結構生物化學/轉錄
轉錄與 DNA 複製類似，DNA 被用作模板來製造新的核苷酸鏈（RNA）。新合成的 RNA 鏈與 DNA 模板鏈互補。
RNA 聚合酶使用核糖核苷三磷酸 (rNTP) 在 5'->3' 方向合成 mRNA 鏈（rATP、rUTP、rCTP 和 rGTP）。
轉錄可以分為 3 個步驟
1. 啟動。轉錄從 RNA 聚合酶與稱為啟動子的 DNA 區域結合開始。需要額外的轉錄因子才能將 RNA 聚合酶固定在 DNA 的正確區域。在 RNA 聚合酶與啟動子區域結合後，它會融化轉錄起始位點周圍的 10-15 個核苷酸鹼基對，使 rNTP 能夠與模板鏈結合。啟動在第一個 rNTP 透過磷酸二酯鍵與 RNA 聚合酶連線時結束。（與 DNA 複製不同，不需要引物）
2. 延伸：RNA 聚合酶離開起始位點並沿模板在 3'->5' 方向移動。在此過程中，由於解旋酶，DNA 雙螺旋在 RNA 聚合酶之前開啟。
3. 終止：RNA 聚合酶從 DNA 模板鏈上釋放並離開 DNA。
原核生物和真核生物的轉錄過程非常相似，都包含啟動步驟、延伸步驟和終止步驟。但是，它們也存在差異。
原核生物含有操縱子，而真核生物沒有。操縱子是參與相似功能的相關基因的簇，通常以連續排列的方式存在。操縱子由單個啟動子控制，因此轉錄產生 1 個 mRNA，可以翻譯成多個蛋白質。如果沒有操縱子，每個基因都需要單獨的啟動子。操縱子有助於提高轉錄效率；例如
使用操縱子
|Promoter|Gene A|Gene B|Gene C| ---transcription---> mRNA ---translation---> protein A + protein B + protein C
不使用操縱子
|Promoter|Gene A| ---transcription---> mRNA A ---translation---> protein A
|Promoter|Gene B| ---transcription---> mRNA B ---translation---> protein B
|Promoter|Gene C| ---transcription---> mRNA C ---translation---> protein C
雖然操縱子提供了能夠在一個點啟動轉錄並轉錄多個基因的優勢，但它也有一些缺點。一個缺點是，如果操縱子序列的啟動子發生突變，則操縱子中的所有基因都無法轉錄。
操縱子由 3 部分組成
1. Structural Genes 2. Promoter region 3. Operator region
結構基因編碼蛋白質。所有結構基因將變成一個單一的 mRNA，該 mRNA 編碼多個蛋白質。
啟動子區域是 RNA 聚合酶與 DNA 結合以啟動轉錄的位置。並非所有啟動子都具有相同的序列。強啟動子將具有與已知共有序列相似的核苷酸序列。弱啟動子將具有不同的序列。
操縱子區域位於啟動子區域旁邊，並與其重疊。它是阻遏蛋白可以結合的位點。當阻遏蛋白結合到操縱子時，RNA 聚合酶將無法結合到啟動子，因此轉錄將不會發生。
可誘導操縱子
可誘導操縱子是一種操縱子，在轉錄發生之前需要一種物質與其結合，它通常是“關閉”的，但當一種物質與其結合時，它就會被“開啟”。乳糖操縱子是可誘導操縱子的一個例子。它編碼參與乳糖代謝的 3 種酶。乳糖操縱子有 4 個區域
1. CAP binding site: important to increase the rate of transcription of an operon 2. Promoter: location where RNA polymerase binds 3. Operator: location where a repressor binds 4. Genes (ZYA): Gene Z encodes for Beta-galactosidase, which breaks down lactose Gene Y encodes for galactosidase primase, a transporter protein that allows lactose to get into the cell Gene A encodes for galactosidase transacetylase
