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转录

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mRNA合成和加工的简图(酶未显示)。
mRNA合成和加工的简图(酶未显示)。
电子显微镜下看到的转录中的DNA与RNA,DNA周围的物质是正在合成的RNA。
电子显微镜下看到的转录中的DNARNA,DNA周围的物质是正在合成的RNA。

转录(英语:Transcription)是在RNA聚合酶的催化下,遗传信息DNA复制到RNA(尤其是mRNA)的过程。作为蛋白质生物合成的第一步,转录是合成mRNA以及非编码RNAtRNArRNA等)的途径。

真核生物合成蛋白质的转录过程以特定的单链DNA片段作为模板,RNA聚合酶作为催化剂,合成前mRNA,前mRNA经进一步加工后转为成熟mRNA。转录时,DNA分子的双链打开(是否需要DNA解旋酶仍存在争议),在RNA聚合酶的作用下,游离的4种核糖核苷酸按照碱基互补配对原则结合到DNA单链上,并在RNA聚合酶的作用下形成单链mRNA分子。

转录成RNA分子的DNA片段称为转录单元,编码至少一个基因。如果转录的基因编码蛋白质,则会产生信使RNA(mRNA),这个mRNA又在翻译过程中作为合成蛋白质的模板。基因还可能编码非编码RNA,例如小分子RNA核糖体RNA(rRNA),转运RNA (tRNA)或有催化作用的RNA分子核酶

主要步骤

转录通常按以下步骤进行:

  1. RNA聚合酶与一种或多种通用转录因子一起结合DNA上的启动子
  2. RNA聚合酶产生一个转录泡泡,并通过打开互补DNA核苷酸之间的氢键分离DNA双螺旋的两条链。
  3. RNA聚合酶催化聚合核糖核苷酸(与模板DNA链的脱氧核糖核苷酸互补)。
  4. 在RNA聚合酶的作用下形成RNA糖—磷酸骨架,进而形成RNA链。
  5. RNA—DNA螺旋的氢键断裂,释放新合成的RNA链。
  6. 如果细胞有,RNA可以进一步被处理。 这可能包括聚腺苷酸化加帽剪接等。
  7. RNA可以保留在核内或通过核孔复合物离开核进入细胞质

具体来讲,转录可分为启动、延伸、终止三个阶段[1]

启动

转录开始于RNA聚合酶与通用转录因子共同结合到模板DNA的启动子序列上,形成RNA聚合酶-启动子闭合复合物。

然后,RNA聚合酶在通用转录因子的协助下,暴露出大约14个碱基对,形成RNA聚合酶-启动子开放复合物。在开放复合物中,启动子DNA部分解开为单链。 暴露的单链DNA被称为“转录泡”。接着,RNA聚合酶选择转录泡中的转录起始位点,结合起始NTP和与转录起始位点序列互补的延伸NTP(也可能是短RNA引物和延伸NTP),催化磷酸二酯键的形成,产生起始RNA产物。

原核生物的RNA聚合酶全酶由两个α亚基、一个β亚基、一个β′亚基和一个σ亚基组成,其中σ因子协助RNA聚合酶识别并结合启动子。[2]很多基因起始位点的上游拥有普里布诺盒基因序列(TATAAT),上游约35个碱基处拥有TTGCCA共有序列,约40~60个碱基处拥有一片富含A、T碱基的区域,有助于加快转录速度。[1]

真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化,转录起始时,RNA聚合酶不直接结合模板,其起始过程比原核生物复杂。[2]

转录的启动还受到另外的蛋白质影响,如转录激活蛋白阻遏蛋白

前两个NTP缩合成3′-5′磷酸二酯键后,RNA聚合酶脱离启动子,启动阶段结束,进入延伸阶段。

延伸

转录延伸的简单图示(RNAP:RNA聚合酶;Coding Strand:编码链;Template Strand:模板链)。
转录延伸的简单图示(RNAP:RNA聚合酶;Coding Strand:编码链;Template Strand:模板链)。

