Gene_transcription

**轉錄**（英語：Transcription）是在 RNA 聚合酶的催化下，遺傳資訊由 DNA 複製到 RNA（尤其是 mRNA）的過程。作為蛋白質生物合成的第一步，轉錄是合成 mRNA 以及非編碼 RNA（tRNA、rRNA 等）的途徑。

真核生物合成蛋白質的轉錄過程以特定的單鏈 DNA 片段作為模板，RNA 聚合酶作為催化劑，合成前 mRNA，前 mRNA 經進一步加工後轉為成熟 mRNA。轉錄時，DNA 分子的雙鏈打開（是否需要 DNA 解旋酶仍存在爭議），在 RNA 聚合酶的作用下，游離的 4 種核糖核苷酸按照鹼基互補配對原則結合到 DNA 單鏈上，並在 RNA 聚合酶的作用下形成單鏈 mRNA 分子。

轉錄成 RNA 分子的 DNA 片段稱為轉錄單元，編碼至少一個基因。如果轉錄的基因編碼蛋白質，則會產生信使 RNA（mRNA），這個 mRNA 又在轉譯過程中作為合成蛋白質的模板。基因還可能編碼非編碼 RNA，例如小分子 RNA，核糖體 RNA（rRNA），轉運 RNA （tRNA）或有催化作用的 RNA 分子核酶。

## 主要步驟

轉錄通常按以下步驟進行：

1. RNA 聚合酶與一種或多種通用轉錄因子一起結合 DNA 上的啟動子。
2. RNA 聚合酶產生一個轉錄泡泡，並通過打開互補 DNA 核苷酸之間的氫鍵分離 DNA 雙螺旋的兩條鏈。
3. RNA 聚合酶催化聚合核糖核苷酸（與模板 DNA 鏈的去氧核糖核苷酸互補）。
4. 在 RNA 聚合酶的作用下形成 RNA 糖 — 磷酸骨架，進而形成 RNA 鏈。
5. RNA—DNA 螺旋的氫鍵斷裂，釋放新合成的 RNA 鏈。
6. 如果細胞有核，RNA 可以進一步被處理。 這可能包括聚腺苷酸化，加帽和剪接等。
7. RNA 可以保留在核內或通過核孔複合物離開核進入細胞質。

具體來講，轉錄可分為啟動、延伸、終止三個階段。

### 啟動

轉錄開始於 RNA 聚合酶與通用轉錄因子共同結合到模板 DNA 的啟動子序列上，形成 RNA 聚合酶－啟動子閉合複合物。

然後，RNA 聚合酶在通用轉錄因子的協助下，暴露出大約 14 個鹼基對，形成 RNA 聚合酶－啟動子開放複合物。在開放複合物中，啟動子 DNA 部分解開為單鏈。 暴露的單鏈 DNA 被稱為「轉錄泡」。接著，RNA 聚合酶選擇轉錄泡中的轉錄起始位點，結合起始 NTP 和與轉錄起始位點序列互補的延伸 NTP（也可能是短 RNA 引子和延伸 NTP），催化磷酸二酯鍵的形成，產生起始 RNA 產物。

原核生物的 RNA 聚合酶全酶由兩個 α 亞基、一個 β 亞基、一個 β′亞基和一個 σ 亞基組成，其中 σ 因子協助 RNA 聚合酶識別並結合啟動子。很多基因起始位點的上游擁有普里布諾盒基因序列（TATAAT），上游約 35 個鹼基處擁有 TTGCCA 共有序列，約 40~60 個鹼基處擁有一片富含 A、T 鹼基的區域，有助於加快轉錄速度。

