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第五章
转录 转录（transcription）
是以DNA为模板， 在依赖DNA的RNA聚合酶的催化下， 以4种rNTP（ ATP、 CTP、 GTP和UTP ）为原料， 合成RNA的过程。
转录是DNA将遗传信息传递给蛋白质的中心环节。
在有些RNA病毒中， RNA也可以指导RNA的合成。
转录起始于RNA聚合酶和启动子(promoter)结合之后， 转录起始的第一个碱基称为转录起始点(start point) 。
在RNA 聚 合 酶 的 作 用 下 合 成RNA， 至终止子(terminator)终止。
由启动子到终止子之间的序列 称 为 转 录 单 位 (transcription unit)。
转录起始点前面的序列称为上游(upstream)， 后面的序列称为下游(downstream)。
第一节
转录酶和转录因子 一、 原核生物的RNA聚合酶。
大部分原核生物的RNA聚合酶的结构十分相 似， 在聚合酶的 表面形 成一条约2.5nm的通道， 是容纳DNA分子的场所。细 菌 RNA 聚 合 酶 的 大 小 约 为 9.5nm 9.5nm 16nm。
1.
大肠杆菌RNA聚合酶。
大肠杆菌RNA聚合酶由多亚基组成，全酶组装过程为2+ +’+ ， 分子量为480 KDa。
亚基与全酶结合疏松， 很容易与全酶分离。
全酶可以起始RNA的合成，之后亚基从全酶解离下来。
亚基可能参与全酶的组装及全酶识别启动子。
另外，
亚基还参与RNA聚合酶与一些转录调控因子间的作用。
亚基具有与底物（NTP及新生的RNA链）
结合的能力。
利福霉素可以阻断转录的起始， 链霉溶菌素可抑制延伸反应， 二者均是通过与亚基的结合而发挥作用的。
’亚基可能与模板结合。
肝素可与’亚基结合而抑制转录， 并且可以和’亚基竞争DNA的结合位点。
亚基和’亚基提供了RNA聚合酶的活性中心， 其一级结构与真核生物RNA聚合酶大亚基有同源性。
亚基的功能是帮助全酶识别启动子并与之结合。
亚基也可被看作一种辅助因子， 因此又可称为因子（ factor）
。
在转
录过程中， RNA聚合酶需要与其他蛋白质辅助因子（转录因子）
共同作用， 才能保证转录的顺利进行。
如转录终止时的终止因子和抗终止因子。
大肠杆菌RNA聚合酶多亚基的复杂结构主要是为酶提供了 与多种因子相互作用的能力， 从而可以识别多种启动子。
2.
因子。
RNA聚合酶要负责所有基因的转录， 也就是说要识别所有转录单位的启动子。因此，
因子在RNA聚合酶识别启动子的过程中起关键作用。
因子的二级结构属于螺旋， 是通过识别启动子上的某一序列来控制RNA聚合酶与启动子的结合的。
目 前已发现了 至少4种因子。
在细菌受到外界环境的急剧影响时， 会改变所表达的基因， 产生因子更替的现象。
如环境温度升高时， 大肠杆菌会开启rpoH基因的表达，
其产物32能识别热激基因的启动子，而正常状态下表达的基因会关闭或表达水平下降。芽孢菌生活周期过程中生活方式的改变也是通过因子的更替完成的。
二、 真核生物的RNA聚合酶。
在真核生物细胞中，共有三类RNA聚合酶， 即RNA聚合酶Ⅰ 、 RNA聚合酶 Ⅱ
和 RNA聚 合 酶Ⅲ。
它 们对鹅膏蕈碱（-amanitine）
的敏感性不同， 在细胞核中的定位也有差异。
RNA聚合酶Ⅰ 位于核仁， 活性所占比例最大， 负责rRNA （ 5.8S 、 18S 和28S）
的转录。
RNA聚合酶Ⅰ 负责了 大部分细 胞 RNA的 转录。
RNA聚合酶Ⅱ 位于核 质， 活性所占 比 例 仅次于 RNA聚 合酶Ⅰ ， 主 要负 责核 内 不均 一RNA(heterogenous nuclear RNA, hnRNA/ mRNA前体）
的转录。
RNA聚合酶Ⅲ也位于核质， 活性所占比例最小， 负责tRNA、 5SRNA、 Alu序列和其他小RNA的转录。
真核生物的RNA聚合酶的分子量都很大， 由8至14个亚基组成。
经纯化的RNA聚合酶具有以DNA为模板合成RNA的能力， 但不能正确地选择启动子。
目前尚不能完成RNA聚合酶的体外重建，无法确定哪些亚基是活性所必需的。
第二节
启动子 启动子(promoter)是指DNA分子上被RNA聚合酶识别并结合， 形成起始转录复合物的区域。
启动子上还包括一些调节蛋白因子的结合位点。
启动子是控制转录起始的序列， 并决定着某一基因的表达强度。
与RNA聚合酶亲和力高的启动子，其起始频率和效率均高。
一、 原核生物的启动子。
在原核生物的基因组中， 能够被RNA聚合酶识别的最小DNA片段为12 bp。
研究启动子特性的方法之一是比较不同启动子的序列， 从中发现一些同源性比较强的部分， 又称为保守序列。
1.
