转录

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转录是遗传信息由DNA转换到RNA的过程。作为蛋白质生物合成的第一步,转录是mRNA以及非编码RNA(tRNA、rRNA等)的合成步骤。

目录

定义

转录(Transcription)是遗传信息从DNA到 RNA的转移。即以双链DNA中的一条链为模板,以腺三

转录

磷(ATP)、胞三磷(CTP)、鸟三磷(GTP)和尿三磷(UTP)4种核苷三磷酸为原料,在RNA聚合酶催化下合成RNA的过程。  

特点

转录是通过碱基互补的原则来生成一条带有互补碱基的MRNA,通过它携有的密码子核糖体中可以实现蛋白质的合成。与DNA的复制相比,有很多相同或相

转录

似之处,亦有其自己的特点。

转录中,一个基因会被读取被复制为mRNA。就是说,以特定的DNA片断作为模板,以DNA依赖的RNA合成酶作为催化剂,合成前体mRNA。

在体内,转录是基因表达的第一阶段,并且是基因调节的主要阶段。转录可产生DNA复制的引物。在反转录病毒感染中也起到重要作用。

转录仅以DNA的一条链作为模板。被选为模板的单链模板链,又称信息链,有义链;另一条单链叫非模板链。DNA上的转录区域称为转录单位(transcription unit)。

RNA聚合酶合成RNA时不需引物,但无校正功能。  

举例

DNA: ATCGAATCG (将此为非模板链)

TAGCTTAGC (将此为模板链)

转录出的 mRNA: AUCGAAUCG

可看出只是将非模板链的T改为U,所以模板链又叫无义链。这也是中心法则和碱基互补配对原则的体

转录

现。  

逆转录

以RNA链为模板,经逆转录酶(即依赖于RNA的DNA聚合酶)催化合成DNA链,叫做逆转录。这种机制在RNA肿瘤病毒中首先发现。

RNA聚合酶是以DNA为模板的RNA聚合酶,也称转录酶

原核生物的RNA聚合酶分子量很大,通常由5个亚基组成;σ,β,β′和两个α亚基,可写作α2ββ′σ。含有5个亚基的酶叫全酶,失去σ亚基的叫核心酶(α2ββ′)。核心酶也能催化RNA的合成,但没有固定的起始点,也不能区分双链DNA的信息链与非信息链。σ亚基能识别模板上的信息链和启动子,因而保证转录能从固定的正确位置开始。β和β′亚基参与和DNA链的结合。

真核生物RNA聚合酶有3类(不包括真核细胞线粒体中类似原核的RNA聚合酶),由8~12条亚基组成,分子量高达80万。初步的研究指出,它们也可能存在类似原核的σ亚基组分。  

转录过程

在转录过程中,DNA模板被转录方向是从3′端向5′端;RNA链的合成方向是从5′端向3′端。RNA的

转录过程

合成一般分两步,第一步合成原始转录产物(过程包括转录的启动、延伸和终止);第二步转录产物的后加工,使无生物活性的原始转录产物转变成有生物功能的成熟RNA。但原核生物mRNA的原始转录产物一般不需后加工就能直接作为翻译蛋白质的模板。  

原始转录产物的合成

启动

RNA聚合酶正确识别DNA模板上的启动子并形成由酶、DNA和核苷三磷酸(NTP)构成的三元起始复合物,转录即自此开始。DNA模板上的启动区域常含有TATAATG顺序,称普里布诺(Pribnow)盒或P盒。复合物中的核苷三磷酸一般为GTP,少数为ATP,因而原始转录产物的5′端通常为三磷酸鸟苷(pppG)或腺苷三磷酸(pppA)。真核DNA上的转录启动区域也有类似原核DNA的启动区结构,和在-30bp(即在酶和DNA结合点的上游30核苷酸处,常以—30表示,bp为碱基对的简写)附近也含有TATA结构,称霍格内斯(Hogness)盒或 TATA盒。第一个核苷三磷酸与第二个核苷三磷酸缩合生成3′-5′磷酸二酯键后,则启动阶段结束,进入延伸阶段。  

