分子生物学第五章2
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第四节 转录的机制
转录是由DNA指导的RNA合成过程，可 分为起始(initiation)、延伸(elongation)和 终止(termination)三个阶段。 对转录的调控主要发生在起始和终止阶 段，其中转录起始的调控是转录过程乃 至整个基因表达过程的中心环节。
一、转录的起始
TFⅡF由两个亚基组成，大亚基具有依赖 ATP的DNA螺旋酶的活性，可能参与 DNA双链的熔解。小亚基与RNA聚合酶 紧密结合。 TFⅡF的功能是将RNA聚合 酶Ⅱ于其他的辅助因子组成转录复合物。 TFⅡF的结合可使复合物的保护区域扩展 至＋30。 TFII E由两个亚基组成，分别为34Kda和 56Kda，两个亚基对RNA聚合酶的结合和 转录激活都是必需的。
RNA聚合酶III可以在仅有TATA元件的情 况下从上游启动子起始snRNA基因的转 录。
在TATA元件上游，PSE元件和OCT元件 的出现会大大增加基因的转录效率。结 合在PSE和OCT元件上的蛋白因子之间会 发生协同作用。
TBP在三种RNA聚合酶的转录起始中均有相 同的作用。 在RNA聚合酶Ⅰ识别rRNA的启动子并起始 转录的过程中，TBP是SL1的组分，起定位 RNA聚合酶Ⅰ的作用。 在RNA聚合酶Ⅱ的转录起始过程中，TBP可 以识别TATA框，同样起定位RNA聚合酶的 作用。 RNA聚合酶Ⅲ的转录起始（包括内部启动子） 也需要TBP。
1. 2.
3. 4.
5.
6.
TBP in TFIID binds to the TATA box TFIIA and TFIIB are recruited with TFIIB binding to the BRE RNA Pol II-TFIIF complex is then recruited TFIIE and TFIIH then bind upstream of Pol II to form the pre-initiation complex Promoter melting using energy from ATP hydrolysis by TFIIH ) Promoter escapes after the phosphorylation of the CTD tail
尽管TBP在不同的启动子中与其他转录 因子形成复合物的方式不同，但功能都 是一样的，即起定位作用。所以TBP又 称为定位因子（positioning factor）。
二、 转录的延伸
转录的起始第一个涉及的问题是第一个碱基的 选择。 在原核生物，起始转录的碱基距保守T为6～9 个核苷酸，多为CAT模式，第一个碱基为A， 这可能是由RNA聚合酶的空间结构决定的，即 结合部位与聚合活性部位间的距离决定了转录 起始碱基与TATA框（结合位点）的距离。
RNA聚合酶Ⅲ转录的起始
RNA聚合酶Ⅲ转录基因的启动子有三类， 其中有两类属于内部启动子。 这两类内部启动子转录的起始需要三种辅 助因子TFⅢA、TFⅢB和TFⅢC的参与。 TFⅢB含有TBP，是RNA聚合酶Ⅲ所需要的 真正转录因子，其主要作用是使RNA聚合 酶Ⅲ正确定位于启动子上。而TFⅢA和 TFⅢC属于装配因子，起协助TFⅢB与启动 子正确结合的作用。
经分析， TBP的晶 体结构呈 马鞍状, 内面与 DNA结 合，外面 与其他的 蛋白因子 相互作用。
TFⅡD具有识别TATA框的作用，TFⅡD 结合上来以后形成的复合物可保护－ 45～－10的区域。 TFⅡA由几个亚基组成，可以激活TBP。 它的结合可使复合物的保护区域扩展。 TFⅡB与TATA框的下游结合，可使复合 物的保护区域扩展至＋10。
Transition from the initiation to elongation involves the Pol II enzyme shedding (摆脱) most of its initiation factors (GTF and mediators) and recruiting other factors: (1) Elongation factors: factors that stimulate elongation, such as TFIIS and hSPT5. (2) RNA processing (RNA 加工) factors Recruited to the C-terminal tail of the CTD of RNAP II to phosphorylate the tail for elongation stimulation, proofreading, and RNA processing like splicing and polyadenylation.