原核生物启动子的结构。
在原核生物的启动子中有4个区域：
转录起始点、 －10区、 －35区、 －10与－35之间的序列。
转录起始点：
转录起始点在多数情况下为嘌呤， 常见的序列为CAT， A为转录起始点。
－10区：
在转录起始点的上游有一个6 bp的保守序列，几乎在目前已知的所有启动子中均存在。
保守序列的中心位于转录起始点上游约－10 bp处， 这一保守序列又称为－10序列。
其一致序列为TATAAT， 又称Pribnow框、 结合位点， 在RNA聚合酶的作用下首先解链。
－35区：
在转录起始点上游－35 bp处，有另一个保守序列， 称为－35序列。
其保守序列为TTGACA，
RNA聚合酶的σ 因子可以识别该位点， 所以称为识别位点， 又称为Sextama框。
RNA聚合酶首先与识别位点结合， 然后与结合位点相互作用。
该区域是启动子强弱的决定因素。
－10区与－35区间的距离：
－35区和－10区之间的距离在绝大多数原核生物启动子为16到18 bp。
该区域的碱基序列并不重要， 但该距离的长短是至关重要的。
适宜的距离可以为RNA聚合酶提供合适的空间结构， 便于转录的起始。
典型的原核生物的启动子的结构为：
－35区、 16～19 bp的间隔区、 －10区和转录起始点， －10区到转录起始点的距离为7 bp。
转录起始点左右的碱基也可影响转录的起始。
例如， ＋1至＋30的转录区可以影响RNA聚合酶对启动子的清除， 从而影响启动子的强度。
2.
启动子功能的研究方法。
研究启动子功能的主要方法是启动子的突变。
启动子碱基序列发生变化， 可以改变启动子的强弱。
目 前所知， 几乎影响启动子功能的所有点突变均发生在两个保守区域内， 即－10区和－35区。
－35区的功能是提供RNA聚合酶的识别信号， 而－10区是使封闭复合物转变为开放复合物。
3.
RNA聚合酶与启动子的结合。
研究RNA聚合酶与
DNA之间的识别以及结合常常采用足迹法（footprinting）
。
经测定， RNA聚合酶与启动子结合的区域为－50至＋20，这段序列包括了结合及起始所需的序列。
另一种研究启动子的方法是采用碱基修饰的方法。
可先用碱基修饰试剂如DMS对DNA和RNA聚合酶的复合物进行修饰， 未与RNA聚合酶结合的DNA， 其相应的碱基被修饰。
而结合了RNA聚合酶的碱基则不被修饰。
这些分析方法可以确定与RNA聚合酶紧密结合的位点。
有趣的是， 在－10区上游的所有紧密结合位点均位于一条DNA链上。
这可使RNA聚合酶从DNA的一个侧面接近并识别启动子并与之结合。
二、 真核生物的启动子。
1.