延伸

σ亚基脱离酶分子,留下的核心酶与DNA的结合变松,因而较容易继续往前移动。核心酶无模板专一性,能转录模板上的任何顺序,包括在转录后加工时待切除的居间顺序。脱离核心酶的σ亚基还可与另外的核心酶结合,参与另一转录过程。随着转录不断延伸,DNA双链顺次地被打开,并接受新来的碱基配对,合成新的磷酸二酯键后,核心酶向前移去,已使用过的模板重新关闭起来,恢复原来的双链结构。一般合成的RNA链对DNA模板具有高度的忠实性。RNA合成的速度,原核为25~50个核苷酸/秒,真核为45~100个核苷酸/秒。  

终止

转录的终止包括停止延伸及释放RNA聚合酶和合成的RNA。在原核生物基因或操纵子的末端通常有一段终止序列即终止子;RNA合成就在这里终止。原核细胞转录终止需要一种终止因子ρ(四个亚基构成的蛋白质)的帮助。真核生物DNA上也可能有转录终止的信号。已知真核DNA转录单元的3′端均含富有AT的序列〔如AATAA(A)或ATTAA(A)等〕,在相隔0~30bp之后又出现TTTT顺序(通常是3~5个T),这些结构可能与转录终止或者与3′端添加多聚A顺序有关。  

转录产物的后加工

mRNA前体的后加工

原核mRNA的原始转录产物(除个别噬菌体外)都可直接用于翻译,而真核mRNA一般都有相应的前体,前体必须经过后加工才能用于转译蛋白质。一般认为,真核mRNA的原始转录产物(也称原始转录前体), hn RNA(hetero-geneous nuclear RNA,核不均一RNA),最终被加工成成熟的mRNA。

mRNA前体的后加工包括以下四方面:①装上5′端帽子:转录产物的5′端通常要装上甲基化的帽子;有的转录产物5′端有多余的顺序,则需切除后再装上帽子。②装上3′端多聚A尾巴:转录产物的3′端通常由多聚A聚合酶催化加上一段多聚A,多聚A尾巴的平均长度在20~200个核苷酸;有的转录产物的3′端有多余顺序,则需切除后再加上尾巴。装5′端帽子和3′端尾巴均可能在剪接之前就已完成。③剪接:将mRNA前体上的居间顺序切除,再将被隔开的蛋白质编码区连接起来。剪接过程是由细胞核小分子RNA(如U1RNA)参与完成的,被切除的居间顺序形成套索形(即lariat RNA中间体)。④修饰:mRNA分子内的某些部位常存在N6-甲基腺苷,它是由甲基化酶催化产生的,也是在转录后加工时修饰的。

有的真核mRNA前体,由于后加工的不同可产生两种或两种以上的mRNA(如人的降血钙素基因转录产物),因而能翻译成两种或两种以上的多肽链。  

tRNA前体的后加工 

目前分离得到的tRNA前体有两类:①含单个tRNA的tRNA前体,在5′端和3′端各有一段多余顺序;②含二个tRNA的tRNA前体,除5′端和3′端有长短不一的多余顺序外,在两个tRNA之间还有数目不等的核苷酸隔开。有的真核tRNA前体的反密码子环区含有一个居间顺序。

原核和真核生物tRNA前体的后加工有相似的步骤:①修饰:对tRNA分子上的部分核苷酸进行修饰(包括甲基化、酰化、硫代和重排等);②切除5′端和3′端多余核苷酸;③3′端不含CCA顺序的tRNA前体需装上CCA顺序。原核与真核tRNA前体的加工过程还有不同的情况:①原核多顺反子tRNA前体,需加工时切开;②含有居间顺序的真核tRNA前体,加工时需除去居间顺序。首先,tRNA前体被一内切核酸酶将居间顺序切除,产生带有 2′,3′-环磷酸的5′半分子和含有5′羟基的3′半分子;然后两个半分子分别在2′,3′-环磷酸二酯酶多核苷酸激酶作用下使5′半分子露出了羟基和2′磷酸基,使3′半分子带上5′磷酸基,这两个半分子再先后经过连接酶磷酸单酯酶(去除2′磷酸基)的作用,最后生成成熟的tRNA。  

rRNA前体的后加工

rRNA前体的后加工通常有如下步骤:①修饰:除5SrRNA外,rRNA分子上通常有修饰核苷酸(主要是甲基化核苷酸),它们都是在后加工时修饰的。一般认为核糖2′羟基的甲基化在碱基甲基化之前;②剪切:在rRNA前体分子的多余顺序处切开,产生许多中间前体,然后再切除中间前体末端的多余顺序;③剪接:有的真核生物rRNA前体中存在有居间顺序的,须加工时除去。1982年T.R.切赫发现,在四膜虫(Tetrahymena)rRNA前体中,去除含有413个核苷酸的居间顺序是由rRNA前体自身催化完成的。在 5′-鸟苷酸的促进下经过自身催化作用将居间顺序切除,居间顺序前后的两个部分再连接起来,产生成熟的rRNA(5′-UpU-3′)和一个环状RNA分子及一个15个核苷酸残基的小片段。rRNA前体的自身催化作用表明 RNA具有类似于酶的活性。这一发现突破了生物高分子中只有蛋白质才有催化作用的观念。同时对生物进化与生命起源等研究都将有重要的意义。  