1. 原核生物转录的起始
菌体细胞中，大部分的RNA聚合酶（核心酶） 与DNA分子松弛结合，形成松弛型复合物， 并且核心酶对启动子无特殊的亲和力。 σ因子与核心酶结合形成全酶以后，对启动子 的亲和力大大提高，形成紧密型复合物。原核 生物RNA聚合酶中的σ因子起着识别启动子的 作用。
当两种辅助因子与DNA结合以后，RNA 聚合酶Ⅰ才能与核心启动子结合，从而 起始转录。
RNA聚合酶Ⅱ的转录起始
RNA聚合酶Ⅱ自身不能起始转录，必须 在其他辅助因子的作用下，RNA聚合酶 Ⅱ和其他辅助因子组成一个基础转录装 置（basal transcription apparatus），起始 真核生物Ⅱ类基因的转录。
转录起始复合物形成的基本过程为TBP及 TAFs先与TATA框附近的区域结合，而后 依次为TAⅡA、 TAⅡB、 TAⅡF和RNA聚 合酶、TAⅡE、TAⅡH和TAⅡJ。
TBP与DNA的小沟结合，这和其他的蛋白 因子不同，目前所知的所有蛋白质因子都 是与DNA的大沟结合。TBP是唯一的一个 与DNA特异结合的基础转录因子。
原核生物的RNA聚合酶中，催化RNA合成 的可能是β亚基。 在酶分子上有两个核苷酸结合位点，一是 起始核苷酸位点。二是延伸核苷酸位点。 当两个位点都与模板互补的核苷酸结合后， 第一个磷酸二酯键才能形成。 转录起始后，σ因子解离下来，这时的核心 酶既能够与DNA结合，又能在DNA分子上 滑动。真核生物是靠多种辅助因子的共同 作用来维持这一状态的。
1.全酶与模板的DNA接触，生成非专 一的,不稳定的复合物在模板上移动； 2. 起始识别：全酶与－35序列结合， 产生封闭的酶-启动子二元复合物 （closed binary complex）； 3.全酶紧密地结合在-10序列处，模板 DNA局部变性，形成开放的启动子二 元复合体； 4. 第一个rNTP转录开始,形成酶-启动子rNTP三元复合体（ternary complex）。 5.当RNA长约9bp形成稳定的DNA-酶RNA 复合物、 σ因子释放，结束起始， 进入延伸阶段。σ因子释放是起始 与延伸的分水岭。
Leabharlann Baidu
在β亚基的催化下，起始位点和延伸位点上 的核苷酸形成第一个磷酸二酯键，从而形 成一个三元复合物。 σ因子从三元复合物上解离下来，形成起始 延伸复合物（initial elongation complex）， 此时与大约50 bp（－35～＋20）的DNA相 互接触。
原核生物转录的起始
含不同TAFs的TFⅡD可以识别不同的启动 子。
人类Ⅱ型启动子的转录因子 因子 分子量 功能 RNA PolⅡ ≥10K 依赖模板合成RNA TFⅡA 12,19,35K 稳定TFⅡD和DNA的结合，激活TBP亚基 TFⅡB 33K 结合模板链（-10～+10），起始PolⅡ结合，和TFⅡE/F 相互作用 TFⅡD (TBP,30K) TBP亚基识别TATA，将聚合酶组入复合体中，TAFs识别 特殊启动子 TFⅡE 34K(β ) 结合在PolⅡ的前部，使复合体的保护区延伸到下游 57K(α ) TFⅡF 38, 74K 大亚基具解旋酶活性（RAP74）,小亚基和PolⅡ结合， 介导其加入复合体 TFⅡH 具激酶活性，可以磷酸化PolⅡC端的CTD，使PolⅡ逸出， 延伸 TFⅡI 120K 识别Inr，起始TFⅡF/D结合 TFⅡJ 在TFⅡF后加入复合体，不改变DNA的结合方式 TFⅡS RNA合成延伸
转录的起始是RNA聚合酶识别启动子并 与之结合从而启动RNA合成的过程。
转录的起始过程十分复杂，特别是真核 生物，需要多种辅助因子参与。
Activation
of gene structure ↓ Initiation of transcription ↓ Processing the transcript ↓ Transport to cytoplasm ↓ Translation of mRNA
真核生物RNA聚合酶Ⅱ的启动子结构中还有 其他的元件如CAAT框、GC框和八聚体元件。 对各种元件的识别都需要特有的转录因子， 如SP1可识别GC框、CAAT框由CTF家族的 因子识别、识别八聚体元件的蛋白质因子不 止一种，在非淋巴细胞中为oct-1，而在淋巴 细胞中为oct-2。 至于这些元件的识别与转录起始复合物形成 的关系，目前还不十分清楚。
