转录的模板

• 在DNA分子双链上,一股链作为模板,按碱基配对规律指导转录生成RNA,另一股链则不转录
• 转录时作为 RNA 合成模板的一股单链称为模板链（反义链/Watson 链），相对应的另一股单链被称为编码链（有义链/Crick 链）
• 转录产物若是mRNA,则可用作翻译的模板,决定蛋白质的氨基酸序列
• 模板链既与编码链互补，又与 mRNA 互补，可见 mRNA 的碱基序列除用 U 替代 T 外，与编码链是一致的

RNA 聚合酶RNA pol

原核生物 RNA 转录仅依靠 RNA pol 一种酶。

• 能从头启动 RNA 链的合成
  • RNA pol 催化 RNA 的转录合成。该反应以 DNA 为模板，以 ATP、GTP、UTP 和 CTP 为原料，还需要 Mg²⁺ 作为辅基
  • RNA pol 通过在 RNA 的 3’-OH 端加入核苷酸，延长 RNA 链而合成 RNA
  • RNA pol 能够在转录起点处使两个核苷酸间形成磷酸二酯键，即直接启动转录，因而 RNA 链的起始合成不需要引物
• 全酶：
  • 组成：
    • 核心酶：由 α2ββ’ω 亚基组成
      • α 亚基：决定哪些基因被转录（多顺反子）
      • β′ 亚基：结合 DNA 模板（开链）
      • β 亚基：与转录全过程有关（催化）
      • ω 亚基：σ 募集；β’ 折叠和稳定性
    • σ 亚基：辨认转录起始点，转录起始后脱落，不参与转录全过程
  • 功能：
    • 核心酶能够催化 NTP 按模板的指引合成 RNA，但合成的 RNA 没有固定的起始位点
    • 活细胞的转录起始，是需要全酶的。转录延长阶段则仅需核心酶
• 利福平：
  • 特异抑制原核生物的 RNA pol，成为抗结核菌治疗的药物
  • 特异性地结合 RNA pol 的 β 亚基（与转录全过程有关），若在转录开始后才加入利福平，仍能发挥其抑制转录的作用，这说明 β 亚基是在转录全过程都起作用的
  • 对 DnaG 没有抑制作用
  • 可以作为化疗药物

RNA 聚合酶结合到启动子上启动转录

• 操纵子：
  • 对于整个基因组来讲，转录是分区段进行的，每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子
  • 操纵子中包括了若干个基因的编码区及其调控序列
• 启动子：
  • 是 RNA pol 结合模板 DNA 的部位，也是决定转录起始点的关键部位
• 转录起始调节区：
  • 被 RNA pol 辨认和紧密结合的区域
• A-T 配对相对集中，表明该区段的 DNA 容易解链
  • -35 区（TTGACA）：RNA pol 对转录起始的识别序列，与 RNA pol 结合疏松
  • -10 区（TATAAT）（Pribnow 盒）：与 DNA 形成相对稳定的 RNA pol-DNA 复合物，β’ 亚基结合后开链，开始流产式起始
• 转录起点：开始转录的 5’-端第一位核苷酸位置转录起点为 +1

