生物化學原理/細胞代謝 II：RNA 轉錄

轉錄是建立 DNA 序列的互補 RNA 複製的過程。RNA 和 DNA 都是核酸，它們使用核苷酸的鹼基對作為互補語言，可以透過正確酶的作用在 DNA 和 RNA 之間來回轉換。在轉錄過程中，DNA 序列由 RNA 聚合酶讀取，RNA 聚合酶產生一個互補的、反向平行的 RNA 鏈。與 DNA 複製相反，轉錄產生的 RNA 互補物包含尿嘧啶 (U)，在所有出現胸腺嘧啶 (T) 的情況下。轉錄可以用 4 或 5 個簡單的步驟來解釋，每個步驟像波浪一樣沿著 DNA 移動。RNA 聚合酶透過破壞互補核苷酸之間的氫鍵來解開/解壓縮 DNA。RNA 核苷酸與互補 DNA 鹼基配對。RNA 糖-磷酸骨架在 RNA 聚合酶的幫助下形成。未解開的 RNA+DNA 雙螺旋的氫鍵斷裂，釋放新合成的 RNA 鏈。如果細胞有細胞核，RNA 會進一步加工，然後透過小的核孔進入細胞質。轉錄是導致基因表達的第一步。轉錄成 RNA 分子的 DNA 片段稱為轉錄單位，它至少編碼一個基因。如果轉錄的基因編碼蛋白質，轉錄的結果是信使 RNA (mRNA)，然後將用於透過翻譯過程建立該蛋白質。或者，轉錄的基因可能編碼核糖體 RNA (rRNA) 或轉移 RNA (tRNA)，蛋白質組裝過程的其他成分，或其他核酶。編碼蛋白質的 DNA 轉錄單位不僅包含最終將直接翻譯成蛋白質的序列（編碼序列），還包含指導和調節該蛋白質合成的調節序列。編碼序列之前的調節序列（上游或來自編碼序列）稱為 5' 非翻譯區 (5'UTR)，編碼序列之後的序列（下游）稱為 3' 非翻譯區 (3'UTR)。轉錄有一些校對機制，但它們比複製 DNA 的控制機制更少且效率更低；因此，轉錄的複製保真度低於 DNA 複製。與 DNA 複製一樣，DNA 在轉錄過程中從 3' → 5' 讀取。同時，互補的 RNA 從 5' → 3' 方向建立。這意味著它的 5' 端首先在鹼基配對中建立。雖然 DNA 以雙螺旋形式排列成兩條反向平行的鏈，但兩條 DNA 鏈中只有一條稱為模板鏈用於轉錄。這是因為 RNA 只是單鏈的，而不是雙鏈的 DNA。另一條 DNA 鏈稱為編碼鏈，因為它的序列與新建立的 RNA 轉錄本相同（除了尿嘧啶取代胸腺嘧啶）。只使用 3' → 5' 鏈消除了對 DNA 複製中觀察到的岡崎片段的需求。轉錄分為 5 個階段：起始前、起始、啟動子清除、延伸和終止。

轉錄起始

轉錄起始的簡單圖示。RNA 聚合酶 (RNAP)

真核生物中的轉錄起始更為複雜。真核生物的 RNA 聚合酶不能直接識別核心啟動子序列。相反，一組稱為轉錄因子的蛋白質介導 RNA 聚合酶的結合和轉錄的起始。只有在某些轉錄因子附著到啟動子後，RNA 聚合酶才會與其結合。轉錄因子和 RNA 聚合酶的完整組裝體結合到啟動子，形成轉錄起始複合物。古細菌域中的轉錄類似於真核生物中的轉錄。

在細菌中，轉錄始於 RNA 聚合酶與 DNA 中的啟動子結合。RNA 聚合酶是一個核心酶，由五個亞基組成：2 個 α 亞基、1 個 β 亞基、1 個 β' 亞基和 1 個 ω 亞基。在起始開始時，核心酶與一個 sigma 因子相關聯，該因子有助於找到啟動子序列下游的 -35 和 -10 鹼基對。

什麼是 sigma 因子？

sigma 因子（σ 因子）是一種原核生物轉錄起始因子，它使 RNA 聚合酶特異性地結合到基因啟動子。不同的 sigma 因子響應不同的環境條件而被啟用。每個 RNA 聚合酶分子都包含一個 sigma 因子亞基，在模式細菌大腸桿菌中，這個亞基是下面列出的一個。大腸桿菌有七個 sigma 因子；sigma 因子的數量在細菌種類之間有所不同。sigma 因子以其特徵分子量來區分。例如，σ70 指的是分子量為 70 kDa 的 sigma 因子。

