原核生物基因转录的基本过程

一、原核生物基因转录的基本过程

转录是以一条DNA为模板，按照碱基互补的原则合成RNA的过程。RNA的前体是4种核糖核苷酸ATP、GTP、CTP和UTP。RNA聚合酶在Mn^2＋、Mg^2＋存在下以DNA为模板按照碱基互补原则（A－U、G－C、T－A）从5′－3′方向合成RNA新链。聚合过程主要包括4个步骤：①RNA聚合酶结合在DNA上的特定位点；②起始；③链的延伸；④链的终止和释放。

基因转录调控的过程是调节蛋白和特异的DNA序列相互作用的过程，其中最重要的调节蛋白是RNA聚合酶，最重要的调控序列是启动子。

（一）RNA聚合酶

大肠杆菌中只发现了一种RNA聚合酶，它是人们了解得最清楚的RNA聚合酶，其他原核生物的RNA聚合酶与之十分类似。大肠杆菌的RNA聚合酶由5个亚基组成α₂ββ′σ。在RNA聚合的一定阶段，σ亚基将从整个的酶分子上解离下来，所以将α₂ββ′σ称为全酶，σ亚基解离后的其余部分（α₂ββ′）称为核心酶（图2－1）。σ亚基的最主要的功能是识别启动子，细胞中哪条链被转录（即转录的方向），转录起点的选择都与σ亚基有关。核心酶与DNA松弛结合，由蛋白质中碱性基团与DNA的磷酸根之间的静电引力完成，这是一种与DNA序列无关的非特异性结合，核心酶与σ亚基结合后产生构象上的变化，全酶与非特异性DNA序列的结合力下降上万倍，对启动子的结合力大大提高。

图2－1　原核生物RNA聚合酶的组成和功能

RNA聚合酶的主要功能：①识别并结合在基因上的启动子；②使DNA解链或恢复解链；③通过阅读启动子序列，确定转录方向和模板链；④选择正确的NTP，按照5′－3′方向催化合成RNA；⑤识别终止子，停止转录；⑥和转录因子相互作用，以调节转录速度；⑦在受阻遏的情况下进行自我调节，即借助于辅助因子切割转录产物的3′端，恢复合成RNA。

RNA聚合酶仅仅是转录的核心部分，除此之外还需要其他一些辅助因子，例如转录终止时发生作用的释放因子（ρ因子）和抗终止因子等。σ亚基习惯上算作RNA聚合酶的成分，其实也是一种辅助因子。不同的基因种类可能有不同的辅助因子，例如大肠杆菌的一种热休克蛋白就是一种特殊的σ亚基，负责热休克基因启动子的识别。许多噬菌体也产生某种因子以修饰宿主的RNA聚合酶。枯草杆菌用不同σ亚基替换的方法来控制不同发育阶段的基因表达。

（二）启动子的特征

转录过程中有几个重要的事件都发生在启动子上，RNA聚合酶识别DNA上的特殊序列，以合适的构象相互结合，打开DNA链以进入需要转录的碱基部位，然后开始合成RNA。这一系列事件主要由启动子的碱基序列和RNA聚合酶的σ亚基所指导。

启动子（promoter）：位于基因5′端的调控区域，能被RNA聚合酶识别和结合，从而起始转录。通常原核生物的启动子包括：转录起点、－10盒（－10box）、－35盒（－35box）。

－10盒：是以－10为中心的一段核苷酸序列，大多包含TATAAT序列，这样的六核苷酸序列一般都在－13到－4的范围之内。－10盒是RNA聚合酶的牢固结合位点，在富含AT的－10盒内的DNA双螺旋首先解链，随后扩大到17个核苷酸左右，与RNA聚合酶形成开放性启动子复合物，从而使得RNA聚合酶定向，使之按顺流方向移动而行使其转录功能。

－35盒：对于大多数启动子来说，在RNA聚合酶覆盖的部分还有一个重要的区域，其位置在－35附近，故称为－35盒。它是RNA聚合酶初始结合位点，RNA聚合酶依靠其σ亚基识别该位点，因此又称为RNA聚合酶识别位点。－35盒的重要性在于这一序列的核苷酸结构在很大程度上决定了启动子的强度，RNA聚合酶很容易识别强启动子，而对弱启动子的识别较差。而－10盒的碱基序列通过影响开放性启动子复合物的形成速度而控制转录（图2－2）。这2个序列是决定启动子强度的重要因素，细胞可由此来调节单位时间内所转录的mRNA分子数，从而控制蛋白质的合成速度。

目前发现的影响启动子活性的若干突变体的突变位点集中在－10盒和－35盒附近。RNA聚合酶先结合于－35盒，然后才结合于－10盒。由于RNA聚合酶分子能覆盖大约70bp的DNA序列，因此酶分子和模板DNA一个合适部位结合就能达到－10盒，一旦与－10盒结合后，就立即从识别位点上解离下来。

在－10盒和－35盒之间的碱基序列并不特别重要，而这2个序列之间的距离却十分重要。实验表明，2个序列之间为17bp时转录效率最高，天然启动子中这段距离大多为15～20 bp，距离的大小也可能是决定启动子强度的因素之一。

图2－2　开放性启动子复合物的形成示意图