細菌更喜歡代謝葡萄糖而不是乳糖。考慮到這一點，我們可以看到三種不同的情況
1. 無乳糖，高葡萄糖
如果不存在乳糖，乳糖操縱子將不會被開啟。阻遏蛋白將結合到與轉錄起始位點重疊的操縱子上，阻止 RNA 聚合酶與啟動子結合，從而阻止乳糖操縱子的轉錄。這對細菌節省能量非常重要。因為它們更喜歡代謝葡萄糖，所以在不存在乳糖和高葡萄糖的情況下，沒有必要開啟乳糖操縱子。
2. 高乳糖，高葡萄糖
乳糖將與阻遏蛋白結合，引起構象變化，迫使阻遏蛋白從操縱子上解離。結果，RNA 聚合酶可以與啟動子結合並允許轉錄發生，但是，它是弱轉錄。
3. 高乳糖，低葡萄糖
乳糖仍然會與阻遏蛋白結合並迫使它從操縱子上解離（由於存在大量的乳糖）。然而，低葡萄糖水平會導致環狀 AMP 增加。環狀 AMP 的增加將與 CAP 結合位點結合。然後，這會增加 RNA 聚合酶與啟動子的結合，導致大量的轉錄。
可阻遏操縱子
可阻遏操縱子是一種操縱子，其中轉錄通常是“開啟”的，但當一種物質與其結合時，它就會被“關閉”。它與可誘導操縱子相反。
色氨酸操縱子是可阻遏操縱子的一個例子，它參與合成必需氨基酸色氨酸。色氨酸要麼是合成的，要麼是從環境中獲得的。色氨酸操縱子通常是開啟的，轉錄合成色氨酸所需的 RNA，但是，在存在色氨酸（從環境中獲得）的情況下，為了節省能量，操縱子會被關閉。
轉錄因子的功能是將 RNA 聚合酶和啟動子結合在一起。它將與 RNA 聚合酶結合，同時與 DNA 啟動子結合。轉錄因子存在於原核生物和真核生物中。
“σ因子”是原核生物轉錄因子的一個例子。σ因子參與將 RNA 聚合酶定位到正確的位置。
真核生物中有三種不同的 RNA 聚合酶
1. RNA polymerase I: makes rRNA 2. RNA polymerase II: makes mRNA, miRNA, and splicing RNA 3. RNA polymerase III: makes tRNA, rRNA, and splicing RNA
所有三種 RNA 聚合酶的結構非常相似並且高度保守。這些組分包括一個 rNTP 進入位點和一個磷酸二酯鍵形成位點。RNA 聚合酶 II 包含一個稱為羧基末端結構域 (CTD) 的區域，它是 RNA pol II 特有的。CTD 是七個氨基酸重複序列的串聯重複序列，在脊椎動物中重複 52 次。它對生存至關重要，RNA 聚合酶 II 無法在沒有它的情況下發揮作用。在轉錄之前，CTD 處於非磷酸化狀態，在轉錄的啟動步驟之後，CTD 變得磷酸化。
啟動子告訴細胞在哪裡開始轉錄。轉錄因子識別並結合到啟動子區域，並且還有助於招募 RNA 聚合酶。
近端啟動子和增強子也是轉錄因子結合的位點。近端啟動子位於起始位點上游約 200 個鹼基對。增強子距離起始位點更遠，可以在起始位點上游或下游高達 50,000 個鹼基對處找到。
啟動子區域是透過兩個不同的實驗確定的：5' 缺失分析和連線子掃描分析。
真核生物和原核生物轉錄之間的幾個區別包括：真核生物有多種通用轉錄因子，沒有操縱子，並且基因組被包裝在染色質中。另一方面，原核生物只有一個通用轉錄因子，有操縱子，並且基因組位於質粒中。
觀察和比較原核生物和真核生物的轉錄三個步驟。
1.起始：RNA 聚合酶與雙鏈 DNA 的結合。