RNA聚合酶Ⅲ的第三类启动子（snRNA） 不是内部启动子，其结构类似于RNA聚合 酶Ⅱ的启动子。 RNA聚合酶Ⅲ对其TATA 框的识别同样依赖于TBP，但必须有其他 RNA聚合酶Ⅲ的辅助因子共同作用，使 RNA聚合酶Ⅲ在启动子上正确定位。
RNA聚合酶Ⅲ并没有对启动子特异序列的 识别作用。它能正确地结合在转录起始点 附近，全靠其他转录因子的作用。
全酶在很长的基因组中寻找约60 bp的启动 子是一个很复杂的过程。 目前有三种模式解释这种机制： 随机扩散模式 序列置换模式 滑动模式
RNA聚合酶与启动子－35区结合后，与 DNA形成封闭型启动子复合物，然后－10 区左右的DNA发生熔解，形成12～17 bp的 单链区，转变为开放型启动子复合物。二 者皆为二元复合物，此时RNA聚合酶大约 与75 bp的DNA相接触。 在开放型启动子起始复合物中，RNA聚合 酶的起始位点和延伸位点被相应的核苷酸 前体所占据。
RNA聚合酶Ⅱ可以起始转录的最短的启动子 序列称为通用启动子（generic promoter）， 它可以在任何细胞内表达而无组织特异性。 能使通用启动子起始转录所需的辅助因子， 称为基础转录因子（basal transcription factor， TFⅡX）。通用启动子起始转录的效率很低， 需要上游的调控序列及相应的辅助因子来增 强其转录的水平。
RNA聚合酶Ⅱ转录起始的过程需要很多辅 助因子的参与，它们按一定的顺序与DNA 结合形成复合物。
经足迹法可证明各种辅助因子与DNA结合 的先后次序。
识别TATA框及其上游序列的辅助因子称为 TFⅡD。 TFⅡD由TBP（TATA-binding protein，TBP）及TBP相关因子（TBPassociated factors，TAFs）两种组分组成。 TBP识别TATA框。
2. 真核生物转录的起始
RNA聚合酶Ⅰ的转录起始
RNA聚合酶Ⅰ起始转录需要两种辅助因 子UBF1和SL1的参与。 UBF1可特异地识别核心启动子和上游调 控元件（Upstream Control Element）中富 含GC对的区域。
在UBF1和DNA结合以后，SL1才可结合 上来。SL1类似于原核生物的σ因子，它 可与启动子特异地结合，并保证RNA聚 合酶Ⅰ定位于转录起始位点。
转录的延伸过程中，需要旋转酶（gyrase） 和拓扑异构酶Ⅰ（topoisomeraseⅠ）消除正 超螺旋和负超螺旋。 新形成的RNA链与DNA形成的杂交双链很 短，只有几个碱基(<3bp)。 RNA合成的速度约为每秒40个核苷酸，与 蛋白质合成的速度相近（15个氨基酸/秒）， 但比DNA复制的速度要慢得多。另外， RNA聚合酶在DNA分子上的运动不是匀速 的。
TFⅡH和TFⅡJ与复合物的结合并不改 变复合物与DNA间的作用模式。
TFⅡH具有激酶的活性，可使RNA聚 合酶Ⅱ的CTD尾磷酸化，结果可使聚 合酶与其他的转录起始因子解离，从 而得以进行转录的延伸。
RNA聚合酶Ⅱ的起始过程类似于原核生物， 先由RNA聚合酶和DNA形成封闭型复合物， DNA解链后形成开放型复合物。ATP可能 与某些转录因子从复合物上解离有关。 真核生物共计有20多种多肽分子参与RNA 聚合酶Ⅱ转录起始过程，形成的起始复合 物十分庞大，总计在1000 KDa以上。
转录是由DNA指导的RNA合成过程，可 分为起始(initiation)、延伸(elongation)和 终止(termination)三个阶段。 对转录的调控主要发生在起始和终止阶 段，其中转录起始的调控是转录过程乃 至整个基因表达过程的中心环节。
一、转录的起始
TFⅡF由两个亚基组成，大亚基具有依赖 ATP的DNA螺旋酶的活性，可能参与 DNA双链的熔解。小亚基与RNA聚合酶 紧密结合。 TFⅡF的功能是将RNA聚合 酶Ⅱ于其他的辅助因子组成转录复合物。 TFⅡF的结合可使复合物的保护区域扩展 至＋30。 TFII E由两个亚基组成，分别为34Kda和 56Kda，两个亚基对RNA聚合酶的结合和 转录激活都是必需的。
