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westnorth

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Sapere Aude

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一、 RNA 聚合酶 (RNA Polymerase, RNAP)

  • 原核生物：

    • 单一类型： 只有一种主要的 RNA 聚合酶。
    • 结构： 核心酶由 5 个亚基组成：α₂, β, β’, ω。核心酶本身可以催化 RNA 合成，但不能识别启动子。
    • σ因子： 起始转录需要σ因子亚基（如σ⁷⁰）与核心酶结合形成全酶。σ因子负责特异性识别并结合启动子。不同σ因子识别不同类型的启动子，调控不同基因的表达（如热休克基因由σ³²识别）。
    • 功能： 转录所有类型的 RNA（mRNA, tRNA, rRNA）。

  • 真核生物：

    • 多种类型： 存在三种主要的 RNA 聚合酶，位于细胞核内，分工明确：
      • RNA 聚合酶 I (Pol I)： 主要负责转录核糖体 RNA (rRNA)（主要是 28S, 18S, 5.8S rRNA）。
      • RNA 聚合酶 II (Pol II)： 负责转录信使 RNA (mRNA) 和大部分小核 RNA (snRNA)、microRNA (miRNA) 前体。是基因表达调控的核心，也是研究最深入的。
      • RNA 聚合酶 III (Pol III)： 负责转录转运 RNA (tRNA)、5S rRNA、小核仁 RNA (snoRNA) 和一些其他小 RNA。
    • 结构复杂： 每种 RNA 聚合酶都由12 个或更多亚基组成。其中一些亚基在三种酶中是共享的，另一些是特异的。
    • 无σ因子： 真核 RNA 聚合酶没有σ因子亚基。它们依赖于一套称为通用转录因子 (General Transcription Factors, GTFs) 的蛋白质来识别启动子并起始转录。
    • 抑制剂敏感性： 不同聚合酶对抑制剂敏感性不同（如α-鹅膏蕈碱强烈抑制 Pol II，对 Pol I 基本无抑制，对 Pol III 中等抑制）。

二、启动子 (Promoter)

  • 原核生物：

    • 结构相对简单： 通常包含两个关键的保守序列元件：
      • -10 区 (Pribnow 框)： 位于转录起始位点上游约 10bp 处，保守序列通常为 TATAAT。这是σ因子结合和 DNA 解链的关键位点。
      • -35 区： 位于转录起始位点上游约 35bp 处，保守序列通常为 TTGACA。这是σ因子初始识别和结合的主要位点。
    • 位置固定： 这些元件相对于转录起始位点的位置相对固定。
    • 上游元件 (UP elements)： 某些强启动子在-35 区上游还存在富含 AT 的 UP 元件，可与 RNAP α亚基结合增强转录。
    • 无增强子： 原核生物一般没有类似真核生物的长距离增强子。

  • 真核生物：

    • 结构复杂多样： 启动子结构比原核复杂得多，不同基因、不同聚合酶的启动子差异很大（尤其是 Pol II）。
    • 核心启动子元件 (Core Promoter Elements)： 围绕转录起始位点（+1）的区域，包含：
      • TATA 框： 位于-25 到-35bp 处，保守序列 TATAWAW (W=A 或 T)。主要由TFIID复合物中的TBP (TATA 结合蛋白) 识别并结合。是许多 Pol II 启动子的关键元件（但并非所有都有）。
      • 起始子 (Initiator, Inr)： 直接包围转录起始位点（-2 到+4），保守序列 YYANWYY (Y=C 或 T, N=任意碱基, W=A 或 T)。也可被 TFIID 识别。
      • 下游启动子元件 (Downstream Promoter Element, DPE)： 位于+28 到+32bp 处，保守序列 RGWYV (R=嘌呤, W=A 或 T, Y=嘧啶, V=非 T)。常存在于无 TATA 框的启动子中，由 TFIID 识别。
      • TFIIB 识别元件 (BRE)： 位于 TATA 框上游（-37 到-32），保守序列 G/C G/C G/A C G C C，被转录因子 TFIIB 识别。
    • 近端启动子元件 (Proximal Promoter Elements)： 位于核心启动子上游约 200bp 内，包含各种顺式作用元件（如 GC 框、CAAT 框等），由特异性转录因子结合，调节基础转录水平。
    • 增强子 (Enhancers)： 这是真核生物特有的关键调控元件。可以位于基因上游、下游、内含子中，甚至距离启动子非常远（数千至数十万 bp）。通过环化 (looping) 与启动子区域靠近，由激活蛋白 (Activators) 结合，显著增强转录起始效率。其作用具有位置和方向无关性。
    • 沉默子 (Silencers)： 与增强子类似但作用相反，抑制转录。

三、转录起始 (Initiation)

