酶固定在 DNA 的正确区域。在 RNA 聚合酶与启动子区域结合后，它会融化转录起始位点周围的 10-15 个核苷酸碱基对，使 rNTP 能够与模板链结合。启动在第一个 rNTP 通过磷酸二酯键与 RNA 聚合酶连接时结束。（与 DNA 复制不同，不需要引物）
2. 延伸：RNA 聚合酶离开起始位点并沿模板在 3'->5' 方向移动。在此过程中，由于解旋酶，DNA 双螺旋在 RNA 聚合酶之前打开。
3. 终止：RNA 聚合酶从 DNA 模板链上释放并离开 DNA。
原核生物和真核生物的转录过程非常相似，都包含启动步骤、延伸步骤和终止步骤。但是，它们也存在差异。
原核生物含有操纵子，而真核生物没有。操纵子是参与相似功能的相关基因的簇，通常以连续排列的方式存在。操纵子由单个启动子控制，因此转录产生 1 个 mRNA，可以翻译成多个蛋白质。如果没有操纵子，每个基因都需要单独的启动子。操纵子有助于提高转录效率；例如
使用操纵子
|Promoter|Gene A|Gene B|Gene C| ---transcription---> mRNA ---translation---> protein A + protein B + protein C
不使用操纵子
|Promoter|Gene A| ---transcription---> mRNA A ---translation---> protein A
|Promoter|Gene B| ---transcription---> mRNA B ---translation---> protein B
|Promoter|Gene C| ---transcription---> mRNA C ---translation---> protein C
虽然操纵子提供了能够在一个点启动转录并转录多个基因的优势，但它也有一些缺点。一个缺点是，如果操纵子序列的启动子发生突变，则操纵子中的所有基因都无法转录。
操纵子由 3 部分组成
1. Structural Genes 2. Promoter region 3. Operator region
结构基因编码蛋白质。所有结构基因将变成一个单一的 mRNA，该 mRNA 编码多个蛋白质。
启动子区域是 RNA 聚合酶与 DNA 结合以启动转录的位置。并非所有启动子都具有相同的序列。强启动子将具有与已知共有序列相似的核苷酸序列。弱启动子将具有不同的序列。
操纵子区域位于启动子区域旁边，并与其重叠。它是阻遏蛋白可以结合的位点。当阻遏蛋白结合到操纵子时，RNA 聚合酶将无法结合到启动子，因此转录将不会发生。
可诱导操纵子
可诱导操纵子是一种操纵子，在转录发生之前需要一种物质与其结合，它通常是“关闭”的，但当一种物质与其结合时，它就会被“打开”。乳糖操纵子是可诱导操纵子的一个例子。它编码参与乳糖代谢的 3 种酶。乳糖操纵子有 4 个区域
1. CAP binding site: important to increase the rate of transcription of an operon 2. Promoter: location where RNA polymerase binds 3. Operator: location where a repressor binds 4. Genes (ZYA): Gene Z encodes for Beta-galactosidase, which breaks down lactose Gene Y encodes for galactosidase primase, a transporter protein that allows lactose to get into the cell Gene A encodes for galactosidase transacetylase
细菌更喜欢代谢葡萄糖而不是乳糖。考虑到这一点，我们可以看到三种不同的情况
1. 无乳糖，高葡萄糖
如果不存在乳糖，乳糖操纵子将不会被打开。阻遏蛋白将结合到与转录起始位点重叠的操纵子上，阻止 RNA 聚合酶与启动子结合，从而阻止乳糖操纵子的转录。这对细菌节省能量非常重要。因为它们更喜欢代谢葡萄糖，所以在不存在乳糖和高葡萄糖的情况下，没有必要打开乳糖操纵子。
2. 高乳糖，高葡萄糖
乳糖将与阻遏蛋白结合，引起构象变化，迫使阻遏蛋白从操纵子上解离。结果，RNA 聚合酶可以与启动子结合并允许转录发生，但是，它是弱转录。
3. 高乳糖，低葡萄糖
乳糖仍然会与阻遏蛋白结合并迫使它从操纵子上解离（由于存在大量的乳糖）。然而，低葡萄糖水平会导致环状 AMP 增加。环状 AMP 的增加将与 CAP 结合位点结合。然后，这会增加 RNA 聚合酶与启动子的结合，导致大量的转录。
可阻遏操纵子
可阻遏操纵子是一种操纵子，其中转录通常是“打开”的，但当一种物质与其结合时，它就会被“关闭”。它与可诱导操纵子相反。
色氨酸操纵子是可阻遏操纵子的一个例子，它参与合成必需氨基酸色氨酸。色氨酸要么是合成的，要么是从环境中获得的。色氨酸操纵子通常是打开的，转录合成色氨酸所需的 RNA，但是，在存在色氨酸（从环境中获得）的情况下，为了节省能量，操纵子会被关闭。
转录因子的功能是将 RNA 聚合酶和启动子结合在一起。它将与 RNA 聚合酶结合，同时与 DNA 启动子结合。转录因子存在于原核生物和真核生物中。
“σ因子”是原核生物转录因子的一个例子。σ因子参与将 RNA 聚合酶定位到正确的位置。
真核生物中有三种不同的 RNA 聚合酶