RNA聚合酶III可以在仅有TATA元件的情 况下从上游启动子起始snRNA基因的转 录。
在TATA元件上游，PSE元件和OCT元件 的出现会大大增加基因的转录效率。结 合在PSE和OCT元件上的蛋白因子之间会 发生协同作用。
TBP在三种RNA聚合酶的转录起始中均有相 同的作用。 在RNA聚合酶Ⅰ识别rRNA的启动子并起始 转录的过程中，TBP是SL1的组分，起定位 RNA聚合酶Ⅰ的作用。 在RNA聚合酶Ⅱ的转录起始过程中，TBP可 以识别TATA框，同样起定位RNA聚合酶的 作用。 RNA聚合酶Ⅲ的转录起始（包括内部启动子） 也需要TBP。
1. 2.
3. 4.
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6.
TBP in TFIID binds to the TATA box TFIIA and TFIIB are recruited with TFIIB binding to the BRE RNA Pol II-TFIIF complex is then recruited TFIIE and TFIIH then bind upstream of Pol II to form the pre-initiation complex Promoter melting using energy from ATP hydrolysis by TFIIH ) Promoter escapes after the phosphorylation of the CTD tail
尽管TBP在不同的启动子中与其他转录 因子形成复合物的方式不同，但功能都 是一样的，即起定位作用。所以TBP又 称为定位因子（positioning factor）。
二、 转录的延伸
转录的起始第一个涉及的问题是第一个碱基的 选择。 在原核生物，起始转录的碱基距保守T为6～9 个核苷酸，多为CAT模式，第一个碱基为A， 这可能是由RNA聚合酶的空间结构决定的，即 结合部位与聚合活性部位间的距离决定了转录 起始碱基与TATA框（结合位点）的距离。
RNA聚合酶Ⅲ转录的起始
RNA聚合酶Ⅲ转录基因的启动子有三类， 其中有两类属于内部启动子。 这两类内部启动子转录的起始需要三种辅 助因子TFⅢA、TFⅢB和TFⅢC的参与。 TFⅢB含有TBP，是RNA聚合酶Ⅲ所需要的 真正转录因子，其主要作用是使RNA聚合 酶Ⅲ正确定位于启动子上。而TFⅢA和 TFⅢC属于装配因子，起协助TFⅢB与启动 子正确结合的作用。
经分析， TBP的晶 体结构呈 马鞍状, 内面与 DNA结 合，外面 与其他的 蛋白因子 相互作用。
TFⅡD具有识别TATA框的作用，TFⅡD 结合上来以后形成的复合物可保护－ 45～－10的区域。 TFⅡA由几个亚基组成，可以激活TBP。 它的结合可使复合物的保护区域扩展。 TFⅡB与TATA框的下游结合，可使复合 物的保护区域扩展至＋10。
Transition from the initiation to elongation involves the Pol II enzyme shedding (摆脱) most of its initiation factors (GTF and mediators) and recruiting other factors: (1) Elongation factors: factors that stimulate elongation, such as TFIIS and hSPT5. (2) RNA processing (RNA 加工) factors Recruited to the C-terminal tail of the CTD of RNAP II to phosphorylate the tail for elongation stimulation, proofreading, and RNA processing like splicing and polyadenylation.
