真核生物的轉(zhuǎn)錄

真核生物有3種依賴DNA的RNA聚合酶咕宿,即RNA聚合酶1烂翰、2、3休溶。RNA聚合酶1負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄rRNA代赁。RNA聚合酶2負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因mRNA和部分snRNA。RNA聚合酶3負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄tRNA和5s rRNA兽掰。

真核生物RNA聚合酶2必須與多與20個轉(zhuǎn)錄因子TF2(transcription factor; 或稱轉(zhuǎn)錄起始因子芭碍,transcription initiation factor,TIF孽尽;或稱一般轉(zhuǎn)錄因子窖壕,general transcription factor,GTF)逐級組裝成“完全的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物”(complete transcriptional initiation complex,complete TIC)才能啟動轉(zhuǎn)錄過程瞻讽。

真核生物中沒有類似原核生物中可以識別啟動子的α亞基的對應(yīng)物狐蜕,所以真核生物RNA聚合酶2在行使轉(zhuǎn)錄起始時(shí),需要TF2先期識別或結(jié)合啟動子卸夕,幫助RNA聚合酶2定位到DNA上的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)层释,并與RNA聚合酶2共同組裝成轉(zhuǎn)錄起始的基本裝置(basal apparatus),此時(shí)由于一個或多個TF2的作用快集,DNA的構(gòu)象從封閉式轉(zhuǎn)換為開放式贡羔。


RNA聚合酶2的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的裝配

基本轉(zhuǎn)錄作用的開始需要許多基本因子(basal factor),稱為一般轉(zhuǎn)錄因子(general transcription factor, GTF)个初,簡稱轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor, TF)乖寒,每個轉(zhuǎn)錄因子在轉(zhuǎn)錄起始作用時(shí)所扮演的角色都不盡相同。

image.png

步驟一:TFⅡD
如圖二院溺,一般DNA的轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)前面都有一段DNA序列叫做啟動子(promoter)楣嘁,是由腺嘌呤(adenine, A)及胸腺嘧啶(thymine, T)所組成的,稱為TATA盒(TATA box)珍逸,其標(biāo)準(zhǔn)序列(consensus sequence)為TATAAAA逐虚。


圖二

在最先,轉(zhuǎn)錄因子TFⅡD蛋白(分子量120~140kDa)會找出這段TATA盒序列谆膳,并與這段DNA序列進(jìn)行蛋白/DNA結(jié)合作用叭爱。早期的研究指出,TFⅡD是一個復(fù)合體(complex)漱病,由多個多勝肽鏈(polypeptide)組合而成买雾,因此在TFⅡD復(fù)合體中專門與DNA結(jié)合的蛋白,我們就稱它為TATA結(jié)合蛋白(TATA binding protein杨帽,簡稱TBP)漓穿。
TBP的分子量因不同的生物體而異,由27kDa(酵母菌)到38kDa(果蠅與人類細(xì)胞)都有注盈。雖然TBP專責(zé)與DNA結(jié)合晃危,但TBP跟其他能與DNA結(jié)合的DNA結(jié)合蛋白(DNA binding protein,簡稱DBP)有許多不同的地方。首先当凡,TBP只需要單獨(dú)行動即可山害,是以單元體(monomer)形式和DNA作用,而非一般DBP要形成二聚體(dimer)才能和DNA結(jié)合(可進(jìn)一步參考《科學(xué)月刊》25卷8期〈簡述視黃酸的訊息傳遞〉中以二聚體形式作用的DBP)沿量。其次浪慌,TBP是與DNA分子螺旋結(jié)構(gòu)上的小溝(minor groove)地方作用,而非一般DBP作用是在大溝(major groove)上朴则;另外权纤,TBP在蛋白上本身無法區(qū)分具有特定功能的功能部位(domain)钓简,亦即當(dāng)TBP缺乏一些胺基酸片段后,它的DNA結(jié)合能力與轉(zhuǎn)錄啟動活性均告喪失(參考《科學(xué)月刊》25卷8期〈簡述視黃酸的訊息傳遞〉中有功能部位區(qū)分的核中受體)汹想。從分子結(jié)構(gòu)層次來看外邓,TBP整個分子呈對稱的馬鞍狀,與DNA的結(jié)合方式就好像馬鞍套在馬背上一樣古掏。當(dāng)TBP與DNA結(jié)合后损话,除了TBP蛋白本身的形狀改變外,DNA亦會被扭曲槽唾,以便讓以后其他的轉(zhuǎn)錄因子來作用(可參閱1993年十月份英國的《Nature》中的許多計(jì)算機(jī)立體圖形)丧枪。
TFⅡD除了TBP之外,還有另外六個蛋白庞萍,它們被稱為TBP附著因子(TBP-associated factor, TAF)拧烦,能與其他TFⅡD以外的蛋白作用,例如活化子與抑制子钝计,所以它們是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄活性調(diào)控的功能恋博。
由于TFⅡD中的TBP結(jié)合到DNA的TATA序列上,是整個轉(zhuǎn)錄作用的首要之務(wù)私恬,隨后引發(fā)一連串事件债沮,最終促使轉(zhuǎn)錄之進(jìn)行,因此這個蛋白(TFⅡD)與DNA的復(fù)合物践付,稱為起始復(fù)合體(initiation complex)秦士。
在早期的實(shí)驗(yàn)指出,另外有一個轉(zhuǎn)錄因子TFⅡA會結(jié)合到起始復(fù)合體上并穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)永高,但目前已證實(shí)TFⅡA只是在純化TFⅡD時(shí)一起沉淀下來的蛋白而巳,在轉(zhuǎn)錄的起始過程中并非是必需的因子提针。

