转录模板与聚合酶

转录需要DNA作为模板，由RNA pol催化单核苷酸聚合为大分子RNA。

（一）转录模板

转录的模板是基因组DNA。

在某个基因的DNA双链中，只有一股链可作为模板指导转录，称为模板链（template strand），而另一股链不转录，即非模板链（nontemplate strand），转录产物可有mRNA、tRNA、rRNA等，其中mRNA可作为翻译模板，按遗传密码决定氨基酸的序列。图10－1中模板链既与非模板链互补，又与mRNA互补，mRNA的碱基序列除了用U代替T外，与非模板链是一致的，故非模板链也可称为编码链（coding strand）。为方便起见，在书写DNA序列时，一般只写出编码链。

图10－1 转录模板及其转录过程

在不同基因转录时，模板链并非都在同一单链上。如图10－1所示，基因1中模板链所在的单链在基因2、3中却是编码链。转录按照5′→3′方向合成产物，不在同一单链的模板，其转录方向相反，见图中黑色箭头所示方向。因此，转录是以不对称转录（asymmetric transcription）的方式完成的，所谓不对称转录的含义有两方面：一是某个基因的DNA双链中，只有一股链可作为模板；二是基因组DNA双链均可作为模板，并不只限于某一条链。

（二）RNA pol

RNA pol催化核苷酸聚合成为RNA链的反应还需要Mg2＋和Zn2＋。聚合反应在核苷酸或新生RNA的3′－OH端加入核苷酸而延长产物RNA分子，此反应中3′－OH对核苷三磷酸的α－磷酸进行亲核攻击并形成新的磷酸二酯键（图10－2），同时释放出焦磷酸，总反应可以表示为：

RNA pol与双链DNA结合时活性最高，新加入的核苷酸以Watson－Crick碱基配对原则和DNA模板链的碱基互补。

原核生物与真核生物的RNA pol有较大区别，以下用RNA pol表示原核生物RNA聚合酶，用RNA Pol表示真核生物RNA聚合酶。

1．原核生物RNA pol 不同原核生物的RNA pol在结构、组成和功能上较为相似，此处仅以大肠埃希菌（E．coli）为例加以介绍。大肠埃希菌的RNA pol是一个分子量高达480 000，由5种亚基α2（2个α）、β、β′、ω和σ组成的六聚体蛋白质。各亚基及功能见表10－1。

图10－2 RNA pol的催化机制

表10－1 大肠埃希菌RNA pol组分

α2ββ′（ω）亚基组成的五聚体可称为核心酶（core enzyme），在体外能催化NTP按模板的指引合成RNA，但合成的RNA没有固定的起始位点。核心酶加上σ亚基称为全酶（holoenzyme），全酶能与特定的起始位点结合并启动转录，即转录起始（图10－3）。细胞内的转录起始需要全酶，一旦完成转录起始，σ亚基会脱落，转录延长阶段只需核心酶参与。也有人认为σ亚基是由另一个蛋白质因子Nus A取代，直至转录终止时才脱落。

α亚基决定转录哪些类型和种类的基因，但它不像σ亚基那样在转录延长时脱落。

β亚基具有催化核苷酸聚合的作用，故参与转录全过程。

β′亚基参与RNA pol与DNA模板相结合，也参与转录全过程。

已发现大肠埃希菌中有多种分子量大小不一的σ亚基，常标注分子量以示区别，最常见的是σ70（分子量70 000），它是辨认典型转录起始点的蛋白质因子，大肠埃希菌基因中的绝大多数启动子可被含有σ70因子的全酶识别并激活。核心酶与不同σ亚基组合即可形成多种RNA pol，可以合成不同种类的RNA，以满足特定条件下的基因表达。如σ32（分子量32 000）所组成的RNA pol可以在环境温度较高（＞42℃）大部分基因表达停止时，继续转录并翻译出一组17种蛋白质——热休克蛋白（heat shock protein，Hsp），以应对环境的变化，维持生存。

图10－3 大肠埃希菌RNA pol全酶与DNA转录起始位点的结合

2．真核生物RNA Pol 真核生物的RNA Pol有3种，各自合成不同的RNA分子。

RNA PolⅠ位于细胞核的核仁（nucleolus），催化合成的产物是rRNA前体，此前体经过加工可生成28S、5．8S及18S的3种rRNA；RNA PolⅡ位于细胞核内，转录产物是核不均一RNA（heterogeneous RNA，hnRNA），经加工转变成mRNA，从核中运送至胞质，即可作为蛋白质合成体系中的模板。此外，RNA PolⅡ也合成一些非编码RNA，如长链非编码RNA（long noncoding RNA，lncRNA）、微RNA（microRNA，miRNA）和piRNA（与Piwi蛋白相作用的RNA）。RNA PolⅢ位于核仁外，催化合成tRNA、5SrRNA和一些核小RNA （small nuclearRNA，snRNA）的合成。这3种RNA Pol对一种毒蘑菇含有的毒素——α－鹅膏蕈碱（α－amanitine）的敏感性也有所不同（表10－2），可作为区分不同类型RNA Pol的依据。

表10－2 真核生物RNA Pol分类及特点

3种真核生物的RNA Pol都是超过500 000的大分子蛋白质，大约由12个亚基组成，其中有2个大亚基和若干小亚基。酶分子中某些亚基与大肠埃希菌RNA pol核心亚基的序列有同源性，如酵母RNA PolⅡ2个大亚基与大肠埃希菌RNA pol的β′和β亚基相似，另有2个相同的亚基与大肠埃希菌RNA pol的α亚基有一定同源性；RNA PolⅠ和Ⅲ则分别有2个不同的亚基与大肠埃希菌RNA pol的α亚基存在同源性。此外，3种真核生物RNA Pol都具有5个共同小亚基，其中两个是相同的（图10－4）。

图10－4 真核生物RNA Pol的亚基组成

mRNA的半寿期比rRNA、tRNA要短得多，代谢速度较快，因此RNA PolⅡ是真核生物中最活跃的RNA Pol。RNA PolⅡ最大亚基中有一个羧基末端结构域（carboxyl－terminal domain，CTD），而RNA PolⅠ和Ⅲ没有此结构。CTD由Tyr－Ser－Pro－Thr－Ser－Pro－Ser 7肽共有序列重复形成，所有真核生物的RNA PolⅡ都含有CTD，只是7肽共有序列的重复程度不同，如酵母RNA PolⅡ的CTD重复27次，哺乳动物为52次。在转录的不同阶段，CTD的Ser和Thr可进行磷酸化和脱磷酸化反应，转录起始完成后CTD被磷酸化，转录起始及转录完成后CTD则被脱磷酸化，RNA PolⅡ可循环进入第2次转录过程。