第七节：转录：RNA的生物合成——真核生物的转录作用

真核生物的转录作用

真核细胞中的RNA聚合酶

　　细菌只有一种RNA聚合酶，它完成细胞中所有RNA的合成。真核细胞的转录机构更加复杂。真核细胞核内产生三种RNA聚合酶，位于不同的部位，且均有复杂的亚基结构。每种酶负责不同种类基因的转录。它们的一般性质见表。

真核细胞的三种RNA聚合酶

　　RNA聚合酶Ⅰ合成RNA的活性最显著。它位于核仁中，负责转录编码rRNA的基因(称rRNA)，而细胞内绝大部分RNA是rRNA。另一主要的酶是RNA聚合酶Ⅱ，它位于核浆中，负责核内不匀一RNA(hnRNA)的合成。而hnRNA是mRNA的前体。RNA聚合酶Ⅲ负责合成tRNA和许多小的核内RNAs。转录抑制剂常用来区分这三类酶的活性。某些常用抑制剂的性质见表-。其中最主要的是一种双环八肽──α-鹅膏蕈碱。在不论何种真核细胞中，RNA聚合酶Ⅱ的活性均可被低浓度的α-鹅膏蕈碱所迅速抑制，而聚合酶Ⅰ却不被抑制。聚合酶Ⅲ对α-鹅膏蕈碱的反应则不尽相同:在动物细胞中聚合酶Ⅲ可被高浓度α-鹅膏蕈碱所抑制，而在酵母和昆虫细胞中则不会被抑制。

某些常用的转录抑制剂

　　粗制的RNA聚合酶都是大而复杂的蛋白质，分子量达500KD或更多。其亚基组成亦很复杂:每个酶分子有两个大亚基(一般说，一个约200KD，另一约140KD)，还有10个以下的小亚基，每个分子量约为10-90KD。三种酶中也有一些共同的亚基，所以可能是一个原始的酶在进化过程逐渐分化为在复杂的真核细胞中执行不同功能的三种酶。因为直到现在还不能用亚基来重建活性的酶分子。因此，还难以提出确切的证据说明这些亚基是否真正都是酶分子的固有的组成部分，也不知道哪些亚基负责催化，哪些负责调节功能。

　　线粒体和叶绿体中的RNA聚合酶要小得多，并且和细胞核中的酶完全不同。当然，细胞器的基因组小得很，故其聚合酶所需要转录的基因数也很少。而且转录的调控看来也要简单得多。所以这些酶类似于上文所述噬菌体RNA聚合酶。所有三种小体RNA聚合酶均有其对应的启动子和终止子。以聚合酶Ⅲ所识别的启动子研究得最多，并发现这种启动子很奇怪──不是位于转录顺序的前面，而是在此顺序的中间。

　　RNA聚合酶Ⅱ合成mRNA，它是最直接和遗传调节相关的酶。因此对聚合酶Ⅱ的研究是目前的热点之一。困难之处在于:[1]除非有一些现在还不能确定的一些蛋白质存在，完全纯化的酶似乎不能在天然启动子上工作。这些不确定的蛋白质可能包括一些起始因子(类似细菌中的σ因子)，但是肯定还有其他几种因子。[2]用突变分析方法证明，影响转录作用的DNA节段远比细菌启动子要长得多。[3]在细胞内增强子对启动子的活性很重要;对增强子的研究也是目前的热点之一。

转录因子

　　真核生物在转录时往往需要多种蛋白质因子的协助。一种蛋白质是不是转录机构的一部分往往是通过体外系统看它是否是转录起始所必须的。一般可将这些转录所需的蛋白质分为三大类：
(1)RNA聚合酶的亚基，它们是转录必须的，但并不对某一启动子有特异性。
(2)某些转录因子能与RNA聚合酶结合形成起始复合物，但不组成游离聚合酶的成分。这些因子可能是所有启动子起始转录所必须的。但亦可能仅是譬如说转录终止所必须的。但是，在这一类因子中，要严格区分开哪些是RNA聚合酶的亚基，哪些仅是辅助因子，是很困难的。
(3)某些转录因子仅与其靶启动子中的特异顺序结合。如果这些顺序存在于启动子中，则这些顺序因子是一般转录机构的一部分。如果这些顺序仅存在于某些种类的启动子中，则识别这些顺序的因子也只是在这些特异启动子上起始转录必须的。

　　第三类转录因子被研究得最多。现将某些这类因子列表如下

与RNA聚合酶Ⅱ的启动子中某些特异顺序相结合的转录因子

*TK是胸苷激酶(thymidine kinase)的简称

**GC盒含有的顺序是GGGCGG，它也是某些启动子中的共同顺序。常有几个拷贝GC盒存在于同一个启动子中，而且方向往往不定。

　　黑腹果蝇的RNA聚合酶需要至少两个转录因子方能在体外起始转录。其中一个是B因子，它与含TATA盒的部位结合。人的因子TFⅡD亦和类似的部位结合。同样，CTF(CAAT结合因子)则与腺病毒的主要晚期启动子中与CAAT盒同源的部位相结合。结合在上游区的另一个转录因子是USF(亦称MLTF)，则可以识别腺病毒晚期启动子中靠近-55的顺序。

