真核基因转录分子机制概述

真核基因转录分子机制概述

本文具体地介绍了遗传信息表达机制的发现过程：克里克关于序列假设、中心法则、模板RNA和连接物RNA的提出及其实验背景；信使RNA概念的形成及其转录机制的发现；转移RNA的功能及其结构的发现；在核糖体上蛋白质合成机制的确立。

标签：基因 转录 机制

1953年，Watson和Crick发现了DNA的双螺旋模型，从而开创了分子生物学的新时代。1958年，Crick又提出了遗传信息流动的“中心法则”，因此在50年代末和60年代，中心法则中的复制、转录和翻译等成为当时生命科学研究的一个热点，特别是对转录机制的研究。本文具体地介绍了遗传信息表达机制的发现过程：克里克关于序列假设、中心法则、模板RNA和连接物RNA的提出及其实验背景；信使RNA概念的形成及其转录机制的发现；转移RNA的功能及其结构的发现；在核糖体上蛋白质合成机制的确立。

科恩伯格，1947年生于密苏里州的圣路易斯，1967年从哈佛大学获得化学专业学士学位，并在1972年从斯坦福大学获得哲学博士（Ph. D）学位。后来，科恩伯格回到了自己的母校-斯坦福大学，继续进行真核基因转录及机制的研究。在当时，从小鼠肝细胞或其他哺乳动物细胞中纯化RNA聚合酶Ⅱ非常困难。因此，为了利用真核模式生物—酿酒酵母来研究转录机制，科恩伯格和他的研究组首先花了近10年时间，建立了体外酵母转录系统。利用该系统，科恩伯格发现由纯的RNA聚合酶Ⅱ和五种通用转录因子组成的重组体系只能维持基础水平的转录，且向该重组体系中加入基因特异性的蛋白质激活因子并不能激活基因的转录。由此，科恩伯格提出在基因特异性的激活因子和RNA聚合酶Ⅱ及通用转录因子之间存在中介结构，并命名为中介子（Mediator）。接着，科恩伯格纯化了该结构，发现它是由近20个蛋白质组成的复合物，能够向RNA聚合酶Ⅱ和通用转录因子传递各种信号。科恩伯格的这项重要发现解释了真核转录研究史上的许多遗传学难题；同时也确立了真核基因转录及的三大主要组分，即通用转录因子、中介子和RNA聚合酶Ⅱ，其中通用转录因子和RNA聚合酶Ⅱ为所有基因的基础水平转录所必需，基因特异性的激活因子通过中介子向RNA聚合酶Ⅱ和通用转录因子传递信号，激活基因的表达。

通过科恩伯格和其他科学家的研究，到20世纪末，我们对真核转录的机制，特别是这个过程所涉及的蛋白质复合物及它们之间的相互作用有了很广泛的了解。正是科恩伯格接下来的工作，即对RNA聚合酶Ⅱ、RNA聚合酶Ⅱ与DNA和mRNA复合体及其它多个转录相关复合体的晶体结构进行解析和研究，从分子水平上阐述了转录过程中的各个步骤，向我们展示了在真核细胞中从双链DNA到mRNA的转录是如何进行的，这也给科恩伯格带来了诺贝尔奖的殊荣。

科恩伯格很早就意识到RNA聚合酶可能是整个真核转录机器组装的平台。但是，酵母RNA聚合酶Ⅱ是由12个亚基组成的巨大的蛋白质复合物，加上酵

母细胞中RNA聚合酶Ⅱ含量很少且不稳定，都使得RNA聚合酶Ⅱ很难被结晶，转录机器的结构生物学研究也变得异常困难。为了克服这个困难，科恩伯格花了近20年的时间，利用他扎实的生物化学功底，创造性的建立了一种在脂双层的表面构建二维蛋白质晶体的方法，同时结合X-射线晶体衍射技术和电子显微技术，最终成功地解决了这个难题。2001年6月8日出版的《科学》杂志上发表了科恩伯格的两篇研究论文，标志着真核转录的结构生物学研究取得了重大突破。这两篇论文分别描述了0.28 nm分辨率的RNA聚合酶Ⅱ的晶体结构和0.33 nm分辨率的RNA聚合酶Ⅱ与DNA和mRNA复合物的晶体结构。