對於原核生物：RNA 聚合酶在其複雜性中包含一個核心，必須與 DNA 模板的啟動子區域結合。另一個亞基，稱為 σ 因子，透過使用許多弱氫鍵與鹼基對結合（許多弱氫鍵的累積會導致強淨力）使這成為可能。因此，RNA 聚合酶只是沿著 DNA 滑動，它要麼找到一個啟動子，要麼溶解並從其他地方開始。如果它找到一個啟動子，它將繼續解開 DNA，這將導致延伸。原核生物有兩個啟動子位點，位於第一個要轉錄的核苷酸的上游。它們是 Pribnow 盒，位於上游 10 個核苷酸處，序列為 TATAAT，以及 -35 區域，序列為 TTGACA。
對於真核生物：真核生物在其起始階段更加複雜。首先，RNA 聚合酶不會隨機地在 DNA 上尋找啟動子區域。相反，轉錄因子用於在啟動子區域建立特定例項，以便 RNA 聚合酶與其結合。在真核細胞中，還有三種不同型別的 RNA 聚合酶，每一種轉錄不同的 RNA 型別。一旦 RNA 聚合酶結合到其相應的啟動子區域（配備轉錄因子），它就會建立一個轉錄起始複合物，該複合物穿過 DNA。真核生物也有兩個啟動子位點，一個是稱為 TATA 或 Hogness 盒，位於 -25 處，序列為 TATAAA，以及 CAAT 盒，位於 -75 處，序列為 GGNCAATCT。轉錄是由增強子序列的刺激啟動的。
2.延伸：核苷酸共價新增到不斷增長的多核苷酸鏈的 3' 末端。
對於原核生物：當 DNA 解開時，它的鹼基對現在可用於結合。第一個核糖核苷酸三磷酸（RNA 結構單元）與其結合。RNA 聚合酶失去其 σ 亞基，只留下核心。解開的 DNA 位點為 RNA 結構單元提供與之形成氫鍵的位點（在其正確的鹼基對中）。此外，三磷酸鹽像火車連線一樣使用，以共價方式形成新的 RNA 塊之間的磷酸二酯鍵。
對於真核生物：隨著複合物穿過 DNA，它將其解開，並允許與瞬時 RNA 結構單元發生沃森-克里克鹼基配對，使用磷酸二酯鍵將它們連線在一起。
3.終止：識別轉錄終止序列並釋放 RNA 聚合酶。
對於原核生物：延伸一直持續到它到達 DNA 上發現的停止訊號。RNA 聚合酶核心溶解，DNA 重繞。大腸桿菌中的終止訊號是一個富含鳥嘌呤和胞嘧啶的鹼基配對髮夾。這兩個核苷酸相互互補結合，形成一個髮夾彎曲，然後緊隨幾個尿嘧啶核苷酸。該髮夾就像一個結，連線到正在製造的 RNA 鏈上，因此 RNA 從 DNA 模板上分離。聚合酶在之後不久離開，DNA 被重新纏繞。轉錄也可以透過 rho 蛋白停止，rho 蛋白導致 mRNA 從模板 DNA 鏈上脫落。
對於真核生物：當 RNA 複合物到達 DNA 上的終止訊號時，RNA 聚合酶 simply 從 DNA 上分離，使其能夠重新纏繞。然後處理產生的 RNA。新轉錄的 mRNA 透過在稱為聚腺苷酸化過程中的 5' 末端新增帽和在 3' 末端新增 poly(A) 尾進行未來處理。它在 mRNA 的 3' 末端添加了幾個腺嘌呤殘基。帽和 poly(A) 尾用於穩定 mRNA 分子並防止其降解。
染色質修飾
[edit | edit source]DNA 和蛋白質構成複雜的染色質，可以以常染色質或異染色質的形式存在。常染色質鬆散地凝聚，而異染色質緊密地凝聚。染色質凝聚很重要，因為它決定了轉錄活性：如果染色質過於緊密地凝聚（異染色質），那麼轉錄因子和 RNA 聚合酶就無法進入；但是，如果染色質像常染色質一樣鬆散地凝聚，那麼轉錄因子和 RNA 聚合酶就可以更容易地進入染色質並開始轉錄。這意味著包含常染色質的基因很可能被轉錄，而異染色質基因不太可能被轉錄。
透過修飾組蛋白尾部來調節染色質的壓縮和鬆弛。當組蛋白連線到乙醯基時，由於組蛋白上正電荷的中和，DNA 上的負電荷與組蛋白上的正電荷之間的相互作用變弱。結果，RNA 聚合酶可以更容易地進入 DNA，因此，該過程促進了體內轉錄活性。相反，當組蛋白去乙醯化時，意味著乙醯基從組蛋白尾部去除，染色質結構變得更加緻密，因此轉錄被抑制。
http://www.broadinstitute.org/chembio/lab_schreiber/anims/animations/smdbHDAC.php