轉錄因子

轉錄因子對於基因表達的調節至關重要，因此存在於所有生物體中。生物體內發現的轉錄因子的數量隨著基因組大小而增加，更大的基因組往往每個基因具有更多的轉錄因子。人類基因組中大約有 2600 種蛋白質包含 DNA 結合域，其中大多數被認為是轉錄因子。因此，基因組中大約 10% 的基因編碼轉錄因子，這使得該家族成為人類蛋白質中最大的家族。此外，基因經常被幾個不同轉錄因子的結合位點包圍，每個基因的有效表達都需要幾個不同轉錄因子的協同作用（例如，肝細胞核因子）。因此，大約 2000 種人類轉錄因子的一個子集的組合使用很容易解釋發育過程中人類基因組中每個基因的獨特調節。

在分子生物學中，轉錄因子（有時稱為序列特異性 DNA 結合因子）是一種與特定 DNA 序列結合的蛋白質，從而控制遺傳資訊從 DNA 到 mRNA 的移動（或轉錄）。轉錄因子透過促進（作為啟用劑）或阻止（作為抑制劑） RNA 聚合酶（執行從 DNA 到 RNA 的遺傳資訊轉錄的酶）募集到特定基因來單獨或與其他蛋白質在複合物中執行此功能。

通用轉錄因子或 GTFs 密切參與基因調節過程，大多數是生命所必需的。TATA 結合蛋白（TBP）是一種 GTF，它與 TATAA 盒（T=胸腺嘧啶，A=腺嘌呤）結合，TATAA 盒是所有基因編碼區直接上游的核酸基序。TBP 負責招募 RNA Pol II 全酶，這是轉錄起始的最後一步。這些蛋白質無處不在，並與 DNA 的核心啟動子區域相互作用，該區域包含所有 II 類基因的轉錄起始位點。並非所有 GTF 都在轉錄起始中發揮作用；一些是轉錄的第二步，即延伸所必需的。例如，FACT 複合物的成員（S. cerevisiae 中的 Spt16/Pob3，人類中的 SUPT16H/SSRP1）促進 RNA Pol II 在基因編碼區域的快速移動。這是透過將組蛋白八聚體移出活性聚合酶的路徑並因此使染色質解壓縮來實現的。

轉錄因子在結構上是模組化的，包含以下域

DNA 結合域（DBD），它附著在 DNA 增強子或啟動子的特定序列上：所有載體所必需的元件：用於驅動載體轉基因啟動子序列的轉錄）位於受調節基因附近。與轉錄因子結合的 DNA 序列通常被稱為反應元件。

反式啟用域（TAD），它包含其他蛋白質（例如[轉錄共調節因子]的結合位點。這些結合位點通常被稱為啟用功能（AFs）。

一個可選的訊號感測域（SSD）（例如，配體結合域），它感知外部訊號，並響應這些訊號，將這些訊號傳遞到轉錄複合物的其餘部分，從而導致基因表達的上調或下調。此外，DBD 和訊號感測域可能駐留在轉錄複合物內相互關聯以調節基因表達的單獨蛋白質上。

RNA 延伸

轉錄延伸的簡單圖示（RNA 為藍色）

合成第一個鍵後，RNA 聚合酶必須清除啟動子。在此期間，RNA 轉錄本存在釋放併產生截斷轉錄本的趨勢。這被稱為中止起始，在真核生物和原核生物中都很常見。中止起始會持續發生，直到 σ 因子重新排列，導致轉錄延伸複合物的形成（該複合物會形成一個 35 bp 的移動足跡）。σ 因子在合成 80 個核苷酸的 mRNA 之前被釋放。一旦轉錄本達到大約 23 個核苷酸，它就不會再滑動，延伸過程就可以進行。這與轉錄的其餘大部分過程一樣，是一個依賴能量的過程，消耗三磷酸腺苷 (ATP)。DNA 的一條鏈，模板鏈（或非編碼鏈），被用作 RNA 合成的模板。隨著轉錄的進行，RNA 聚合酶穿過模板鏈，並利用與 DNA 模板的鹼基配對互補性來建立 RNA 複製。儘管 RNA 聚合酶從 3' → 5' 穿過模板鏈，但編碼鏈（非模板鏈）和新形成的 RNA 也可以用作參考點，因此可以將轉錄描述為從 5' → 3' 發生。這會產生從 5' → 3' 的 RNA 分子，它是編碼鏈的精確複製（除了胸腺嘧啶被尿嘧啶取代，並且核苷酸由核糖 (5-碳) 糖組成，而 DNA 在其糖磷酸骨架中具有脫氧核糖 (少一個氧原子)）。與 DNA 複製不同，mRNA 轉錄可以涉及單個 DNA 模板上的多個 RNA 聚合酶，以及多個轉錄迴圈（特定 mRNA 的擴增），因此可以從單個基因複製快速產生許多 mRNA 分子。延伸還涉及一個校對機制，該機制可以替換錯誤摻入的鹼基。在真核生物中，這可能對應於轉錄過程中的短暫暫停，允許適當的 RNA 編輯因子結合。這些暫停可能是 RNA 聚合酶本身的固有屬性，也可能是由於染色質結構所致。