　　转录因子Sp1则能和GC盒相结合。在SC40启动子中有多个GC盒，位于-70到-110之间。它们均能和Sp1相结合。然而含有GC盒的不同的DNA顺序与Sp1的亲和力却各不相同。可见GC盒两侧的顺序对Sp1-GC盒的结合究竟如何能影响转录。有时候需要几个转录因子才能起始转录。例如胞苷激酶的启动子需要Sp1与GC盒结合和CTF与CAAT盒结合;腺病毒晚期启动子需要TFⅡD与TATA盒结合和USF与其邻近部位相结合。以上所述的因子是一般转录都需要的，似乎并没有什么调节功能。另一些转录因子则可以调控一组特殊基因的转录。热休克基因就是一个很好的例子。真核生物的热休克基因在转录起始点的上游15bp处有一个共同顺序。HSTF因子仅在热休克细胞中有活性。它与包括热休克共同顺序在内的一段DNA相结合，所以这个因子的激活可以引起约包括20个基因的一组基因起始转录。在这里，转录因子和RNA聚合酶Ⅱ之间关系很类似细菌的σ因子与核心酶之间的关系。

增强子

　　增强子能大大增强启动子的活性。增强子有别于启动子处有两点:[1]增强子对于启动子的位置不固定，而能有很大的变动;[2]它能在两个方向产生相作用。一个增强子并不限于促进某一特殊启动子的转录，它能刺激在它附近的任一启动子。首先被发现的增强子是SV40增强子。两个增强子位于基因组的两个串连的72nbp重复中，约在转录起始点上游200bp处，每个72bp重复中有一个。缺失实验显示两个重复缺失一个并不产生什么影响，而如两个均缺失即将大大降低活体内的转录。有人发现，如果将β珠蛋白基因放在含有72bp重复的DNA分子中，它的转录作用在活体内将增高约200倍以上，甚至当此72bp顺序位于离转录起点上游1400bp或下游3000bp时仍有作用。各个基因中的增强子顺序差别较大，但有一个基本的核心顺序(core sequence)：AAAGGTGTGGGTTTGG

　　增强子具有组织特异性，例如免疫球蛋白基因的增强子只有在B淋巴胞内，活性才最高。除此以外，在胰岛素基因和胰凝乳蛋白酶基因的增强子中都发现了有很强的组织特异性。此外，所有的增强子中均有一段由交替的嘧啶-嘌呤残基组成的DNA，这种DNA极易形成Z-DNA型；故有人认为在形成一小段Z-DNA后，增强子才有功能。在酵母中有类似增强子的顺序，称为上游激活顺序(UAS)。UAS能向两个方向起作用。并位于启动子上游的任何距离处，但在启动子下游则无作用(有别于一般的增强子)。小鼠乳腺肿瘤病毒(MMTV)DNA的转录可受糖类固醇激素的刺激。这个能受激素影响的顺序位于转录起点上游约100bp处。此顺序能和激素及其蛋白受体组成的复合物相结合。当将此顺序放在某基因的启动子的任一方面(即上游或下游)和各种不同的距离时，它仍能刺激该基因的转录。所以增强子激活作用可能是糖类固醇能调控一组靶基因的机制:糖类固醇激素进入细胞后即与其受体结合。结合作用激活受体，使其能识别存在于增强子中的共同顺序，进而激活了在增强子附近能对糖类固醇起反应的基因。即当糖类固醇-受体复合物和增强子结合时，其附近的启动子即起始转录。

RNA聚合酶Ⅲ的启动子

　　一般说，启动子均位于转录起点的上游。但后来发现，在由RNA聚合酶Ⅲ转录的5SRNA基因中，其启动子位于转录单位之中，在转录起点的下游50个碱基以后。一般说，5SRNA基因的启动子约在+55到+80之间。在tRNA基因中，更奇怪的是，其启动子分为两段，均在基因内部。A段在+8和+30之间，B段在+51和+72之间。两段必须同时存在，否则不能起始。

　　RNA聚合酶Ⅲ能识别各种各样不同的启动子顺序，当然，还是要依靠一些辅助因子，例如，RNA聚合酶Ⅲ在转录爪蟾的5SRNA基因时，需要一个转录因子，37KD的蛋白质TFⅢA的协助。TFⅢA结合在+45到+96的部位。它有双重作用(另外一个作用是在卵母细胞中与5SRNA相结合)。另外还需要两个因子(TFⅢB和TFⅢC)，但这两个因子对所有第Ⅲ类基因的转录都需要的。而TFⅢA则是对5S基因专一的。