中文名：转录

外文名：transcription

含义：遗传信息由DNA转换到RNA的过程

意义：基因调节的主要阶段

转录( transcription)是指以DNA为模板，以ATP、UTP、GTP和CTP为原料，按照碱基互补原则，在RNA聚合酶的作用下合成RNA的过程，是基因c表达的第一步。原核细胞只有一种RNA聚合酶；而真核细胞则有3种：RNA聚合酶I、RNA聚合酶Ⅱ及RNA聚合酶Ⅲ。DNA双链中作为转录模板的单链称为模板链( templatestrand)或反义链( antisense strand)，另一条链则称为编码链( coding strand)或有义链( sense strand)(图2-6)。一个DNA分子上有许多基因，并非所有基因的编码区都在同一条单链上，因此模板链或编码链是相对某个基因的转录而言的。原核细胞的RNA转录：原核细胞的RNA聚合酶全酶(a2Bβ'σ)是由4条多肽链组成的核心酶加σ因子构成转录过程可划分为开始、延伸和终止三个阶段。①开始：σ因子识别DNA分子上的启动子并与之结合，将DNA双链局部解开，RNA合成开始，σ因子与核心酶分离。②延伸：RNA聚合酶沿模板链向前移动，使RNA链不断合成延长。③终止：原核细胞转录终止分依赖ρ因子和不依赖p因子两类。由于原核细胞没有核膜，且合成的RNA几乎不需进行复杂的加工修饰，故原核细胞的转录和翻译两个过程几乎可以同时进行 。

转录过程

转录时，细胞通过碱基互补的原则来生成一条带有互补碱基的mRNA，通过它携带密码子到核糖体中可以实现蛋白质的合成。与DNA的复制相比，转录有很多相同或相似之处，亦有其自己的特点。

转录中，一个基因会被读取并复制为mRNA。就是说，以特定的DNA片段作为模板，以DNA依赖的RNA聚合酶作为催化剂，合成前体mRNA。

在体内，转录是基因表达的第一阶段，并且是基因调节的主要阶段。转录可产生DNA复制的引物，在反转录病毒感染中也起到重要作用。

转录仅以DNA的一条链作为模板。被选为模板的单链叫模板链，又称无义链；另一条单链叫非模板链，又称编码链、有义链、信息链。DNA上的转录区域称为转录单位（transcription unit）。

RNA聚合酶合成RNA时不需引物，但无校正功能。

DNA： 5'-ATCGAATCG-3' （将此为非模板链）

3'-TAGCTTAGC-5' （将此为模板链）

转录出的 mRNA： 5'-AUCGAAUCG-3'

可看出只是将非模板链的T改为U，所以非模板链又叫有义链。这也是中心法则和碱基互补配对原则的体现。

以RNA链为模板，经逆转录酶（即依赖于RNA的DNA聚合酶）催化合成DNA链，叫做逆转录。这种机制在RNA肿瘤病毒中首先发现。

RNA聚合酶是以DNA为模板的RNA聚合酶，也称转录酶。

原核生物的RNA聚合酶分子量很大，通常由5个亚基组成；两个α亚基，β，β′和σ，可写作α₂ββ′σ。含有5个亚基的酶叫全酶，失去σ亚基的叫核心酶（α₂ββ′）。后来发现，核心酶还有一个亚基ω，因此，核心酶的亚基组成可表示为α₂ββ′ω，全酶的亚基组成可以表示为α₂ββ′ωσ。核心酶也能催化RNA的合成，但没有固定的起始点，也不能区分双链DNA的信息链与非信息链。σ亚基能识别模板上的信息链和启动子，因而保证转录能从固定的正确位置开始。β和β′亚基参与和DNA链的结合。两个相同的α亚基负责识别和结合启动子，决定了基因转录的特异性。ω亚基的具体作用则尚未明确。