轉錄終止

轉錄終止的簡單示意圖。RNA 以藍色顯示。

細菌使用兩種不同的策略進行轉錄終止。在 Rho 獨立轉錄終止中，當新合成的 RNA 分子形成一個富含 G-C 的髮夾環，緊隨其後是一段 U 時，RNA 轉錄停止。當髮夾形成時，機械應力會破壞弱的 rU-dA 鍵，現在填補了 DNA-RNA 雜交體。這會將 poly-U 轉錄本從 RNA 聚合酶的活性位點拉出，實際上終止了轉錄。在“Rho 依賴性”型別的終止中，一種被稱為“Rho”的蛋白質因子會破壞模板和 mRNA 之間的相互作用，從而將新合成的 mRNA 從延伸複合物中釋放出來。真核生物中的轉錄終止尚不清楚，但涉及新轉錄本的切割，然後在稱為多聚腺苷酸化的過程，在新的 3' 末端新增獨立於模板的 A。

Rho 依賴性終止

Rho 因子作用於 RNA 底物。Rho 的關鍵功能是其解旋酶活性，其能量由 RNA 依賴性 ATP 水解提供。Rho 的初始結合位點是在合成中的 RNA 中的一個擴充套件的（約 70 個核苷酸，有時是 80-100 個核苷酸）單鏈區域，該區域富含胞嘧啶而缺乏鳥嘌呤，被稱為 Rho 利用位點或 rut，位於實際終止序列的上游。已經發現了幾個 Rho 結合序列。在這些序列中沒有發現一致性，但不同的序列似乎都是特異性的，因為序列中的微小突變會破壞其功能。Rho 結合到 RNA 上，然後利用其 ATPase 活性提供能量，使其沿著 RNA 轉運，直到到達 RNA-DNA 螺旋區域，在那裡它解開雜合雙鏈結構。RNA 聚合酶在終止序列處暫停，這是由於在 Rho 結合位點大約 100nt 處有一個特定的位點，稱為 Rho 敏感暫停位點。因此，即使 RNA 聚合酶比 Rho 快大約 40nt/秒，但這對 Rho 終止機制沒有問題，因為 RNA 聚合酶允許 Rho 因子趕上來。

Rho 獨立終止

Rho 獨立終止（也稱為內在終止）是一種在真核生物和原核生物中都存在的機制，會導致 mRNA 轉錄停止。在這種機制中，mRNA 包含一個序列，該序列可以與自身配對以形成一個長度為 7-20 個鹼基對的髮夾環結構，該結構也富含胞嘧啶-鳥嘌呤鹼基對。這些鹼基在彼此之間形成三個氫鍵，因此特別牢固。在髮夾環結構之後是一串尿嘧啶殘基。尿嘧啶和腺嘌呤之間的鍵非常弱。與 RNA 聚合酶結合的蛋白質 (nusA) 與髮夾環結構緊密結合，足以使聚合酶暫時停滯。聚合酶的這種暫停與 poly-尿嘧啶序列的轉錄相吻合。弱的腺嘌呤-尿嘧啶鍵使 RNA-DNA 雙鏈體不穩定，導致其解開並從 RNA 聚合酶中分離。沒有 poly-尿嘧啶序列的髮夾環結構會導致 RNA 聚合酶暫停，但它通常會在短時間後繼續轉錄，因為雙鏈體太穩定，無法解開到足以導致終止的程度。Rho 獨立轉錄終止是導致順式作用 RNA 調節元件（如核糖開關）活性的常見機制。