转录启动后,DNA双螺旋链解开,其中一条链作为模板链。随着转录的进行,RNA聚合酶在DNA模板链上移动,根据碱基互补配对原则合成RNA单链。转录的方向为3′→5′(对于DNA模板链)或5′→3′(对于合成的RNA链或DNA编码链)。

细菌在37°C(98.6°F)下以42~54个核苷酸每秒的速度转录,而真核生物的转录速度大约是22-25个核苷酸每秒。[1]

终止

转录终止于DNA非编码序列末端附近的终止子处。

细菌转录的终止有两种方式:内源性终止(也称内在型终止,本体转录终止或ρ-非依赖性终止)和ρ-依赖性终止。在内源性终止中,基因末端的反向重复序列英语Inverted repeat使新转录的RNA序列折叠成发夹环,从而使RNA聚合酶脱落,转录产物被释放。[3]ρ-依赖性终止子利用可在转录时主动展开DNA—RNA复合物的ρ因子,释放新合成的RNA。[1]

真核生物转录过程的终止方式取决于其所使用的聚合酶的不同。RNA聚合酶I的终止机制与细菌的ρ-依赖性终止类似;而RNA聚合酶III的终止与细菌的内源性终止极为相似。有研究表明,多个胸腺嘧啶的终止信号引起RNA聚合酶III的失活,从而使延伸终止并将酶转运至最近的RNA二级结构,进而促进酶的释放。RNA聚合酶III和细菌的转录终止机制之间的相似性表明,这种依赖发夹环的终止可以追溯到多亚基RNA聚合酶的共同祖先。[4]RNA聚合酶II的转录可以在非编码序列的末端后持续数百甚至数千个核苷酸,它的终止更为复杂,涉及到新合成RNA的切割以及多腺苷酸化的过程。

抑制剂

抗生素可作为转录的抑制剂,包括抗细菌药抗真菌药。以利福平为例,其通过结合DNA依赖性RNA聚合酶的β-亚基来抑制细菌转录英语Bacterial transcription;而8-羟基喹啉是真菌转录英语Eukaryotic transcription的抑制剂;组蛋白甲基化作用英语Histone methylation也可能会对转录有抑制作用。

历史

方斯华·贾克柏(François Jacob)和贾克·莫诺(Jacques Lucien Monod)首先假设一种让遗传物质成为蛋白质的分子。 塞韦罗·奥乔亚(Severo Ochoa)于1959年获得诺贝尔生理学或医学奖,开发一种用多核苷酸磷酸化酶英语Polynucleotide phosphorylase体外(In vitro)合成RNA的方法,该方法可用于破解遗传密码。 由RNA聚合酶合成RNA是由几个实验室在1965年以前在体外(In vitro)建立的; 然而,由这些酶合成的RNA具有表明存在正确终止转录所需的额外因子的特性[来源请求]

1972年,Walter Fiers成为第一个真正证明终止酶存在的人。

罗杰·科恩伯格(Roger D. Kornberg)因其研究真核生物转录英语Eukaryotic transcription的分子基础而获得2006年诺贝尔化学奖[5]

参见

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 DNA Transcription. [2018-10-01]. (原始内容存档于2021-04-15) (英语). 
  2. ^ 2.0 2.1 RNA的生物合成(转录). [2018-10-01]. (原始内容存档于2018-10-01). 
  3. ^ Bacterial Transcription Terminators: The RNA 3′-End Chronicles. [2018-10-01]. (原始内容存档于2021-03-08) (英语). 
  4. ^ Mechanism of Eukaryotic RNA polymerase III transcription termination. 2013-06-28 [2019-08-04]. doi:10.1126/science.1237934. (原始内容存档于2021-02-07) (英语). 
  5. ^ Chemistry 2006. Nobel Foundation. [March 29, 2007]. (原始内容存档于2007-03-15). 

外部链接

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