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第三章：转录

3.1 转录概述

转录的基本概念

转录

：以DNA为模板合成RNA的过程

DNA:    3'-TACG-5'  →  RNA:  5'-AUGC-3'

关键特征：

• 转录不需要引物
• 转录是局部的（基因选择性表达）
• RNA合成后释放，不保持双链
• 只有一条DNA链作为模板（模板链/反义链）

转录与复制的比较

特征	DNA复制	转录
模板	双链DNA	单链DNA
产物	DNA	RNA
引物	需要RNA引物	不需要
原料	dNTPs	NTPs
碱基配对	A-T, G-C	A-U, G-C
保真性	高	较低

3.2 RNA聚合酶

原核生物RNA聚合酶

RNA聚合酶

组成：

• 核心酶：α₂ββ’ω（催化活性）
• 全酶：核心酶 + σ因子（识别启动子）

σ因子类型： | σ因子 | 识别的启动子 | 功能 | |——-|————-|——| | σ⁷⁰ | 管家基因 | 主要σ因子 | | σ³² | 热休克基因 | 应激反应 | | σ⁵⁴ | 氮代谢基因 | 特殊代谢 |

真核生物RNA聚合酶

类型	定位	产物	对α-鹅膏蕈碱敏感性
RNA聚合酶I	核仁	rRNA（除5S）	不敏感
RNA聚合酶II	核质	mRNA、snRNA、miRNA	高度敏感
RNA聚合酶III	核质	tRNA、5S rRNA	中度敏感

RNA聚合酶II：

• 最大、最复杂的聚合酶
• 包含12个以上亚基
• 负责蛋白质编码基因的转录

3.3 转录过程

起始阶段

原核生物：

1. 启动子识别：σ因子识别-10区（TATAAT）和-35区（TTGACA）
2. 闭合复合物形成：RNA聚合酶结合双链DNA
3. 开放复合物形成：DNA解旋约14bp
4. 起始合成：合成前10个核苷酸，σ因子释放

真核生物：

1. 启动子元件：
   • TATA盒

     （-25至-30）：核心元件

   • 起始子

     （Inr）：转录起始位点

   • 上游激活序列

     （UAS）

2. 通用转录因子（GTFs）： | 因子 | 功能 | |——|——| | TFIID | 识别TATA盒（含TBP） | | TFIIB | 桥接TFIID和RNA聚合酶II | | TFIIF | 招募RNA聚合酶II | | TFIIE | 招募TFIIH | | TFIIH | 解旋酶活性，启动子逃逸 |

延伸阶段

• RNA聚合酶沿DNA模板移动（3’→5’方向）
• RNA链以5’→3’方向合成
• 形成DNA-RNA杂合双链（约8-9bp）
• 拓扑异构酶缓解超螺旋

终止阶段

原核生物：

• ρ因子非依赖终止：发夹结构 + poly-U序列
• ρ因子依赖终止：ρ蛋白解旋酶活性

真核生物：

• poly(A)信号

  （AAUAAA）：切割和加尾信号

• 终止子

  ：转录终止序列

• 转录终止与3’端加工偶联

3.4 原核生物转录调控

操纵子模型

操纵子

（Operon）是原核生物基因调控的基本单位：

启动子 - 操纵基因 - 结构基因群
   ↑         ↑
RNA聚合酶  阻遏蛋白

元件	功能
启动子	RNA聚合酶结合位点
操纵基因（Operator）	阻遏蛋白结合位点
结构基因	编码功能蛋白
调节基因	编码调控蛋白

乳糖操纵子

乳糖操纵子

（Lac operon）：

负调控（阻遏）：

• 无乳糖时：阻遏蛋白结合操纵基因，转录关闭
• 有乳糖时：乳糖作为诱导物，阻遏蛋白失活，转录开启

正调控（激活）：

• 葡萄糖缺乏时：cAMP升高，CAP蛋白（catabolite activator protein）激活转录
• 葡萄糖存在时：cAMP水平低，CAP不结合，转录水平低

色氨酸操纵子

色氨酸操纵子

（Trp operon）：

阻遏型操纵子：

• 无色氨酸时：转录开启
• 有色氨酸时：色氨酸作为辅阻遏物，阻遏蛋白激活，转录关闭

衰减作用（Attenuation）：

• 前导序列含有4个可互补配对的区域
• 前导肽的翻译影响转录终止
• 转录-翻译偶联的精细调控机制

3.5 真核生物转录调控

顺式作用元件

顺式作用元件

：DNA上的调控序列

元件	位置	功能
启动子	转录起始点附近	基础转录装置组装
增强子（Enhancer）	远端（1kb-1Mb）	显著增强转录效率
沉默子（Silencer）	远端	抑制转录
绝缘子（Insulator）	边界	阻断增强子/沉默子作用

反式作用因子

反式作用因子

：调控蛋白

转录因子结构域：

• DNA结合域

  ：识别特定序列

• 转录激活域

  ：招募转录 machinery

• 二聚化结构域

  ：形成同源/异源二聚体

常见DNA结合域： | 结构域 | 特征 | 代表因子 | |——–|——|———| | 同源异型域 | 螺旋-转角-螺旋变体 | HOX蛋白 | | 锌指 | Zn²⁺稳定 | SP1、TFIIIA | | 碱性亮氨酸拉链 | bZIP二聚化 | AP-1、CREB | | 螺旋-环-螺旋 | HLH二聚化 | MyoD、E47 |

染色质与转录

核小体与转录：

• 核小体阻碍RNA聚合酶前进
• 染色质重塑复合物

  （SWI/SNF等）协助核小体滑动

组蛋白修饰：

• H3K4me3

  ：激活转录标记

• H3K27me3

  ：抑制转录标记

• 组蛋白乙酰化

  ：通常激活转录

3.6 RNA加工

5’端加帽

5'帽结构

：

• 结构：m⁷G(5’)ppp(5’)N
• 酶：鸟苷酰转移酶
• 功能：保护mRNA、促进翻译起始、参与mRNA输出

3’端加尾

poly(A)尾

：

• 长度：100-250个腺苷酸
• 酶：poly(A)聚合酶
• 功能：稳定mRNA、促进翻译、调控降解

RNA剪接

剪接过程：

• 切除内含子，连接外显子
• 剪接体

  （spliceosome）执行

• 涉及snRNP（U1、U2、U4/U6、U5）

选择性剪接：

• 一个基因产生多种mRNA异构体
• 人类约95%的基因存在选择性剪接
• 增加蛋白质组多样性

本章小结

• 转录以DNA为模板合成RNA，不需引物
• 原核生物一个RNA聚合酶，真核生物有三种
• 转录分起始、延伸、终止三个阶段
• 原核生物以操纵子为单位进行调控
• 真核生物通过顺式元件和反式因子精细调控
• RNA加工（加帽、加尾、剪接）是真核mRNA成熟的关键步骤

思考题

1. 为什么真核生物需要三种RNA聚合酶？
2. 比较乳糖操纵子和色氨酸操纵子的调控机制。
3. 选择性剪接有什么生物学意义？