转录过程

转录起始

• 转录全过程均需 RNA pol 催化，起始过程需全酶，由 σ 亚基辨认起始点
• 转录起始就是 RNA pol 在 DNA 模板的转录起始区装配形成转录起始复合体，打开 DNA 双链，并完成第一和第二个核苷酸间聚合反应的过程
• 转录起始复合物：RNA pol 全酶、DNA 模板以及与转录起点配对的 NTPs
• 步骤：（飞机降落模型，记得多推导几遍）
  1. 识别、结合和移动：
     • RNA pol 识别并结合启动子，形成闭合转录复合体
     • 首先被辨认的 DNA 区段是 -35 区的 TTGACA 序列，在这一区段，酶与模板的结合松弛
     • 接着酶移向 -10 区的 TATAAT 序列并跨过了转录起点，形成与模板的稳定结合
  2. 解开双螺旋：
     • DNA 双链打开，闭合转录复合体成为开放转录复合体
     • 开放转录复合体中 DNA 分子接近 -10 区域的部分双螺旋解开后转录开始
     • 无论是转录起始或延长中，DNA 双链解开的范围都只在 17 bp 左右，这比复制中形成的复制叉小得多
  3. 复制延长：
     • 第一个磷酸二酯键的形成
     • 转录起始不需引物，两个与模板配对的相邻核苷酸，在 RNA pol 催化下生成磷酸二酯键
     • 转录起点配对生成的 RNA 的第一位核苷酸，也是新合成的 RNA 分子的 5‘端，以 GTP 或 ATP 较为常见
     • RNA 链的 5′-端结构在转录延长中一直保留，至转录完成
• 流产式起始：RNA pol 开始时不从启动子上脱离，合成长度小于 10 nt 的 RNA分子。具有启动子校对的作用。
• 启动子清除（启动子解脱）：当一个聚合酶成功合成一条超过 10 个核苷酸的 RNA 时，便形成一个稳定的包含有 DNA 模板、RNA pol 和 RNA 片段的三重复合体，从而进入延长阶段。启动子解脱依赖于 σ 亚基的脱落，因为固定效果太强了，如果它不脱落则转录无法延长。

转录延长

• 过程：
  • 第一个磷酸二酯键生成后，转录复合体的构象发生改变，σ 亚基从转录起始复合物上脱落，并离开启动子，RNA 合成进入延长阶段
  • 此时，仅有 RNA pol 的核心酶留在 DNA 模板上，并沿 DNA 链不断前移，催化 RNA 链的延长
  • σ 亚基若不脱落，RNA pol 则停留在起始位置，转录不继续进行
  • RNA 的生成量与核心酶的加入量成正比
• 特点：
  • 核心酶负责 RNA 链延长反应
  • RNA 链从 5’-端向 3’-端延长，新的核苷酸都是加到 3’-OH 上
  • 对 DNA 模板链的阅读方向是 3’-端向 5’-端，合成的 RNA 链与之呈反向互补，即酶是沿着模板链的 3’→5’方向或沿着编码链的 5’→3’方向前进的
  • 合成区域存在着动态变化的 8bp 的 RNA-DNA 杂合双链
  • 模板 DNA 的双螺旋结构随着核心酶的移动发生解链和再复合的动态
  • 原核细胞转录延长与蛋白质的翻译同时进行
    • 同一个 DNA 模板分子上，有多个转录复合体同时进行 RNA 合成
    • 在新和成的 mRNA 链上还可看到多个结合的核糖体——羽毛状图形

转录终止

1. 依赖 ρ 因子的转录终止（通过 ρ 因子卡住）
   • 产物 RNA 的 3’-端会依照 DNA 模板，产生较丰富而且有规律的 C 碱基
   • ρ 因子：是识别产物RNA上终止信号序列,并与之结合
   • 结合 RNA 后的ρ因子和 RNA pol 都可发生构象变化，从而使 RNA pol 的移动停顿，ρ因子中的解旋酶活性使 DNA/RNA 杂化双链拆离，RNA 产物从转录复合物中释放，转录终止
2. 非依赖 ρ 因子的转录终止（通过环状结构卡住）
   • 终止信号：
     • 多个连续的U：促使RNA链从模板上脱落的重要因素
     • 茎环结构（富含 GC）或发夹形式的二级结构：阻止转录继续向下游推进的关键
   • 机制：
     • 空间位阻：RNA 分子形成的茎环结构可能改变 RNA pol 的构象，从而使 RNA pol-DNA 模板的结合方式发生改变，RNA pol 不再向下游移动，于是转录停止
     • 闭链：转录复合物（RNA pol-DNA-RNA）上形成的局部 RNA/DNA 杂化短链的碱基配对是不稳定的，随着 RNA 茎环结构的形成，RNA 从 DNA 模板链上脱离，单链 DNA 复原为双链，转录泡关闭，转录终止