真核生物RNA聚合酶有3类（不包括真核细胞线粒体中类似原核的RNA聚合酶），由8～12条亚基组成，分子量高达80万。初步的研究指出，它们也可能存在类似原核的σ亚基组分。

转录过程

启动

电子显微镜下的转录

延伸

σ亚基脱离酶分子，留下的核心酶与DNA的结合变松，因而较容易继续往前移动。核心酶无模板专一性，能转录模板上的任何顺序，包括在转录后加工时待切除的居间顺序。脱离核心酶的σ亚基还可与另外的核心酶结合，参与另一转录过程。随着转录不断延伸，DNA双链顺次地被打开，并接受新来的碱基配对，合成新的磷酸二酯键后，核心酶向前移去，已使用过的模板重新关闭起来，恢复原来的双链结构。一般合成的RNA链对DNA模板具有高度的忠实性。RNA合成的速度，原核为25～50个核苷酸/秒，真核为45～100个核苷酸/秒。

终止

转录的终止包括停止延伸及释放RNA聚合酶和合成的RNA。在原核生物基因或操纵子的末端通常有一段终止序列即终止子；RNA合成就在这里终止。原核细胞转录终止需要一种终止因子ρ（六个亚基构成的蛋白质）的帮助。真核生物DNA上也可能有转录终止的信号。已知真核DNA转录单元的3′端均含富有AT的序列〔如AATAA(A)或ATTAA(A)等〕，在相隔0～30bp之后又出现TTTT顺序（通常是3～5个T），这些结构可能与转录终止或者与3′端添加多聚A顺序有关。

mRNA前体的后加工

原核mRNA的原始转录产物（除个别噬菌体外）都可直接用于翻译，而真核mRNA一般都有相应的前体，前体必须经过后加工才能用于转译蛋白质。一般认为，真核mRNA的原始转录产物（也称原始转录前体）， hn RNA（hetero-geneous nuclear RNA，核不均一RNA），最终被加工成成熟的mRNA。

mRNA前体的后加工包括以下四方面：①装上5′端帽子：转录产物的5′端通常要装上甲基化的帽子；有的转录产物5′端有多余的顺序，则需切除后再装上帽子。②装上3′端多聚A尾巴：转录产物的3′端通常由多聚A聚合酶催化加上一段多聚A，多聚A尾巴的平均长度在20～200个核苷酸；有的转录产物的3′端有多余顺序，则需切除后再加上尾巴。装5′端帽子和3′端尾巴均可能在剪接之前就已完成。③剪接：将mRNA前体上的居间顺序切除，再将被隔开的蛋白质编码区连接起来。剪接过程是由细胞核小分子RNA（如U1RNA）参与完成的，被切除的居间顺序形成套索形（即lariat RNA中间体）。④修饰：mRNA分子内的某些部位常存在N6-甲基腺苷，它是由甲基化酶催化产生的，也是在转录后加工时修饰的。

有的真核mRNA前体，由于后加工的不同可产生两种或两种以上的mRNA（如人的降血钙素基因转录产物），因而能翻译成两种或两种以上的多肽链。

tRNA前体的后加工

目前分离得到的tRNA前体有两类：①含单个tRNA的tRNA前体，在5′端和3′端各有一段多余顺序；②含二个tRNA的tRNA前体，除5′端和3′端有长短不一的多余顺序外，在两个tRNA之间还有数目不等的核苷酸隔开。有的真核tRNA前体的反密码子环区含有一个居间顺序。