步驟二:TFⅡB
如圖三命爬,轉(zhuǎn)錄因子TFⅡB對起始復(fù)合體的結(jié)合與否,為轉(zhuǎn)錄起始作用過程的速率限制步驟(rate-limiting step)辐脖。而RNA聚合酶Ⅱ能否與起始復(fù)合體結(jié)合并開始轉(zhuǎn)錄作用饲宛,也完全視乎TFⅡB的結(jié)合與否。一些能使轉(zhuǎn)錄作用增強(qiáng)的活化子之所以能使轉(zhuǎn)錄作用加速嗜价,其原因就是可以加速TFⅡB結(jié)合到起始復(fù)合體上艇抠。


圖三

TFⅡB為單一蛋白結(jié)構(gòu),分子量由35kDa(老鼠細(xì)胞)到41kDa(酵母菌)都有久锥。TFⅡB的功能是讓RNA聚合酶結(jié)合到起始復(fù)合體上家淤,并且測定出轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的位置。

步驟三:TFⅡF與RNA聚合酶
圖四中瑟由,另外一個轉(zhuǎn)錄因子TFⅡF是由兩個分子量分別為30kDa與74kDa的多勝肽鏈所組成的異型二聚體(heterodimer)絮重,所以又稱為RAP30/74。它首先在細(xì)胞核中與未和DNA結(jié)合的游離RNA聚合酶結(jié)合,然后攜帶著RNA聚合酶與前述在起始復(fù)合體上的TFⅡB結(jié)合青伤;因此TFⅡF就好像「媒人」一般督怜,拖著RNA聚合酶與TFⅡB認(rèn)識并與之結(jié)合。目前已知能與RNA聚合酶結(jié)合的蛋白除了TFⅡF與TFⅡB之外狠角,前述TFⅡD中的TBP也被證實(shí)有跟RNA聚合酶結(jié)合的能力号杠。


圖四

值得一提的是:RNA聚合酶二型在轉(zhuǎn)錄過程中有兩個形式存在,一是沒有被磷酸化(non-phosphorylation)時(shí)稱為A型(即RNA polymerase ⅡA)丰歌,而如果已被磷酸化(phosphorylation)姨蟋,則稱為O型(即RNA polymerase ⅡO)。磷酸化的位置集中在RNA聚合酶的羰基端动遭,稱之為羰基端功能部位(carboxyl-terminal domain, CTD)芬探。而TFⅡF只與RNA聚合酶A型作用。
這時(shí)厘惦,RNA聚合酶A型結(jié)合到DNA上偷仿,整個復(fù)合體已有能力打開DNA的雙股螺旋結(jié)構(gòu)了,但它還未有足夠的能力移動而停留在原地宵蕉,這時(shí)的DNA與眾多的蛋白所形成的復(fù)合體酝静,稱為起始前復(fù)合體(pre-initiation complex, PIC)或最小起始復(fù)合體(minimal initiation complex)。

步驟四:TFⅡE(但是也有文獻(xiàn)說是TFⅡA在這一步起作用羡玛,我們先說是E吧)
圖五中别智,轉(zhuǎn)錄因子TFⅡE已證實(shí)能與前述的TBP、TFⅡF及RNA聚合酶ⅡA型稼稿、和下一步的轉(zhuǎn)錄因子TFⅡH結(jié)合(詳見步驟五)薄榛。TFⅡE由兩個多勝肽鏈(分別為34kDa及56kDa)所組成,它與PIC的結(jié)合可以穩(wěn)定PIC让歼,并引導(dǎo)下一個轉(zhuǎn)錄因子TFⅡH往PIC上結(jié)合敞恋。


圖五

從一開始的第一步(TFⅡD與DNA上的TATA序列結(jié)合),一直至目前(TFⅡE與PIC結(jié)合)谋右,所有的蛋白與DNA或蛋白與蛋白的結(jié)合反應(yīng)都是可逆的步驟(reversible pathway)硬猫,所以表示轉(zhuǎn)錄因子就算結(jié)合后也不一定會往下一步走。

