第一节　细菌RNA的生物合成——转录

一、RNA聚合酶与转录过程

细菌的遗传信息由DNA携带，以DNA为模板由DNA指导的RNA聚合酶合成RNA的过程称为 转录（transcription）。细菌信使RNA（messenger RNA，mRNA）、核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）、转运RNA（transfer RNA，tRNA）的转录由一种RNA聚合酶催化完成。RNA聚合酶利用的模板是双链DNA分子，DNA双链中仅有一条被用于转录。RNA合成原料是四种核糖核苷三磷酸（ribonucleotide triphosphate，rNTP），ATP、GTP、UTP和CTP。RNA链合成与DNA链合成比较相似，在RNA链的延伸过程中，后一核苷酸5′磷酸基与前一个核苷酸的核糖的3′羟基形成磷酸二酯键，并释放两个高能磷酸键。RNA合成链的生长方向也是从5′末端向3′末端进行。与DNA聚合酶的作用不同，RNA聚合酶能够从头合成RNA链而不需要引物，在RNA合成中第一个碱基几乎总是嘌呤。结构基因转录为mRNA后，需要翻译过程使遗传信息转化成具有功能的蛋白质。对特殊基因，如rRNA和tRNA基因，转录形成rRNA和tRNA后，即为基因的终产物，可执行一系列功能。

RNA转录过程是在RNA聚合酶作用下完成的。RNA聚合酶在不同进化程度的细胞类型中有明显的区别。细菌等原核生物的RNA聚合酶结构相对简单，真核生物细胞核有三种不同类型的RNA聚合酶，分别负责不同类型RNA的生物合成。从细菌中分离到的所有RNA聚合酶都是复合酶，即具有多个亚基。大肠埃希菌RNA聚合酶是由4个亚基组成的五聚体（α2ββ′σ），σ亚基又称σ因子，在形成五聚体时，σ因子不如其他亚基间结合紧密，很易解离。σ因子脱离五聚体后形成核心酶（α2ββ′）。σ因子加上核心酶称为全酶。σ因子帮助RNA聚合酶识别DNA模板上的特定起始位点，转录起始需要全酶作用。核心酶不具有起始聚合酶活性，单独作用能催化RNA链延长。σ因子通常在RNA链合成的开始后不久就脱离全酶，又可与其他核心酶结合去启动其他RNA链的合成甚至不断重复转录同一基因，因此可大幅度提高转录效率。

RNA聚合酶可识别并结合DNA特异序列，操纵子上RNA聚合酶能够识别并结合的特殊DNA序列，称为启动子，RNA聚合酶一结合上启动子，转录过程就开始进行。被转录的链通过启动子序列定位，聚合酶从启动子区域开始向前运行，RNA随着它的移动开始合成。

转录分三个阶段，包括RNA聚合酶识别DNA模板、转录起始，RNA链延长，转录终止。

1.第一阶段

即细菌转录识别与起始阶段。RNA聚合酶与DNA启动子结合，DNA双螺旋在一定位置被RNA聚合酶打开。双螺旋DNA在RNA聚合酶结合部位前端解开，转录完成的部分DNA又重新形成双螺旋，RNA-DNA的双螺旋也同步形成螺旋和解旋，形成称为转录泡的结构。

σ因子只参与RNA聚合酶最初与DNA形成复合体的阶段，一旦形成一小段RNA，σ因子就解离。当DNA上有两个邻近的启动位点以相反的方向起始时，那么两个转录泡会以相反方向前进。新合成的RNA从DNA上解离，解开的DNA又恢复成最初的双螺旋状态。RNA聚合酶在特殊的区域，即转录终止子的位置停止转录。转录并不像DNA复制那样拷贝完整的基因组，细胞以不同频率转录出不同的基因。基因的转录调节是有效控制基因表达的机制。

启动子是RNA聚合酶结合的位于DNA上的特殊序列，在RNA合成起始中起关键作用。σ因子作为RNA聚合酶的一部分，识别启动子。在一个生物体中含有几个不同的σ因子，这些因子能够识别不同的启动子序列。这些序列并不是固定的，有两个序列在启动子区中是高度保守的，正是这两个区被σ因子识别，位于这两个序列下游位点就是转录的开始位点。在转录开始之前的一个区域是10个碱基区，也就是-10区（称Pribnow box）。每个启动子-10区有微小的区别，大多数碱基是相同的。第二个保守序列区是在转录开始位置大约35个碱基处，在-35区的共同序列是TTGACA。在大肠埃希菌中，保守性强的启动子与RNA聚合酶的结合能力最强，称为强启动子。带有强启动子的序列也是转录效率较高的序列，其表达率也通常较高，工业生物技术中对强启动子的利用十分偏爱。

2.转录第二阶段

即转录延长阶段。核心酶沿模板DNA链向前移动，使DNA双链不断解旋，按模板的碱基序列加入相应的核苷酸，RNA链以5′→3′方向不断延长。在电镜下观察细菌的转录，发现在同一个DNA模板上可有多个转录单位同时进行。