RNA聚合酶Ⅰ 启动子的结构。
RNA聚合酶Ⅰ 的启动子主要由两部分组成：
核心启动子（core promoter）位于－45至＋20的区域内， 足以使转录起始。
上游调控元件位于－180至－107， 可提高转录起始效率。
2.
RNA聚合酶Ⅱ 启动子的结构。
RNA聚合酶Ⅱ 主要负责编码蛋白 质和部分核内 rRNA（ small nuclear RNA， snRNA）
的基因的转录， 其启动子结构最为复杂。
RNA聚合酶Ⅱ 单独并不能起始转录， 必须和其他的辅助因子共同作用形成转录起始复合物才能起始转录。
RNA聚合酶Ⅱ 的启动子位于转录起始点的上游， 由多个短的序列元件组成， 主要有三个保守序列：（1）
帽子位点， 又称转录起始位点， 其碱基大多数为A， 这与原核生物相似。
（2）
TATA框，
位于－30处， 又称Hogness框。
一致序列TATAA（T）
AA（T）
。
有些TATA框的突变不影响转录的起始，但可以改变转录起始位点。
说明TATA框具有定位转录起始点的功能。
（3）
CAAT框，
位于－75处， 一致序列为GGC（T）
CATCT。CAAT框内的突变对转录起始的影响很大， 决定了启动子起始转录的效率及频率。
另外还有GC框（GC box）
、 八聚核苷酸元件（octamer element）
等元件。
在不同的启动子中， 这些元件的组合情况是不同的。
各种元件将相应的蛋白因子结合到启动子上， 而这些蛋白因子共同组合成起始复合物。
3.
RNA聚合酶Ⅲ启动子的结构。
RNA聚合酶Ⅲ转录5S rRNA、 tRNA和部分snRNA。
这三种启动子的结构是不同的， 因此RNA聚合酶Ⅲ必须和其他的辅助因子共同作用， 才能识别不同的启动子。
5S rRNA和tRNA基因的启动子位于转录起始点的下游， 称为内部启动子（internal promoter）
。
snRNA基因的启动子位于转录起始点的上游， 和其他基因的启动子比较相似。
第三节
终止子 在转录的过程中， 提供转录终止信号的序列称为终止子（terminator）
。
无论是原核生物还是真核生物都可以通过控制转录的终止来对转录进行调控。
这也是基因表达调控的重要手段。
一、 原核生物的终止子。
大肠杆菌和噬菌体中进行的体内和体外实验表明， 真正起终止作用的不是DNA序列本身，而是转录生成的RNA。
在这一点上， 终止子和启动子不同。
新生的RNA中可有多处发夹结构。
比较不同原核生物的终止子序列， 发现同源性很差。
大肠杆菌有两种类型的终止子：
（1）
内在终止子（intrinsic terminator）
。
又称为不依赖ρ 因子的终止子。
只有核心酶和终止子就足以使转录终止， 不依赖其他其他辅助因子的作用。
不依赖ρ 因子的终止子在结构上有两个特征， 一个是形成发夹结构， 二是发夹结构末端紧跟着6个连续的U串。
发夹结构中的突变可阻止转录的终止， 说明了 发夹结构在转录终止中的重要作用。
研究发现， 发夹结构只是使转录过程暂停， 为转录的终止提供了机会。
如果没有终止子序列， 聚合酶可以继续转录， 而不发生转录的终止。
6个连续的U串可能为RNA聚合酶与模板的解离提供了信号。
(2)依赖ρ 因子的终止子。
依赖ρ 因子的终止子必须在ρ 因子的存在下才能终止核心酶的转录作用。依赖ρ 因子的终止子中， 发夹结构的序列和U串的长度都影响终止子的功能。大肠杆菌种依赖ρ 因子的终止子相对较少。
二、 真核生物的终止子。
与原核生物相比， 对真核生物的终止子了解较少。
不同的RNA聚合酶有不同的终止子。
RNA聚合酶Ⅰ 和Ⅲ有类似于原核生物的终止元件。
RNA聚合酶Ⅱ 是否有类似的终止元件还不是很清楚。
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