第五章转录（transcription）

中心法则（central dogma）

DNA是遗传信息的载体，它通过转录生成信使RNA（mRNA），翻译生成蛋白质的过程来控制生命现象。
蛋白质是基因表达的产物，基因表达主要包括转录和翻译，其中转录是基因表达的核心步骤，翻译是基因表达的最终目的。

RNA转录与DNA复制的比较

RNA聚合酶催化反应不需要引物
缺乏严谨的矫正机制，错误率较高
RNA产物不与模板链配对：在转录中DNA的解链是有限的和短暂的，只发生足够长度的链分离以便RNA聚合酶“阅读”DNA模板；而在复制过程中两条DNA母链永久性地分开。
因此，多个RNA聚合酶可以同时转录一个基因，在短时间内合成大量转录产物。
转录具有选择性，RNA转录选择性地复制基因组的特定部分，可以产生几个到上千个相同的拷贝

RNA分类

RNA的功能

(1)蛋白质合成
mRNA、tRNA、rRNA
(2)作为遗传物质
(3)作为调节分子
a. Small non-coding RNA通过序列互补地结合并干扰某些mRNA的翻译。
b. snRNAs:参与真核生物中mRNA前体分子的加工
(4)作为催化剂（核酶）
一些RNA（包括核糖体的结构RNA）是催化细胞中重要反应的酶。

转录相关的关键词

编码链、模板链、转录单元、上游/下游、启动子、增强子、RNA聚合酶

编码链（有意义链）、模板链（反义链）

基因（mRNA）的方向就是编码链（coding strand; sense strand）的方向
模板链(template strand)：又称反义链（antisense strand），指导mRNA合成。

转录单元（transcription unit）

转录单元是转录成单个RNA的DNA序列，起始于启动子，终止于终止子。

转录起始位点(Transcription start site)

与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基，通常为嘌呤A或G。
通常在起始核苷酸的两侧为C 和 T，(i.e. CGT or CAT)

启动子（promoter）

启动子是一段位于结构基因5’端上游区的保守的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确的结合并具有转录起始的特异性。

终止子（Terminator）

导致RNA聚合酶终止转录的DNA序列。

RNA聚合酶

RNA聚合酶需执行的功能
（1）识别DNA双链的起始子
（2）使DNA变性在启动子处解旋成单链
（3）通过阅读启动子序列，RNA聚合酶确定转录方向和模板链
（4）当它达到终止子时，通过识别停止转录。

原核生物的转录

原核生物(E.coli)的RNA聚合酶

σ因子通过使RNA聚合酶全酶与启动子紧密结合而启动转录。
存在多种σ因子用于识别不同的启动子。

σ因子自身并不能与DNA结合，但与核心酶相互作用后暴露出σ因子的DNA结合域：β’亚基的氨基酸片段促进sigma因子与启动子-10框的非模板链的结合；因子可以选择哪些基因将被转录

### 原核生物的启动子结构
在原核生物中，－10区和－35区的最佳距离大约是16～19 bp，过大或过小都会降低转录活性。这可能是与RNA Pol本身的大小和空间结构有关。
原核生物启动子共同特点：

-10区（Pribnow区）和-35区的发现

启动子的突变-10和-35区的突变分为下降突变和上升突变。

### 大肠杆菌转录起始和延伸

拓展-流产式起始：合成并释放2-9个核苷酸的短RNA转录物；
转录的延伸：β和β’亚基形成夹子将RNAP附着在DNA上。RNA聚合酶本身沿着反义链以3’→ 5’方向移动，共价地向生长RNA链的3’端添加核糖核苷酸，
### 转录的终止
当RNA链延伸到转录终止位点时，RNA polymerase 和RNA链均从DNA模板上释放出来。
大肠杆菌中两种终止子：•不依赖于ρ因子的终止；•依赖于ρ因子的终止
不依赖于ρ因子的终止

依赖于ρ因子的终止
1. 只含有自我互补区域，可形成茎环结构，但在茎中的G.C含量少，茎环易打开。其终止需要 ρ 因子的参与。
2. RNAP转录暂停在rho敏感的暂停位点：大约位于rut位点(ρ utilization)下游100nt处。 rut: ~40-70nt,富含C，没有特定的二级结构。
3. 当RNA离开RNAP时，Rho与RNA 的rut位点结合
4. ρ通过催化NTP的水解促使新生RNA链从三元转录复合物中解离。
>- ρ因子是ATP依赖性六聚体解旋酶家族的成员。
- 每个亚基具有RNA结合结构域和ATP水解结构域

“穷追”模型

### 常识数据
- 转录生成mRNA的速度大约是每分钟2500个核苷酸(14个密码子/秒)，与翻译速度(15aa/秒)基本相等，但比DNA复制的速度要慢得多（800bp /秒）
- 基因开始表达→mRNA的间隔约为2.5分钟，而再过半分钟就能在细胞内测到相应的蛋白质。