原核和真核生物tRNA前体的后加工有相似的步骤：①修饰：对tRNA分子上的部分核苷酸进行修饰（包括甲基化、酰化、硫代和重排等）；②切除5′端和3′端多余核苷酸；③3′端不含CCA顺序的tRNA前体需装上CCA顺序。原核与真核tRNA前体的加工过程还有不同的情况：①原核多顺反子tRNA前体，需加工时切开；②含有居间顺序的真核tRNA前体，加工时需除去居间顺序。首先，tRNA前体被一内切核酸酶将居间顺序切除，产生带有 2′，3′-环磷酸的5′半分子和含有5′羟基的3′半分子；然后两个半分子分别在2′，3′-环磷酸二酯酶和多核苷酸激酶作用下使5′半分子露出了羟基和2′磷酸基，使3′半分子带上5′磷酸基，这两个半分子再先后经过连接酶和磷酸单酯酶（去除2′磷酸基）的作用，最后生成成熟的tRNA。

rRNA前体的后加工

rRNA前体的后加工通常有如下步骤：①修饰：除5SrRNA外，rRNA分子上通常有修饰核苷酸（主要是甲基化核苷酸），它们都是在后加工时修饰的。一般认为核糖2′羟基的甲基化在碱基甲基化之前；②剪切：在rRNA前体分子的多余顺序处切开，产生许多中间前体，然后再切除中间前体末端的多余顺序；③剪接：有的真核生物rRNA前体中存在有居间顺序的，须加工时除去。1982年T.R.切赫发现，在四膜虫（Tetrahymena）rRNA前体中，去除含有413个核苷酸的居间顺序是由rRNA前体自身催化完成的。在 5′-鸟苷酸的促进下经过自身催化作用将居间顺序切除，居间顺序前后的两个部分再连接起来，产生成熟的rRNA（5′-UpU-3′）和一个环状RNA分子及一个15个核苷酸残基的小片段。rRNA前体的自身催化作用表明 RNA具有类似于酶的活性。这一发现突破了生物高分子中只有蛋白质才有催化作用的观念。同时对生物进化与生命起源等研究都将有重要的意义。

真核生物RNA的转录与原核生物RNA的转录过程在总体上基本相同，但是，其过程要复杂得多，主要有以下几点不同：

⒈ 真核生物RNA的转录有的是在细胞核内进行的，而蛋白质的合成则是在细胞质内进行的。且真核生物线粒体和叶绿体的遗传信息系统被称为真核细胞的第二遗传信息系统，或核外基因及其表达体系。这是因为研究发现，线粒体和叶绿体中除有DNA外，还有RNA（mRNA、tRNA、 RNA）、核糖体、氨基酸活化酶等。说明这两种细胞器都具有独立进行转录和转译的功能。也就是说，线粒体和叶绿体都具有自身转录RNA和翻译蛋白质的体系。

⒉ 真核生物一个mRNA分子一般只含有一个基因，原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因，而除少数较低等真核生物外，一个mRNA分子一般只含有一个基因，编码一条多肽链。

⒊ 真核生物RNA聚合酶较多，在原核生物中只有一种RNA聚合酶，催化所有RNA的合成，而在真核生物中则有RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ三种不同酶，分别催化不同种类型RNA的合成。三种RNA聚合酶都是由10个以上亚基组成的复合酶。RNA聚合酶Ⅰ存在于细胞核内，催化合成除5SrRNA以外的所有rRNA的合成；RNA聚合酶Ⅱ催化合成mRNA前体，即不均一核RNA（hnRNA）的合成；RNA聚合酶Ⅲ催化tRNA和小核RNA的合成。

⒋ 真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA 。原核生物中RNA聚合酶可以直接起始转录合成RNA ，真核生物则不能。在真核生物中，三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录。另外，RNA聚合酶对转录启动子的识别，也比原核生物更加复杂，如对RNA聚合酶Ⅱ来说，至少有三个DNA的保守序列与其转录的起始有关，第一个称为TATA框（TATA box），具有共有序列TATAAAA，其位置在转录起始点的上游约为25个核苷酸处，它的作用可能与原核生物中的－10共有序列相似，与转录起始位置的确定有关。第二个共有序列称为CCAAT框（CCAAT box），具有共有序列GGAACCTCT，位于转录起始位置上游约为50-500个核苷酸处。如果该序列缺失会极大地降低生物的活体转录水平。第三个区域一般称为增强子（enhancer），其位置可以在转录起始位置的上游，也可以在下游或者在基因之内。它虽不直接与转录复合体结合，但可以显著提高转录效率。

