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主要内容

转录概述

在转录过程中,基因的DNA序列被转录(复制)成RNA分子。

关键点

  • 转录是基因表达的第一步。它涉及基因的DNA序列的复制,以生成RNA分子。
  • 转录由被称为RNA聚合酶的酶催化,其将核苷酸连接形成RNA链(使用一个DNA链作为模版)。
  • 转录包含三个阶段:起始,延伸,和终止。
  • 在真核生物中,RNA分子必须在转录后被处理:它们被剪接,并在末端被加上5‘帽子多聚-A尾巴
  • 你基因组中每一个基因的转录都被分别控制。

介绍

你曾经抄写过东西吗?也许有人在你的语音信箱里留言,而你得把它写在纸上。或者也许你在课堂上记笔记,然后重新将它们整齐地写好,帮助你复习。
正如这些例子所示, 转录 是一个信息被重写的过程。转录是我们日常生活中的一项工作。我们的细胞也必须进行转录,以一种更特异、被更狭窄定义的方式。在生物学中,转录是指将一个基因的DNA序列复制到相似的RNA“字母表”。

转录概述

转录是基因表达的第一步,其中来自一个基因的信息被用来构造一个起作用的产物,例如蛋白质。转录的目的是产生一个基因的DNA序列的RNA副本。对一个编码蛋白的基因,其RNA副本,或转录物,携带构建多肽(蛋白质或蛋白质亚基)所需的信息。真核转录物在被翻译成蛋白质之前需要经历一些处理步骤。
在转录中,DNA的一个区域打开。其中一条链,模版链,作为合成互补的RNA转录物的模版。另一条链,编码链,其序列与RNA转录物相同,除了它在原有胸腺嘧啶(T)的位置使用尿嘧啶(U)。
示例:
编码链:5'-ATGATCTCGTAA-3' 模版链:3'-TACTAGAGCATT-5' RNA转录物:5'-AUGAUCUCGUAA-3'
对一个编码蛋白的基因,其RNA转录物携带构建多肽(蛋白质或蛋白质亚基)所需的信息,其位于一个特定的氨基酸序列。在这个例子中:
RNA转录物(作为信使RNA):5'-AUGAUCUCGUAA-3' 多肽:Met-Ile-Ser-STOP

RNA聚合酶

转录中涉及的主要的酶是RNA聚合酶,其使用一个单链DNA模版去合成一个互补的RNA链。特别地,RNA聚合酶由5‘到3’方向构建RNA链,在链的3‘末端添加每一个新的核苷酸。
RNA聚合酶合成一个与DNA模版链互补的RNA链。它从5‘到3’的方向合成RNA链,同时从3‘到5’读取DNA模版链。DNA模版链与RNA链是反向平行的。
RNA转录物:5'-UGGUAGU...-3' (点表示核苷酸仍在3‘端被添加) DNA 模版链:3'-ACCATCAGTC-5'