区别

真核生物RNA的转录与原核生物RNA的转录过程在总体上基本相同,但是,其过程要复杂得多,主要有以下几点不同:

⒈ 真核生物RNA的转录是在细胞核内进行的,而蛋白质的合成则是在细胞质内进行的。所以,RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内,才能指导蛋白质的合成。

⒉ 真核生物一个mRNA分子一般只含有一个基因,原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因,而除少数较低等真核生物外,一个mRNA分子一般只含有一个基因,编码一条多肽链。

⒊ 真核生物RNA聚合酶较多在原核生物中只有一种RNA聚合酶,催化所有RNA的合成,而在真核生物中则有RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ三种不同酶,分别催化不同种类型RNA的合成。三种RNA聚合酶都是由10个以上亚基组成的复合酶。RNA聚合酶Ⅰ存在于细胞核内,催化合成除5SrRNA以外的所有rRNA的合成;RNA聚合酶Ⅱ催化合成mRNA前体,即不均一核RNA(hnRNA)的合成;RNA聚合酶Ⅲ催化tRNA和小核RNA的合成。

⒋ 真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA 。原核生物中RNA聚合酶可以直接起始转录合成RNA ,真核生物则不能。在真核生物中,三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录。另外,RNA聚合酶对转录启动子的识别,也比原核生物更加复杂,如对RNA聚合酶Ⅱ来说,至少有三个DNA的保守序列与其转录的起始有关,第一个称为TATA框(TATA box),具有共有序列TATAAAA,其位置在转录起始点的上游约为25个核苷酸处,它的作用可能与原核生物中的-10共有序列相似,与转录起始位置的确定有关。第二个共有序列称为CCAAT框(CCAAT box),具有共有序列GGAACCTCT,位于转录起始位置上游约为50-500个核苷酸处。如果该序列缺失会极大地降低生物的活体转录水平。第三个区域一般称为增强子(enhancer),其位置可以在转录起始位置的上游,也可以在下游或者在基因之内。它虽不直接与转录复合体结合,但可以显著提高转录效率。  

转录的调节控制

转录的调节控制是基因表达调节控制中的一个重要环节。促进基因转录叫正调节,抑制基因转录叫负

转录的调节控制

调节。

在原核生物方面1961年F.雅各布和J.莫诺提出的操纵子学说,得到许多人的验证和充实。操纵子通常的调控方式为:①诱导和阻遏作用;②环腺苷酸(CAMP)和降解物活化蛋白(CAP)的调节作用;③弱化作用。

对真核细胞基因转录的调节控制目前知道得很少。同种高等生物每个个体的各个体细胞都有全套相同的基因,只是由于在发育过程中基因表达的调节控制(包括转录的调节控制)不同,因而发育成各种不同的组织和器官。目前认为,动物(包括人)都含有癌基因,但有的致癌,有的则不致,这也可能是由于转录与翻译的调控不同。另外,真核DNA中的结构基因只占总量的10%左右,大部分DNA顺序都可能起调节控制作用。真核生物也有诱导酶和诱导蛋白质,如干扰素就是由病毒或双链RNA等诱导产生的一种蛋白质。  

转录抑制剂

转录能被一些特异性的抑制剂抑制,有些抑制剂是治疗某些疾病的药物,有的则是研究转录机理的重要试剂。按照作用机理的不同,转录抑制剂分为两大类。第一类抑制剂特异性地与DNA链结合,抑制模板的活性,使转录不能进行。这类抑制剂同时抑制DNA复制,例如:放线菌素D、纺锤菌素、远霉素、溴乙锭和黄曲霉素等。第二类抑制剂作用于RNA聚合酶,使RNA聚合酶的活性改变或丧失,从而抑制转录的进行。这类抑制剂只抑制转录,不影响复制,是研究转录机制和RNA聚合酶性质的重要工具,例如:利福平

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