  • 原核生物：

    • 相对简单： RNAP 全酶（核心酶+σ因子）直接扫描 DNA，σ因子识别并结合-35 区和-10 区。
    • 闭合复合物： RNAP 与未解链的启动子 DNA 结合形成闭合复合物。
    • 开放复合物： RNAP 诱导-10 区附近约 14bp 的 DNA 解链，形成开放复合物。
    • 起始： 第一个（通常是嘌呤）NTP 进入，与第二个 NTP 形成第一个磷酸二酯键。经历数次流产性起始（合成短链寡核苷酸并释放）后，成功合成约 10nt 的 RNA 并稳定下来，σ因子释放，核心酶进入延伸阶段。

  • 真核生物：

    • 高度复杂： 需要众多通用转录因子 (GTFs) 按特定顺序在启动子上组装成前起始复合物 (Pre-Initiation Complex, PIC)。Pol II 本身不能直接识别或结合启动子。
    • PIC 组装 (以 Pol II 为例)：
      1. TFIID 结合核心启动子（主要靠 TBP 结合 TATA 框，或结合 Inr/DPE）。
      2. TFIIA 结合 TFIID，稳定其结合（非必需）。
      3. TFIIB 结合 TBP 和 BRE 元件，并招募 Pol II/TFIIF 复合物。
      4. Pol II/TFIIF 复合物被招募到位。
      5. TFIIE 结合，招募TFIIH。
      6. TFIIH 结合完成 PIC 组装。TFIIH 具有解旋酶活性（解开启动子 DNA 形成转录泡）和激酶活性（磷酸化 Pol II 的羧基末端结构域 CTD）。
    • 起始： PIC 组装完成后，TFIIH 解旋 DNA 形成开放复合物。在起始因子帮助下，合成最初的几个核苷酸。
    • 启动子清除 (Promoter Clearance) 和延伸复合物形成： 合成约 20-60nt RNA 后，Pol II 的 CTD 被 TFIIH 磷酸化（特别是 Ser5 和 Ser7），导致 GTFs（除 TFIID 和 TFIIA 外）大部分解离，中介子复合物 (Mediator Complex) 结合磷酸化的 CTD（中介子在起始前也可能与激活蛋白协同作用帮助招募 GTFs 和 Pol II），Pol II 从启动子脱离，进入高效的延伸阶段。CTD 磷酸化是启动子清除和进入延伸的关键信号。
    • 中介子作用： 中介子是一个巨大的多亚基复合物，作为桥梁连接结合在增强子/启动子上的特异性转录因子 (激活蛋白/阻遏蛋白) 与 PIC，传递调控信号，对转录水平进行精细调控。

四、转录延伸 (Elongation)

  • 原核生物：

    • 相对直接： 核心酶沿模板链移动，按碱基互补配对原则合成 RNA。延伸速度约为 40-80 nt/s。
    • 拓扑问题： RNAP 移动时会在前方产生正超螺旋，后方产生负超螺旋。需要拓扑异构酶 (I 型和 II 型) 来消除这些张力。
    • 延伸因子： 存在一些延伸因子（如 NusA）可调节延伸速度、暂停和解离。
    • 偶联翻译： mRNA 合成的同时即可被核糖体结合并翻译（无核膜屏障）。

  • 真核生物：

    • 染色质障碍： DNA 紧密包裹在核小体中形成染色质，是延伸的主要障碍。
    • 染色质重塑和修饰： 需要染色质重塑复合物利用 ATP 水解的能量滑动或移除核小体。组蛋白修饰（如乙酰化、甲基化）也参与调控染色质的可及性，影响延伸。
    • 延伸因子： 存在多种延伸因子（如 P-TEFb，可磷酸化 Pol II CTD 的 Ser2）调控延伸效率、克服暂停、确保保真度。P-TEFb 的招募常依赖于特异性激活蛋白和中介子。
    • 延伸暂停： Pol II 常在启动子近端发生暂停，这是一个重要的调控检查点。P-TEFb 磷酸化 CTD 的 Ser2 是释放暂停进入高效延伸的关键步骤。
    • CTD 的功能： Pol II 大亚基的羧基末端结构域 (CTD) 由多个重复的七肽序列（YSPTSPS）组成。CTD 在起始时被磷酸化（Ser5, Ser7），在延伸时被进一步磷酸化（Ser2）。磷酸化的 CTD 作为平台招募RNA 加工因子（如加帽酶、剪接因子、加尾因子），实现转录与加工的偶联。
    • 延伸速度： 约 20-60 nt/s，通常比原核慢。

五、转录终止 (Termination)