1. RNA polymerase I: makes rRNA 2. RNA polymerase II: makes mRNA, miRNA, and splicing RNA 3. RNA polymerase III: makes tRNA, rRNA, and splicing RNA
所有三种 RNA 聚合酶的结构非常相似并且高度保守。这些组分包括一个 rNTP 进入位点和一个磷酸二酯键形成位点。RNA 聚合酶 II 包含一个称为羧基末端结构域 (CTD) 的区域，它是 RNA pol II 特有的。CTD 是七个氨基酸重复序列的串联重复序列，在脊椎动物中重复 52 次。它对生存至关重要，RNA 聚合酶 II 无法在没有它的情况下发挥作用。在转录之前，CTD 处于非磷酸化状态，在转录的启动步骤之后，CTD 变得磷酸化。
启动子告诉细胞在哪里开始转录。转录因子识别并结合到启动子区域，并且还有助于招募 RNA 聚合酶。
近端启动子和增强子也是转录因子结合的位点。近端启动子位于起始位点上游约 200 个碱基对。增强子距离起始位点更远，可以在起始位点上游或下游高达 50,000 个碱基对处找到。
启动子区域是通过两个不同的实验确定的：5' 缺失分析和连接子扫描分析。
真核生物和原核生物转录之间的几个区别包括：真核生物有多种通用转录因子，没有操纵子，并且基因组被包装在染色质中。另一方面，原核生物只有一个通用转录因子，有操纵子，并且基因组位于质粒中。
观察和比较原核生物和真核生物的转录三个步骤。
1.起始：RNA 聚合酶与双链 DNA 的结合。
对于原核生物：RNA 聚合酶在其复杂性中包含一个核心，必须与 DNA 模板的启动子区域结合。另一个亚基，称为 σ 因子，通过使用许多弱氢键与碱基对结合（许多弱氢键的累积会导致强净力）使这成为可能。因此，RNA 聚合酶只是沿着 DNA 滑动，它要么找到一个启动子，要么溶解并从其他地方开始。如果它找到一个启动子，它将继续解开 DNA，这将导致延伸。原核生物有两个启动子位点，位于第一个要转录的核苷酸的上游。它们是 Pribnow 盒，位于上游 10 个核苷酸处，序列为 TATAAT，以及 -35 区域，序列为 TTGACA。
对于真核生物：真核生物在其起始阶段更加复杂。首先，RNA 聚合酶不会随机地在 DNA 上寻找启动子区域。相反，转录因子用于在启动子区域创建特定实例，以便 RNA 聚合酶与其结合。在真核细胞中，还有三种不同类型的 RNA 聚合酶，每一种转录不同的 RNA 类型。一旦 RNA 聚合酶结合到其相应的启动子区域（配备转录因子），它就会创建一个转录起始复合物，该复合物穿过 DNA。真核生物也有两个启动子位点，一个是称为 TATA 或 Hogness 盒，位于 -25 处，序列为 TATAAA，以及 CAAT 盒，位于 -75 处，序列为 GGNCAATCT。转录是由增强子序列的刺激启动的。
2.延伸：核苷酸共价添加到不断增长的多核苷酸链的 3' 末端。
对于原核生物：当 DNA 解开时，它的碱基对现在可用于结合。第一个核糖核苷酸三磷酸（RNA 结构单元）与其结合。RNA 聚合酶失去其 σ 亚基，只留下核心。解开的 DNA 位点为 RNA 结构单元提供与之形成氢键的位点（在其正确的碱基对中）。此外，三磷酸盐像火车连接一样使用，以共价方式形成新的 RNA 块之间的磷酸二酯键。
对于真核生物：随着复合物穿过 DNA，它将其解开，并允许与瞬时 RNA 结构单元发生沃森-克里克碱基配对，使用磷酸二酯键将它们连接在一起。
3.终止：识别转录终止序列并释放 RNA 聚合酶。
对于原核生物：延伸一直持续到它到达 DNA 上发现的停止信号。RNA 聚合酶核心溶解，DNA 重绕。大肠杆菌中的终止信号是一个富含鸟嘌呤和胞嘧啶的碱基配对发夹。这两个核苷酸相互互补结合，形成一个发夹弯曲，然后紧随几个尿嘧啶核苷酸。该发夹就像一个结，连接到正在制造的 RNA 链上，因此 RNA 从 DNA 模板上分离。聚合酶在之后不久离开，DNA 被重新缠绕。转录也可以通过 rho 蛋白停止，rho 蛋白导致 mRNA 从模板 DNA 链上脱落。
对于真核生物：当 RNA 复合物到达 DNA 上的终止信号时，RNA 聚合酶 simply 从 DNA 上分离，使其能够重新缠绕。然后处理产生的 RNA。新转录的 mRNA 通过在称为聚腺苷酸化过程中的 5' 末端添加帽和在 3' 末端添加 poly(A) 尾进行未来处理。它在 mRNA 的 3' 末端添加了几个腺嘌呤残基。帽和 poly(A) 尾用于稳定 mRNA 分子并防止其降解。
染色质修饰
[edit | edit source]DNA 和蛋白质构成复杂的染色质，可以以常染色质或异染色质的形式存在。常染色质松散地凝聚，而异染色质紧密地凝聚。染色质凝聚很重要，因为它决定了转录活性：如果染色质过于紧密地凝聚（异染色质），那么转录因子和 RNA 聚合酶就无法进入；但是，如果染色质像常染色质一样松散地凝聚，那么转录因子和 RNA 聚合酶就可以更容易地进入染色质并开始转录。这意味着包含常染色质的基因很可能被转录，而异染色质基因不太可能被转录。
通过修饰组蛋白尾部来调节染色质的压缩和松弛。当组蛋白连接到乙酰基时，由于组蛋白上正电荷的中和，DNA 上的负电荷与组蛋白上的正电荷之间的相互作用变弱。结果，RNA 聚合酶可以更容易地进入 DNA，因此，该过程促进了体内转录活性。相反，当组蛋白去乙酰化时，意味着乙酰基从组蛋白尾部去除，染色质结构变得更加致密，因此转录被抑制。
http://www.broadinstitute.org/chembio/lab_schreiber/anims/animations/smdbHDAC.php