真核生物的轉錄起始上游區段比原核生物多樣化，轉錄起始時，RNA 聚合酶不直接結合模板，其起始過程比原核生物複雜。

轉錄的啟動還受到另外的蛋白質影響，如轉錄活化蛋白和阻遏蛋白。

前兩個 NTP 縮合成 3′-5′磷酸二酯鍵後，RNA 聚合酶脫離啟動子，啟動階段結束，進入延伸階段。

### 延伸

轉錄啟動後，DNA 雙螺旋鏈解開，其中一條鏈作為模板鏈。隨著轉錄的進行，RNA 聚合酶在 DNA 模板鏈上移動，根據鹼基互補配對原則合成 RNA 單鏈。轉錄的方向為 3′→5′（對於 DNA 模板鏈）或 5′→3′（對於合成的 RNA 鏈或 DNA 編碼鏈）。

細菌在 37°C（98.6°F）下以 42~54 個核苷酸每秒的速度轉錄，而真核生物的轉錄速度大約是 22-25 個核苷酸每秒。

### 終止

轉錄終止於 DNA 非編碼序列末端附近的終止子處。

細菌轉錄的終止有兩種方式：內源性終止（也稱內在型終止，本體轉錄終止或 ρ- 非依賴性終止）和 ρ- 依賴性終止。在內源性終止中，基因末端的反向重複序列使新轉錄的 RNA 序列摺疊成髮夾環，從而使 RNA 聚合酶脫落，轉錄產物被釋放。ρ- 依賴性終止子利用可在轉錄時主動展開 DNA—RNA 複合物的 ρ 因子，釋放新合成的 RNA。

真核生物轉錄過程的終止方式取決於其所使用的聚合酶的不同。RNA 聚合酶 I 的終止機制與細菌的 ρ- 依賴性終止類似；而 RNA 聚合酶 III 的終止與細菌的內源性終止極為相似。有研究表明，多個胸腺嘧啶的終止信號引起 RNA 聚合酶 III 的失活，從而使延伸終止並將酶轉運至最近的 RNA 二級結構，進而促進酶的釋放。RNA 聚合酶 III 和細菌的轉錄終止機制之間的相似性表明，這種依賴髮夾環的終止可以追溯到多亞基 RNA 聚合酶的共同祖先。RNA 聚合酶 II 的轉錄可以在非編碼序列的末端後持續數百甚至數千個核苷酸，它的終止更為複雜，涉及到新合成 RNA 的切割以及多腺苷酸化的過程。

## 抑制劑

抗生素可作為轉錄的抑制劑，包括抗細菌藥與抗真菌藥。以利福平為例，其通過結合 DNA 依賴性 RNA 聚合酶的 β- 亞基來抑制細菌轉錄；而 8 - 羥基喹啉是真菌轉錄的抑制劑；組織蛋白甲基化作用也可能會對轉錄有抑制作用。

## 歷史

方斯華・賈克柏（François Jacob）和賈克・莫諾（Jacques Lucien Monod）首先假設一種讓遺傳物質成為蛋白質的分子。 塞韋羅・奧喬亞（Severo Ochoa）於 1959 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎，開發一種用多核苷酸磷酸化酶體外 (In vitro) 合成 RNA 的方法，該方法可用於破解遺傳密碼。 由 RNA 聚合酶合成 RNA 是由幾個實驗室在 1965 年以前在體外 (In vitro) 建立的；然而，由這些酶合成的 RNA 具有表明存在正確終止轉錄所需的額外因子的特性。

1972 年，Walter Fiers 成為第一個真正證明終止酶存在的人。

羅傑・科恩伯格（Roger D. Kornberg）因其研究真核生物轉錄的分子基礎而獲得 2006 年諾貝爾化學獎。

## 參見

* 分子生物學的中心法則
* RNA 剪接
* 啟動子
* 轉錄因子
* 翻譯 (生物學)
* 基因表現
* 蛋白質生物合成

## 參考文獻

## 外部連結

* （英文）Interactive Java simulation of transcription initiation. From Center for Models of Life at the Niels Bohr Institute.
* （英文）Interactive Java simulation of transcription interference--a game of promoter dominance in bacterial virus. From Center for Models of Life at the Niels Bohr Institute.
* （英文）Biology animations about this topic under Chapter 15 and Chapter 18 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文）Virtual Cell Animation Collection, Introducing Transcription （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文）Easy to use DNA transcription site