3.转录第三阶段

即转录终止阶段。RNA合成终止作用在DNA的特定碱基序列上发生，模板DNA上具有的特殊转录终止序列，称为终止位点（图2-1）。当RNA聚合酶移动到终止位点时，转录终止，RNA聚合酶和新形成的RNA链从DNA模板上脱离。DNA上的特定终止序列含有反向重复序列，反向重复序列被转录时，RNA通过链内碱基配对形成茎-环结构。这种RNA茎-环结构后边排列一串尿嘧啶时，就是有效的转录终止子，使磷酸二酯键停止形成，RNA脱离。细菌的这种转录终止子位于已转录序列中，常称为内存终止子。

大肠埃希菌中还有一种类型终止序列，被称为依赖rho（ρ）蛋白的终止子。ρ蛋白并不与RNA聚合酶结合，也不和DNA结合，而与转录出的RNA紧密结合，并向着RNA聚合酶-DNA复合体方向沿RNA链移动。RNA聚合酶一旦停止在依赖于ρ蛋白的终止位点，引起RNA和聚合酶脱离DNA，转录终止。Rho（ρ）蛋白通常为六聚体形式存在，在有RNA存在时能水解核苷三磷酸，可借此获得的能量推动其沿着RNA链移动。RNA聚合酶遇到终止子时发生暂停，使得Rho（ρ）蛋白得以追上全酶，两者相遇后即可造成RNA释放。Rho（ρ）蛋白识别终止子也需要特定辅助因子协助，比如nusA的存在可提高终止效率。

二、细菌RNA转录后加工

1.RNA生物功能多样性

转录形成的RNA，根据在细胞遗传信息的传递与表达过程中的不同功能分为三种类型，即：信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）。RNA化学性质与DNA有三点关键区别：①RNA含有核糖，而不是脱氧核糖；②RNA碱基中尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）；③除了在某些病毒之外，RNA通常为单链形式存在，通过链内互补，可形成局部双链构型。

RNA具有信息分子和功能分子两方面的作用。在遗传方面，mRNA能够携带来自DNA的遗传信息。在功能方面，RNA可作为蛋白质合成场所（rRNA）或作为蛋白质合成中氨基酸的转移工具（tRNA）。mRNA是DNA转录的产物。与真核生物不同，原核生物mRNA常编码一种以上的蛋白，称为多顺反子mRNA，并且细菌的mRNA合成后多不需要后期加工。原核生物编码代谢或功能相关酶的基因多成簇聚在一起。RNA聚合酶沿DNA模板向下游移动，合成完整的mRNA分子。当多顺反子mRNA参与蛋白质合成时，由一个mRNA编码的几个多肽链在同一时间内合成。细菌中典型的mRNA翻译调控单元是操纵子。操纵子是基因表达的一个完整单位，包括编码位于一个多顺反子mRNA上几个多肽的基因或编码核糖体RNA的基因。mRNA的转录由操纵子上特定DNA区域控制，这个特定区称为 操纵基因（operator）。操纵基因紧邻操纵子编码区的第一个基因。操纵基因能够结合某些调节蛋白，具有正性或负性调节基因表达的功能。

某些类型的RNA本身具有酶的催化作用。具有催化作用的RNA称为核酶，核酶参与许多重要细胞内反应，是RNA合成后加工的一种方式，包括自我切割、自我剪接、自我环化等。RNA酶和蛋白质酶一样，也存在“活性位点”与底物结合，催化产物形成。在原核生物和真核生物中都存在核酶，最简单的能进行自我剪接的RNA核酶呈锤头状结构。由于RNA既是信号分子又是功能分子，因此学术界较流行一种“RNA世界”的说法，其核心内容认为生命起源于RNA分子，只是在后来漫长的进化过程中才特化出DNA、蛋白质或多糖类等大分子，专一性执行某些特殊功能。

2.RNA的转录后加工

细菌编码蛋白质基因的转录产物是有活性的mRNA，合成后可直接作为模板指导蛋白质合成。tRNA和rRNA则需要在合成初级转录产物的基础上，进一步剪接修饰成为具有生物功能的成熟分子。tRNA分子在转录后，先由核酸酶切去5′端和3′端的附加序列，随后3′端加上CCA序列。成熟tRNA分子经过化学修饰作用形成稀有碱基。rRNA基因的初级转录产物在核酸酶作用下，剪接形成3种rRNA，即5S rRNA、16S rRNA、23S rRNA。其中16S rRNA相对比较保守，不同种属细菌之间的差异比较稳定，是国际上公认的未知菌鉴定分型依据的金标准。

真核生物mRNA的加工过程中，通过剪接、加帽、加尾三个步骤形成真核生物的mRNA。原核生物没有真核生物mRNA特有的5′端7-甲基三磷酸鸟苷帽子结构，也没有3′端由30～300个腺苷酸组成的多聚腺苷酸尾巴结构。原核生物和某种细菌噬菌体中仅发现几个内含子，含有内含子的初始转录物必须进行加工，在翻译开始之前去除内含子。

三、RNA聚合酶作用的专一性抑制剂

大量抗生素和合成化学物质对RNA合成有特异性抑制作用。利福霉素通过与RNA聚合酶的β亚基结合而抑制RNA合成。利福霉素不仅对原核生物RNA合成有特异性抑制，对真核生物中叶绿体和线粒体RNA合成也有抑制作用。利福霉素在病毒感染细胞核酸合成的研究中是一种特别有用的工具。

利迪链菌素也是与β亚基结合抑制转录过程，但其结合位点与利福霉素不同。放线菌素通过与DNA结合抑制RNA合成延伸。