原核生物和真核生物的线粒体与叶绿体转录与翻译同时进行 。

转录的调节控制

在原核生物方面1961年F.雅各布和J.莫诺提出的操纵子学说，得到许多人的验证和充实。操纵子通常的调控方式为：①诱导和阻遏作用；②环腺苷酸（CAMP）和降解物活化蛋白（CAP）的调节作用；③弱化作用。

对真核细胞基因转录的调节控制目前知道得很少。同种高等生物每个个体的各个体细胞都有全套相同的基因，只是由于在发育过程中基因表达的调节控制（包括转录的调节控制）不同，因而发育成各种不同的组织和器官。目前认为，动物（包括人）都含有癌基因，但有的致癌，有的则不致癌，这也可能是由于转录与翻译的调控不同。另外，真核DNA中的结构基因只占总量的10%左右，大部分DNA顺序都可能起调节控制作用。真核生物也有诱导酶和诱导蛋白质，如干扰素就是由病毒或双链RNA等诱导产生的一种蛋白质。

转录能被一些特异性的抑制剂抑制，有些抑制剂是治疗某些疾病的药物，有的则是研究转录机理的重要试剂。按照作用机理的不同，转录抑制剂分为两大类。第一类抑制剂特异性地与DNA链结合，抑制模板的活性，使转录不能进行。这类抑制剂同时抑制DNA复制，例如：放线菌素D、纺锤菌素、远霉素、溴乙锭和黄曲霉素等。第二类抑制剂作用于RNA聚合酶，使RNA聚合酶的活性改变或丧失，从而抑制转录的进行。这类抑制剂只抑制转录，不影响复制，是研究转录机制和RNA聚合酶性质的重要工具，例如：利福平等。

在真核细胞中，RNA聚合酶通常不能单独发挥转录作用，而需要与其他转录因子共同协作，有些辅助功能的转录因子就是解旋酶。

以反式作用影响转录的因子可统称为转录因子（transcription factors，TF）。RNA聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。与RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相应的转录因子分别称为TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ，对TFⅡ研究最多。表19-2列出真核基因转录需要基本的TFⅡ。

表19-2　RNA聚合酶Ⅱ的基本转录因子

以前认为与TATA盒结合的蛋白因子是TFⅡ－D，后来发现TFⅡ－D实际包括两类成分：与TATA盒结合的蛋白是TBP（TATAbox binding protein），是唯一能识别TATA盒并与其结合的转录因子，是三种RNA聚合酶转录时都需要的；其他称为TBP相关因子（TBP?associated factors TAF），至少包括8种能与TBP紧密结合的因子。转录前先是TFⅡ－D与TATA盒结合；继而TFⅡ－B以其C端与TBP－DNA复合体结合，其N端则能与RNA聚合酶Ⅱ亲和结合，接着由两个亚基组成的TFⅡ－F加入装配，TFⅡ－F能与RNA聚合酶形成复合体，还具有依赖于ATP供给能量的DNA解旋酶活性，能解开前方的DNA双螺旋，在转录链延伸中起作用。这样，启动子序列就与TFⅡ－D、B、F及RNA聚合酶Ⅱ结合形成一个“最低限度”能有转录功能基础的转录前起始复合物（pre?intitiation complex，PIC），能转录mRNA。TFⅡ－H是多亚基蛋白复合体，具有依赖于ATP供给能量的DNA解旋酶活性，在转录链延伸中发挥作用；TFⅡ－E是两个亚基组成的四聚体，不直接与DNA结合而可能是与TFⅡ－B联系，能提高ATP酶的活性；TFⅡ－E和TFⅡ－H的加入就形成完整的转录复合体，能转录延伸生成长链RNA，TFⅡ－A能稳定TFⅡ－D与TATA盒的结合，提高转录效率，但不是转录复合体一定需要的 。