1. 原核生物转录的起始
菌体细胞中，大部分的RNA聚合酶（核心酶） 与DNA分子松弛结合，形成松弛型复合物， 并且核心酶对启动子无特殊的亲和力。 σ因子与核心酶结合形成全酶以后，对启动子 的亲和力大大提高，形成紧密型复合物。原核 生物RNA聚合酶中的σ因子起着识别启动子的 作用。
当两种辅助因子与DNA结合以后，RNA 聚合酶Ⅰ才能与核心启动子结合，从而 起始转录。
RNA聚合酶Ⅱ的转录起始
RNA聚合酶Ⅱ自身不能起始转录，必须 在其他辅助因子的作用下，RNA聚合酶 Ⅱ和其他辅助因子组成一个基础转录装 置（basal transcription apparatus），起始 真核生物Ⅱ类基因的转录。
转录起始复合物形成的基本过程为TBP及 TAFs先与TATA框附近的区域结合，而后 依次为TAⅡA、 TAⅡB、 TAⅡF和RNA聚 合酶、TAⅡE、TAⅡH和TAⅡJ。
TBP与DNA的小沟结合，这和其他的蛋白 因子不同，目前所知的所有蛋白质因子都 是与DNA的大沟结合。TBP是唯一的一个 与DNA特异结合的基础转录因子。
原核生物的RNA聚合酶中，催化RNA合成 的可能是β亚基。 在酶分子上有两个核苷酸结合位点，一是 起始核苷酸位点。二是延伸核苷酸位点。 当两个位点都与模板互补的核苷酸结合后， 第一个磷酸二酯键才能形成。 转录起始后，σ因子解离下来，这时的核心 酶既能够与DNA结合，又能在DNA分子上 滑动。真核生物是靠多种辅助因子的共同 作用来维持这一状态的。
1.全酶与模板的DNA接触，生成非专 一的,不稳定的复合物在模板上移动； 2. 起始识别：全酶与－35序列结合， 产生封闭的酶-启动子二元复合物 （closed binary complex）； 3.全酶紧密地结合在-10序列处，模板 DNA局部变性，形成开放的启动子二 元复合体； 4. 第一个rNTP转录开始,形成酶-启动子rNTP三元复合体（ternary complex）。 5.当RNA长约9bp形成稳定的DNA-酶RNA 复合物、 σ因子释放，结束起始， 进入延伸阶段。σ因子释放是起始 与延伸的分水岭。
Leabharlann Baidu
在β亚基的催化下，起始位点和延伸位点上 的核苷酸形成第一个磷酸二酯键，从而形 成一个三元复合物。 σ因子从三元复合物上解离下来，形成起始 延伸复合物（initial elongation complex）， 此时与大约50 bp（－35～＋20）的DNA相 互接触。
原核生物转录的起始
含不同TAFs的TFⅡD可以识别不同的启动 子。
人类Ⅱ型启动子的转录因子 因子 分子量 功能 RNA PolⅡ ≥10K 依赖模板合成RNA TFⅡA 12,19,35K 稳定TFⅡD和DNA的结合，激活TBP亚基 TFⅡB 33K 结合模板链（-10～+10），起始PolⅡ结合，和TFⅡE/F 相互作用 TFⅡD (TBP,30K) TBP亚基识别TATA，将聚合酶组入复合体中，TAFs识别 特殊启动子 TFⅡE 34K(β ) 结合在PolⅡ的前部，使复合体的保护区延伸到下游 57K(α ) TFⅡF 38, 74K 大亚基具解旋酶活性（RAP74）,小亚基和PolⅡ结合， 介导其加入复合体 TFⅡH 具激酶活性，可以磷酸化PolⅡC端的CTD，使PolⅡ逸出， 延伸 TFⅡI 120K 识别Inr，起始TFⅡF/D结合 TFⅡJ 在TFⅡF后加入复合体，不改变DNA的结合方式 TFⅡS RNA合成延伸
转录的起始是RNA聚合酶识别启动子并 与之结合从而启动RNA合成的过程。
转录的起始过程十分复杂，特别是真核 生物，需要多种辅助因子参与。
Activation
of gene structure ↓ Initiation of transcription ↓ Processing the transcript ↓ Transport to cytoplasm ↓ Translation of mRNA
