真核⽣物的转录
真核⽣物有3种依赖DNA的RNA聚合酶,即RNA聚合酶1、2、3。RNA聚合酶1负责转录rRNA。RNA聚合酶2负责转录结构基因mRNA和部分snRNA。RNA聚合酶3负责转录tRNA和5s rRNA。
真核⽣物RNA聚合酶2必须与多与20个转录因⼦TF2(transcription factor; 或称转录起始因⼦,transcription initiation factor,TIF;或称⼀般转录因⼦,general transcription factor,GTF)逐级组装成“完全的转录起始复合物”(complete transcriptional initiation complex,complete TIC)才能启动转录过程。
真核⽣物中没有类似原核⽣物中可以识别启动⼦的α亚基的对应物,所以真核⽣物RNA聚合酶2在⾏使转录起始时,需要TF2先期识别或结合启动⼦,帮助RNA聚合酶2定位到DNA上的转录起始位点,并与RNA聚合酶2共同组装成转录起始的基本装置(basal apparatus),此时由于⼀个或多个TF2的作⽤,DNA的构象从封闭式转换为开放式。
RNA聚合酶2的转录起始复合物的装配
基本转录作⽤的开始需要许多基本因⼦(basal factor),称为⼀般转录因⼦(general transcription factor, GTF),简称转录因⼦(transcription factor, TF),每个转录因⼦在转录起始作⽤时所扮演的⾓⾊都不尽相同。
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步骤⼀:TFⅡD
如图⼆,⼀般DNA的转录起点前⾯都有⼀段DNA序列叫做启动⼦(promoter),是由腺嘌呤(adenine, A)及胸腺嘧啶(thymine, T)所组成的,称为TATA盒(TATA box),其标准序列(consensus sequence)为TATAAAA。
minimal图⼆
在最先,转录因⼦TFⅡD蛋⽩(分⼦量120~140kDa)会出这段TATA盒序列,并与这段DNA序列进⾏蛋⽩/DNA结合作⽤。早期的研究指出,TFⅡD是⼀个复合体(complex),由多个多胜肽链(polypeptide)组合⽽成,因此在TFⅡD复合体中专门与DNA结合的蛋⽩,我们就称它为TATA结合蛋⽩(TATA binding protein,简称TBP)。
TBP的分⼦量因不同的⽣物体⽽异,由27kDa(酵母菌)到38kDa(果蝇与⼈类细胞)都有。虽然TBP专责与DNA结合,但TBP跟其他能与DNA结合的DNA结合蛋⽩(DNA binding protein,简称DBP)有许多不同的地⽅。⾸先,TBP只需要单独⾏动即可,是以单元体(monomer)形式和DNA作⽤,⽽⾮⼀般DBP要形成⼆聚体(dimer)才能和DNA结合(可进⼀步参考《科学⽉刊》25卷8期〈简述视黄酸的讯息传递〉中以⼆聚体形式作⽤的DBP)。其次,TBP是与DNA分⼦螺旋结构上的⼩沟(minor groove)地⽅作⽤,⽽⾮⼀般DBP作⽤是在⼤沟(major groove)上;另外,TBP在蛋⽩上本⾝⽆法区分具有特定功能的功能部位(domain),亦即当TBP缺乏⼀些胺基酸⽚段后,它的DNA结合能⼒与转录启动活性均告丧失(参考《科学⽉刊》25卷8期〈简述视黄酸的讯息传递〉中有功能部位区分的核中受体)。从分⼦结构层次来看,TBP整个分⼦呈对称的马鞍状,与DNA的结合⽅式就好像马鞍套在马背上⼀样。当TBP与DNA结合后,除了TBP蛋⽩本⾝的形状改变外,DNA亦会被扭曲,以便让以后其他的转录因⼦来作⽤(可参阅1993年⼗⽉份英国的《Nature》中的许多计算机⽴体图形)。
TFⅡD除了TBP之外,还有另外六个蛋⽩,它们被称为TBP附着因⼦(TBP-associated factor, TAF),能与其他TFⅡD以外的蛋⽩作⽤,例如活化⼦与抑制⼦,所以它们是负责转录活性调控的功能。
由于TFⅡD中的TBP结合到DNA的TATA序列上,是整个转录作⽤的⾸要之务,随后引发⼀连串事件,最终促使转录之进⾏,因此这个蛋⽩
(TFⅡD)与DNA的复合物,称为起始复合体(initiation complex)。
在早期的实验指出,另外有⼀个转录因⼦TFⅡA会结合到起始复合体上并稳定其结构,但⽬前已证实TFⅡA只是在纯化TFⅡD时⼀起沉淀下来的蛋⽩⽽巳,在转录的起始过程中并⾮是必需的因⼦。
步骤⼆:TFⅡB
如图三,转录因⼦TFⅡB对起始复合体的结合与否,为转录起始作⽤过程的速率限制步骤(rate-limiting step)。⽽RNA聚合酶Ⅱ能否与起始复合体结合并开始转录作⽤,也完全视乎TFⅡB的结合与否。⼀些能使转录作⽤增强的活化⼦之所以能使转录作⽤加速,其原因就是可以加速TFⅡB 结合到起始复合体上。
图三
TFⅡB为单⼀蛋⽩结构,分⼦量由35kDa(⽼⿏细胞)到41kDa(酵母菌)都有。TFⅡB的功能是让RNA聚合酶结合到起始复合体上,并且测定出转录起始点的位置。
