原核生物 RNA 的合成

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