转录的阶段

一个基因的转录氛围三个阶段:起始,延伸,和种植。在这里,我们将简要地了解这些步骤是如何在细菌中发生的。你可以在文章转录阶段中学习更多关于每一阶段的细节(以及真核转录是如何不同的)。
  1. 起始 RNA聚合酶与一段称为启动子的DNA序列结合。该序列被发现离基因的开头很近。每个基因(或在细菌中,每组被同时转录的基因)都有它们自己的启动子。一旦结合,RNA 聚合酶分离 DNA 链,提供转录所需的单链模板。
    启动子区域在转录特别制定的转录区域之前(并且稍微重叠)。它包含 RNA 聚合酶或其辅助蛋白的识别位点。DNA在启动子区域打开,以便 RNA 聚合酶可以开始转录。
  2. 延伸 一条DNA模版链作为RNA聚合酶的模版。当聚合酶一个一个地“读取”这个模板的碱基时,它用互补的核苷酸建立RNA分子,产生一个从5‘到3’生长的链。RNA转录物与非模版的DNA(编码)链带有相同的信息,但它含有碱基尿嘧啶(U)而不是胸腺嘧啶(T)。
    RNA聚合酶沿3‘到5’方向合成与DNA模版链互补的RNA转录物。它沿着模版链的3‘到5’方向向前移动,一路打开DNA双螺旋。合成的RNA只与模板链结合很短一段时间,然后会作为悬空的链退出聚合酶,使DNA能够闭合并形成双螺旋。
    在这个例子里,编码链,模版链,和RNA转录物分别是:
    编码链:5'- ATGATCTCGTAG-3'
    模板链:3'-TATAGAGAATT-5'
    RNA:5'-AUGAUC..-3'(点表示核酸仍在被添加到RNA的3‘末端)
  3. 终止 被称为终止子的序列标志着RNA转录的完成。一旦它们被转录完,转录物被从RNA聚合酶释放。一个终止的机理涉及在RNA发夹的形成,如下所示。
    DNA终止子编码一段RNA,其可以形成发夹结构,以及一串U核苷酸。转录物中的发夹结构导致RNA聚合酶抛锚停下。在这之后的U核苷酸则与DNA模版的A核苷酸形成弱键,使转录物从模版上分离,结束转录。

真核生物中的RNA修饰

在细菌中,RNA转录物可以立即成为信使RNAmRNA)。在真核生物中,编码蛋白基因的转录物被称为mRNA前体,在被直接翻译前必须经历额外的处理。
  • 真核mRNA前体的末端必须被修改,通过添加一个5'帽子(在开头)和3‘多聚-A尾巴(在末尾)。
  • 许多真核mRNA前体会经历剪切。在这个过程中,mRNA前体的一些部分(叫内含子)被切掉,而剩下的(叫外显子)被粘回在一起。
    图片顶部:一个有5‘帽子和3’多聚-A尾巴的mRNA前体。在mRNA前体的5‘末端的5’帽子是一个修改过的G核苷酸。3’多聚-A尾巴是在mRNA前体的3’末端,含有一长串A核苷酸(仅显示1其中一些)。
    RNA前体依旧包含外显子和内含子。在mRNA上,外显子和内含子以交替的模式排列:外显子1—内含子1—外显子2—内含子2—外显子3。每组都包含一段RNA核苷酸。
    在简洁中,内含子被从mRNA前体中删除,而外显子被粘在一起,形成一个成熟的mRNA。
    图像底部:成熟的不含有内含子序列的mRNA(只有外显子1—外显子2—外显子3)。
末端修饰提高了mRNA的稳定性,而剪切带给mRNA正确的序列。(如果内含子没有被移除,它们会与外显子一起被翻译,产生“胡言乱语”的多肽。)
想了解更多关于mRNA前体修饰,请查看文章mRNA前体处理

发生于个别基因的转录

不是所有基因都在所有时间被转录。相反,每个基因的转录都被单独控制(或者,在细菌中,在同一小组内基因被同时转录)。细胞仔细地调控转录,只转录那些其产物在特定时刻被需要的基因。
例如,下图显示了一个想象的细胞的RNA在一定时刻的“快照”。在这个细胞中,基因1、2和3被转录,而基因4没有。另外,基因1、2和3被不同程度地转录,意味着每个基因都有不同的RNA分子数。
显示每个基因被不同程度地转录的图。
一段显示含有四种基因的DNA区域,且每个基因被转录的区域用黑蓝色标出。每一基因的转录物数量显示在DNA之上(在Y轴上)。基因1有六个转录物,基因2有一个,基因3有12个,而基因4没有。
此图不表示任何实际的一套基因及其转录水平的例子,而是表明,基因和其他转录单位的转录是被单个调控的。
在接下来的文章中,我们将更深入地了解RNA聚合酶,转录的阶段,和在真核生物中的RNA修饰。我们还会考虑细菌和真核生物转录之间的一些重要差异。