步骤三:TFⅡF与RNA聚合酶
图四中,另外⼀个转录因⼦TFⅡF是由两个分⼦量分别为30kDa与74kDa的多胜肽链所组成的异型⼆聚体(heterodimer),所以⼜称为
RAP30/74。它⾸先在细胞核中与未和DNA结合的游离RNA聚合酶结合,然后携带着RNA聚合酶与前述在起始复合体上的TFⅡB结合;因此
TFⅡF就好像「媒⼈」⼀般,拖着RNA聚合酶与TFⅡB认识并与之结合。⽬前已知能与RNA聚合酶结合的蛋⽩除了TFⅡF与TFⅡB之外,前述
TFⅡD中的TBP也被证实有跟RNA聚合酶结合的能⼒。
图四
值得⼀提的是:RNA聚合酶⼆型在转录过程中有两个形式存在,⼀是没有被磷酸化(non-phosphorylation)时称为A型(即RNA polymerase ⅡA),⽽如果已被磷酸化(phosphorylation),则称为O型(即RNA polymerase ⅡO)。磷酸化的位置集中在RNA聚合酶的羰基端,称之为羰基端功能部位(carboxyl-terminal domain, CTD)。⽽TFⅡF只与RNA聚合酶A型作⽤。
这时,RNA聚合酶A型结合到DNA上,整个复合体已有能⼒打开DNA的双股螺旋结构了,但它还未有⾜够的能⼒移动⽽停留在原地,这时的DNA与众多的蛋⽩所形成的复合体,称为起始前复合体(pre-initiation complex, PIC)或最⼩起始复合体(minimal initiation complex)。
步骤四:TFⅡE(但是也有⽂献说是TFⅡA在这⼀步起作⽤,我们先说是E吧)
图五中,转录因⼦TFⅡE已证实能与前述的TBP、TFⅡF及RNA聚合酶ⅡA型、和下⼀步的转录因⼦TFⅡH结合(详见步骤五)。TFⅡE由两个多胜肽链(分别为34kDa及56kDa)所组成,它与PIC的结合可以稳定PIC,并引导下⼀个转录因⼦TFⅡH往PIC上结合。
图五
从⼀开始的第⼀步(TFⅡD与DNA上的TATA序列结合),⼀直⾄⽬前(TFⅡE与PIC结合),所有的蛋
⽩与DNA或蛋⽩与蛋⽩的结合反应都是可逆的步骤(reversible pathway),所以表⽰转录因⼦就算结合后也不⼀定会往下⼀步⾛。
步骤五:TFⅡH
图六中,当转录因⼦TFⅡH(⼜称为BTF2)结合到TFⅡE上时,整个包括RNA聚合酶的复合体可称为完整起始复合体(complete initiation complex)。TFⅡH是⼀个多功能蛋⽩,由五个多胜肽链所构成的复合体(⼤约有200kDa),它最特别的地⽅是:在⽬前众多转录因⼦的功能中,只有它拥有激酶(kinase;进⾏磷酸化的酵素种类)、螺旋酶(helicase;能打开DNA螺旋结构的酵素)及ATP⽔解酶(ATPase;⽔解ATP分⼦⽽产⽣能量的酵素种类)的活性。⽽当TFⅡE及TFⅡH与PIC结合后,这时TFⅡH的ATP⽔解酶活性就会⽔解ATP分⼦⽽释出能量,⽽螺旋酶的活性也可使双股DNA打开的地⽅更⼤,这时期称为启动⼦廓清(promoter clearance)阶段,它可以说是介于启动复合体与延长复合体(elongation complex)之间。⽽TF ⅡH的激酶活性是⽤来对RNA聚合酶的CTD作磷酸化作⽤的,藉以把RNA聚合酶ⅡA型转变成ⅡO型,⽽CTD被磷酸化之后,RNA聚合酶随即可以移动并开始转录作⽤。我们可以想象TFⅡH是⼀个开关,可以打开RNA聚合酶的动⼒机制,使之前进。
图六
另外,在今年七⽉份英国《Nature》期刊中指出,TFⅡH中有⼀个与酵母菌RAD25蛋⽩很像的次单位(subunit),称为ERCC3(因此⼜称为RAD25/ERCC3次单位),它具有修补(repair)的作⽤,当转录中RNA聚合酶遇到有错误序列时,可能会促进修补机制之进⾏,⽽使转录机制与修补机制偶合在⼀起(transcription-repair coupling)。
步骤六:TFⅡG及TFⅡJ
⽬前还有两个转录因⼦TFⅡG及TFⅡJ,但研究⼈员对其功能与存在的必要性仍有争议,只知道它们出现在TFⅡH以后的步骤中。
步骤七:转录启动
RNA聚合酶被磷酸化后,即可向前移动,当到达转录起启点时,即可开始利⽤核 酸来进⾏聚合反应(polymerization)⽽合成RNA。
当RNA聚合酶向前移动时,完整起始复合体却没有完全分解开,反⽽分成三⼤阵营:⼀部分留在原地(TATA序列上),⼀部分跟着RNA聚合酶移动,剩下的部分解离出去。⽬前已知TFⅡD和TFⅡB停留不动,死咬着TATA序列不动;⽽TFⅡF与RNA聚合酶⼀起移动,共同进退;⾄于
TFⅡE及TFⅡH则从复合体中解离出去,重获⾃由⾝。
TFⅡD和TFⅡB停留在原地之复合物被称为后启动复合物(post-initiation complex),它们赖着不⾛的⽬的主要是要与下⼀个转录因⼦作⽤,也就是说在下⼀轮的转录作⽤中,TFⅡD不必再花费时间和能量再去TATA序列,TFⅡB也不必再重新⼀遍TFⅡD,⽽重复做⼀次PIC的形成过程(见图七)。
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