  • 原核生物： 主要有两种机制：

    • ρ-非依赖型终止 (内在终止)：
      • RNA 转录物自身形成富含 G-C 的发夹结构 (茎环结构)。
      • 发夹结构下游是一串多聚 U 残基。
      • 发夹结构形成会干扰 RNA-DNA 杂合双链的稳定性，导致 RNA 聚合酶暂停。后面不稳定的 A-U 配对（DNA 模板链是 polyA，RNA 是 polyU）使 RNA 更容易从模板解离，导致转录终止。
    • ρ-依赖型终止：
      • 需要ρ因子蛋白（一种解旋酶）。
      • RNA 转录物上有特定的富含 C、缺乏二级结构的rut (ρ utilization) 位点，ρ因子结合于此。
      • ρ因子沿着 RNA 向 RNA 聚合酶方向移动（利用 ATP 水解的能量）。
      • 当 RNA 聚合酶在终止位点暂停时，ρ因子追上并利用其解旋酶活性解开 RNA-DNA 杂合双链，释放 RNA，导致转录终止。

  • 真核生物： 终止机制因聚合酶而异，且不如原核生物了解得透彻。

    • RNA Pol I： 终止需要一个终止因子 (TTF-I) 结合到基因下游的终止子序列，导致 Pol I 暂停并释放转录本。
    • RNA Pol III： 终止依赖于转录本中的寡聚 U 序列（类似原核ρ非依赖型，但机制不完全相同）。转录在模板上一串 T（通常 4 个或更多）处终止，产生含 polyU 尾的转录本（但此尾通常会被加工掉）。
    • RNA Pol II： 终止与mRNA 3’ 端加工（切割和加 polyA 尾）紧密偶联。
      • Pol II 转录经过多聚腺苷酸化信号 (Polyadenylation Signal, PAS)，通常是 AAUAAA（位于 3’非翻译区）。
      • 一系列切割和聚腺苷酸化因子 (CPSF, CstF, CFI, CFII, PolyA Polymerase PAP 等) 识别并结合 PAS。
      • 这些因子与 Pol II 的 CTD（特别是 Ser2 磷酸化形式）相互作用。
      • RNA 在 PAS 下游约 10-30nt 处被切割。
      • 切割后，PAP立即在切开的 3’端添加约 200-250 个腺苷酸 (polyA 尾)。
      • 切割事件触发了一种终止机制，导致 Pol II 在切割点下游几百到几千碱基处最终解离。目前模型包括：
        • Torpedo 模型： 切割后产生的下游 RNA 片段被5’→3’ 外切酶 (如 Xrn2) 降解。当外切酶追上仍在延伸的 Pol II 时，导致其解离。
        • 变构模型： 切割和加尾因子与 Pol II 结合，诱导其构象改变，降低延伸能力，最终导致终止。
      • 终止效率受加尾信号强度、下游序列以及延伸因子影响。

六、转录与翻译的时空关系

  • 原核生物： 转录和翻译在空间和时间上紧密偶联 (偶联转录翻译)。

    • 由于没有细胞核，转录在细胞质中进行。
    • mRNA 的 5’端一旦被合成，尚未完成转录，核糖体就可以立即结合并开始翻译。
    • 形成多聚核糖体 (polyribosome/polysome)，即多个核糖体同时翻译同一条正在合成的 mRNA 链。这是原核生物高效快速响应环境变化的关键。

  • 真核生物： 转录和翻译在空间和时间上完全分离。

    • 转录在细胞核内进行。
    • 新生的 RNA 转录本在核内经历一系列复杂的转录后加工（5’加帽、剪接、3’切割加 polyA 尾）。
    • 加工成熟的 mRNA 通过核孔复合物转运到细胞质中。
    • 只有在细胞质中，核糖体才能结合到 mRNA 上并开始翻译。
    • 这种分离允许在 RNA 输出到细胞质之前进行严格的质量控制和调控。

总结对比表

特征原核生物真核生物
RNA 聚合酶一种 (核心酶+σ因子)三种 (Pol I, II, III), 结构复杂
σ因子有 (识别启动子)无
通用转录因子 (GTFs)无有 (组装前起始复合物 PIC 必需)
启动子结构相对简单 (-10, -35 区)高度复杂 (核心元件 TATA/Inr/DPE/BRE, 近端元件)
增强子无有 (长距离调控, 位置方向无关)
转录起始RNAP 全酶直接结合启动子需 GTFs 按顺序组装 PIC, 需中介子传递调控信号
启动子清除关键σ因子释放Pol II CTD (Ser5/Ser7) 磷酸化
延伸障碍拓扑张力核小体 (染色质结构)
延伸调控关键NusA 等因子P-TEFb (磷酸化 CTD Ser2), 染色质重塑/修饰
CTD 功能无关键 (招募加工因子, 调控延伸/终止)
转录终止机制ρ非依赖 (发夹+polyU), ρ依赖Pol I: TTF-I; Pol III: oligo U; Pol II: 与 3’端加工偶联 (切割加尾后通过 Torpedo/变构模型终止)
转录后加工很少 (部分 mRNA 需切割)必需且复杂 (5’加帽, 剪接, 3’切割加 polyA 尾)
转录与翻译关系偶联 (在细胞质同时进行)分离 (核内转录加工, 胞质翻译)

关系图谱