真核生物的转录

真核生物启动子及对转录的影响

1. 核心元件-TATA区（使转录精确地起始，确定RNA起始位点）
TATAbox（Hogness区）: –25～–30 bp区，保守序列为TATAAA
启始子(initiator，Inr) ：转录起始位点附近
2. 上游启动子元件（ upstream promoter element，UPE），又称上游激活序列（upstream activating sequence，
UAS ）
CAAT区和GC区主要控制转录起始频率
CAAT box ：–70～–80区CCAAT序列
GC box: –80～–110含有GCCACACCC或GGGCGGG序列。

远端调控区-增强子

Enhancer elements（增强子）
1981年由Benerji, Rusconi小组和Chambom等发现的，又称远上游序列（far upstream sequence）。
已在SV40的转录单元上发现其转录起始位点上游约200bp处有两段72bp长的重复序列，它们不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始，因此，称这种能强化转录起始的序列为增强子或强化子（enhancer）

增强子很可能通过影响染色质DNA－蛋白质结构或改变超螺旋的密度而改变模板的整体结构，从而使得RNA聚合酶更容易与模板DNA相结合，起始基因转录。

上图来自https://oertx.highered.texas.gov/courseware/lesson/1691/overview

增强子特点
①具有远距离效应。
②无方向性。
③顺式调节。
④无物种和基因的特异性，
⑤具有组织的特异性。
⑥有相位性。
⑦有的增强子可以对外部信号产生反应。

真核生物RNA聚合酶

Comparison of the crystal structures of prokaryotic and eukaryotic RNA polymerases. (a) Structure of RNA polymerase core enzyme from Thermus aquaticus； (b) Structure of RNA Pol II from yeast Saccharomyces cerevisiae.

真核细胞中三类RNA聚合酶特性比较

RNA合成抑制剂

RNA合成抑制剂主要分为两类：模板结合抑制剂和聚合酶抑制剂

真核聚合酶Ⅱ的转录

聚合酶II（RNAP II）转录大多数结构基因
转录产物是前体-mRNA：转录后加工是广泛的。

前起始复合物（preinitiation transcription complex, PIC）

组成：
GTF：General Transcription factors
TFⅡ：DNA binding TFs & RNAP binding TFs

真核生物转录与加工

原核与真核生物转录比较

原核生物：没有转录后修饰，同步转录和翻译
真核生物：转录和翻译在不同位置
转录后修饰：1） 5’-cap；2）3’-tail：3） Intron Splicing
单顺反子mRNA(monocistronic mRNA):只编码一个蛋白质的RNA。
多顺反子mRNA(polycistronic mRNA):编码多个蛋白质的mRNA。

真核生物转录后RNA加工过程

加工过程	推测的生理功能
加帽子反应	mRNA从细胞核向细胞质运转，翻译起始
加多聚A反应	转录终止，翻译起始和mRNA降解
RNA的剪接	从mRNA,tRNA和rRNA分子中切除内含子
RNA的切割	从前体RNA中释放成熟的tRNA和rRNA分子

1、pre-mRNA的5’端“加帽”

通过 5′→ 5′磷酸二酯键在原初mRNA的5’端倒扣一个“G”。m7GpppNp-———

帽子🧢结构的功能
（1）有助于mRNA越过核膜，进入胞质；
（2）保护5’不被核酶降解
（3）翻译时供IFⅢ（起始因子）和核糖体识别，对翻译起始很重要。

2、pre-mRNA的加多聚(A) 尾巴过程

• 绝大多数真核生物mRNA的有多聚(A) 尾巴
• Poly(A)被特异的蛋白质PABP结合。
• 许多非编码RNA（microRNA， long noncoding regulatory RNAs ）也具有多聚(A) 尾巴

真核生物中没有终止子序列；在高等生物中(酵母除外)在poly(A)上游11-35nt处有一高度保守的特殊序列AAUAAA, 能使转录停止。

多聚(A)的功能
•是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式；
•保护mRNA，防止mRNA在细胞质中被酶降解。
mRNA刚从细胞核进入细胞质时，其多聚(A)尾巴一般比较长，随着mRNA在细胞质内逗留时间延长，多聚(A)逐渐变短消失，mRNA进入降解过程。
•有助于转录的终止；
•它可促进翻译的起始以及核糖体的有效循环。
mRNA的降解
• poly（A）核糖核酸酶（PARN）可以结合5’帽并从poly（A）尾去除核苷酸
• 去除poly（A）尾后，去盖复合物（the decapping complex ）去除5’帽，导致RNA降解。

内含子的剪接、编辑及化学修饰

转录
1、启动子结构影响它与RNA聚合酶的亲和力；启动子能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确结合并具有转录起始特异性