步驟五:TFⅡH
圖六中改执,當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子TFⅡH(又稱為BTF2)結(jié)合到TFⅡE上時(shí)啸蜜,整個包括RNA聚合酶的復(fù)合體可稱為完整起始復(fù)合體(complete initiation complex)。TFⅡH是一個多功能蛋白辈挂,由五個多勝肽鏈所構(gòu)成的復(fù)合體(大約有200kDa)衬横,它最特別的地方是:在目前眾多轉(zhuǎn)錄因子的功能中,只有它擁有激酶(kinase呢岗;進(jìn)行磷酸化的酵素種類)冕香、螺旋酶(helicase蛹尝;能打開DNA螺旋結(jié)構(gòu)的酵素)及ATP水解酶(ATPase;水解ATP分子而產(chǎn)生能量的酵素種類)的活性悉尾。而當(dāng)TFⅡE及TFⅡH與PIC結(jié)合后突那,這時(shí)TFⅡH的ATP水解酶活性就會水解ATP分子而釋出能量,而螺旋酶的活性也可使雙股DNA打開的地方更大构眯,這時(shí)期稱為啟動子廓清(promoter clearance)階段愕难,它可以說是介于啟動復(fù)合體與延長復(fù)合體(elongation complex)之間。而TF ⅡH的激酶活性是用來對RNA聚合酶的CTD作磷酸化作用的惫霸,藉以把RNA聚合酶ⅡA型轉(zhuǎn)變成ⅡO型猫缭,而CTD被磷酸化之后,RNA聚合酶隨即可以移動并開始轉(zhuǎn)錄作用壹店。我們可以想象TFⅡH是一個開關(guān)猜丹,可以打開RNA聚合酶的動力機(jī)制,使之前進(jìn)硅卢。


圖六

另外射窒,在今年七月份英國《Nature》期刊中指出,TFⅡH中有一個與酵母菌RAD25蛋白很像的次單位(subunit)将塑,稱為ERCC3(因此又稱為RAD25/ERCC3次單位)脉顿,它具有修補(bǔ)(repair)的作用,當(dāng)轉(zhuǎn)錄中RNA聚合酶遇到有錯誤序列時(shí)点寥,可能會促進(jìn)修補(bǔ)機(jī)制之進(jìn)行艾疟,而使轉(zhuǎn)錄機(jī)制與修補(bǔ)機(jī)制偶合在一起(transcription-repair coupling)。

步驟六:TFⅡG及TFⅡJ
目前還有兩個轉(zhuǎn)錄因子TFⅡG及TFⅡJ敢辩,但研究人員對其功能與存在的必要性仍有爭議蔽莱,只知道它們出現(xiàn)在TFⅡH以后的步驟中。

步驟七:轉(zhuǎn)錄啟動
RNA聚合酶被磷酸化后戚长,即可向前移動碾褂,當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)錄起啟點(diǎn)時(shí),即可開始利用核 酸來進(jìn)行聚合反應(yīng)(polymerization)而合成RNA历葛。
當(dāng)RNA聚合酶向前移動時(shí),完整起始復(fù)合體卻沒有完全分解開嘀略,反而分成三大陣營:一部分留在原地(TATA序列上)恤溶,一部分跟著RNA聚合酶移動,剩下的部分解離出去帜羊。目前已知TFⅡD和TFⅡB停留不動咒程,死咬著TATA序列不動;而TFⅡF與RNA聚合酶一起移動讼育,共同進(jìn)退帐姻;至于TFⅡE及TFⅡH則從復(fù)合體中解離出去稠集,重獲自由身。
TFⅡD和TFⅡB停留在原地之復(fù)合物被稱為后啟動復(fù)合物(post-initiation complex)饥瓷,它們賴著不走的目的主要是要與下一個轉(zhuǎn)錄因子作用剥纷,也就是說在下一輪的轉(zhuǎn)錄作用中,TFⅡD不必再花費(fèi)時(shí)間和能量再去找TATA序列呢铆,TFⅡB也不必再重新找一遍TFⅡD晦鞋,而重復(fù)做一次PIC的形成過程(見圖七)。


圖七

第一個被聚合的核苷酸經(jīng)常是嘌呤棺克,大約在mRNA被轉(zhuǎn)錄出30個核苷酸后悠垛,鳥嘌呤轉(zhuǎn)移酶將第一個核苷酸修飾成一個帽子結(jié)構(gòu)。所以RNA聚合酶2的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)有時(shí)也稱為帽子位點(diǎn)娜谊。

上面所述得有個問題就是TF2F只能和RNA聚合酶A型結(jié)合确买,那么RNA聚合酶被磷酸化后為什么沒有脫離呢?

參考:
Roeder, Robert G. (1991). "The complexities of eukaryotic transcription initiation: regulation of preinitiation complex assembly". Trends in Biochemical Sciences. 16: 402–408. doi:10.1016/0968-0004(91)90164-Q

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