真核生物RNA聚合酶Ⅱ的启动子结构中还有 其他的元件如CAAT框、GC框和八聚体元件。 对各种元件的识别都需要特有的转录因子， 如SP1可识别GC框、CAAT框由CTF家族的 因子识别、识别八聚体元件的蛋白质因子不 止一种，在非淋巴细胞中为oct-1，而在淋巴 细胞中为oct-2。 至于这些元件的识别与转录起始复合物形成 的关系，目前还不十分清楚。
RNA聚合酶Ⅲ的第三类启动子（snRNA） 不是内部启动子，其结构类似于RNA聚合 酶Ⅱ的启动子。 RNA聚合酶Ⅲ对其TATA 框的识别同样依赖于TBP，但必须有其他 RNA聚合酶Ⅲ的辅助因子共同作用，使 RNA聚合酶Ⅲ在启动子上正确定位。
RNA聚合酶Ⅲ并没有对启动子特异序列的 识别作用。它能正确地结合在转录起始点 附近，全靠其他转录因子的作用。
全酶在很长的基因组中寻找约60 bp的启动 子是一个很复杂的过程。 目前有三种模式解释这种机制： 随机扩散模式 序列置换模式 滑动模式
RNA聚合酶与启动子－35区结合后，与 DNA形成封闭型启动子复合物，然后－10 区左右的DNA发生熔解，形成12～17 bp的 单链区，转变为开放型启动子复合物。二 者皆为二元复合物，此时RNA聚合酶大约 与75 bp的DNA相接触。 在开放型启动子起始复合物中，RNA聚合 酶的起始位点和延伸位点被相应的核苷酸 前体所占据。
RNA聚合酶Ⅱ可以起始转录的最短的启动子 序列称为通用启动子（generic promoter）， 它可以在任何细胞内表达而无组织特异性。 能使通用启动子起始转录所需的辅助因子， 称为基础转录因子（basal transcription factor， TFⅡX）。通用启动子起始转录的效率很低， 需要上游的调控序列及相应的辅助因子来增 强其转录的水平。
RNA聚合酶Ⅱ转录起始的过程需要很多辅 助因子的参与，它们按一定的顺序与DNA 结合形成复合物。
经足迹法可证明各种辅助因子与DNA结合 的先后次序。
识别TATA框及其上游序列的辅助因子称为 TFⅡD。 TFⅡD由TBP（TATA-binding protein，TBP）及TBP相关因子（TBPassociated factors，TAFs）两种组分组成。 TBP识别TATA框。
2. 真核生物转录的起始
RNA聚合酶Ⅰ的转录起始
RNA聚合酶Ⅰ起始转录需要两种辅助因 子UBF1和SL1的参与。 UBF1可特异地识别核心启动子和上游调 控元件（Upstream Control Element）中富 含GC对的区域。
在UBF1和DNA结合以后，SL1才可结合 上来。SL1类似于原核生物的σ因子，它 可与启动子特异地结合，并保证RNA聚 合酶Ⅰ定位于转录起始位点。
转录的延伸过程中，需要旋转酶（gyrase） 和拓扑异构酶Ⅰ（topoisomeraseⅠ）消除正 超螺旋和负超螺旋。 新形成的RNA链与DNA形成的杂交双链很 短，只有几个碱基(<3bp)。 RNA合成的速度约为每秒40个核苷酸，与 蛋白质合成的速度相近（15个氨基酸/秒）， 但比DNA复制的速度要慢得多。另外， RNA聚合酶在DNA分子上的运动不是匀速 的。
TFⅡH和TFⅡJ与复合物的结合并不改 变复合物与DNA间的作用模式。
TFⅡH具有激酶的活性，可使RNA聚 合酶Ⅱ的CTD尾磷酸化，结果可使聚 合酶与其他的转录起始因子解离，从 而得以进行转录的延伸。
RNA聚合酶Ⅱ的起始过程类似于原核生物， 先由RNA聚合酶和DNA形成封闭型复合物， DNA解链后形成开放型复合物。ATP可能 与某些转录因子从复合物上解离有关。 真核生物共计有20多种多肽分子参与RNA 聚合酶Ⅱ转录起始过程，形成的起始复合 物十分庞大，总计在1000 KDa以上。