接着，科恩伯格和他的研究组又对另外近10个由RNA聚合酶与DNA、RNA、核苷酸或其他蛋白质组成的转录相关功能复合物进行了结构解析。所有这些晶体结构从不同的时间和空间上向我们展示了整个转录的动态过程，包括移位、链分离、核苷酸选择、启动子识别及转录起始等。

移位（Translocation）：科恩伯格2001年发表的转录延伸复合物的晶体结构显示[5]，RNA聚合酶Ⅱ中有一个来自两大亚基之一的α螺旋多肽链横穿钳状结构及其中的聚合酶催化位点，通过两个氨基酸残基的侧链与解链后DNA模板链上的碱基发生相互作用，被认为与转录过程中DNA-RNA杂合双链的移位有关。这个α螺旋可以以“直”或“弯”两种构型存在，当它发生一轮构型交替时，DNA-RNA杂合链将会被沿转录方向移动0.3 nm，即一个核苷酸的距离。这一机制模型与后来的生物化学和遗传学数据完全吻合。

链分离（Strand seperation）：科恩伯格2004年发表的移位后延伸复合物的晶体结构表明，RNA聚合酶Ⅱ中的一个“盖子样”的肽链环将新合成的mRNA与DNA模板链分开。首先，来自肽链环的几个氨基酸残基与DNA模板链上-9和-10位核苷酸的核糖和磷酸基作用，从而降低DNA和mRNA之间的作用力。然后，肽链环上的另外几个氨基酸残基插入到DNA和mRNA之间，使两条链从-9位开始分开，同时该肽链环和附近的另外两个肽链环一起阻止了mRNA和DNA链的重新结合。

核苷酸的选择（Nucleotide selection）：科恩伯格发表的几个包含RNA聚合酶Ⅱ的转录复合物的晶体结构都显示，在RNA聚合酶Ⅱ的活性中心附近，有一个漏斗状的通道与外部环境相通。核苷酸分子就是从这个通道扩散进入聚合酶的活性中心。2004年，科恩伯格的研究组将处于移位后状态的转录复合物的晶体在不同核苷酸的溶液中浸泡后，通过晶体结构测定，研究RNA聚合酶对核苷酸的选择机制[7]，并提出了一个核苷酸选择的“两步”模型：首先核苷酸以碱基朝外的方式进入通道，并结合在位于活性位点下面的进入位点；然后，核苷酸分子在通道内旋转，进入活性位点，当它的碱基与DNA模板链+1位的碱基相配时，它与mRNA分子间的磷酸二酯键就会形成；如果不相配，它的引入会使复合物结构变的不稳定，从而阻止这个核苷酸分子与mRNA的聚合。

启动子识别（Promoter recognition）和转录起始（Transcription initiation）：2000年，Tsai和Sigler对真核生物启动子上的转录前起始复合物TFⅡB-TBP-DNA的结构进行了解析。2004年，科恩伯格通过测定转录起始复合物中

的RNA聚合酶Ⅱ-TFⅡB共合晶体的结构，发现RNA聚合酶Ⅱ-TFⅡB通过TFⅡB C-端的α螺旋区与TFⅡB-TBP-DNA整合在一起，形成了最小的转录起始复合物。同时，这些晶体结构也阐明了启动子识别和转录起始的机制：TBP是一种马鞍型结构，它能够识别并结合到启动子的TATA框区域，诱导该区域DNA的弯曲，使下游的DNA取向于RNA聚合酶Ⅱ的活性位点，由于TATA框和转录起始位点之间一般有25个核苷酸的距离，这种弯曲正好使转录起始位点处于聚合酶的活性位点，从而起始转录。

相信，随着科恩伯格和他的研究小组的继续努力，由RNA聚合酶Ⅱ、通用转录因子和中介子组成的完整转录机器的结构也将会被解析，这将帮助我们进一步去认识真核转录是怎样被的。而了解这一的分子机制具有非常重要的意义，因为人类的许多疾病，如癌症、心脏病、各种炎症和代谢紊乱等，都是由某些基因的转录紊乱直接导致的，理解真核转录的机制是治疗这些疾病的基础。此外，干细胞分化成为不同的组织或器官也是细胞通过对某些基因的转录进行来实现的，因此，对真核转录机制的认识也将有助于我们将干细胞定向诱导并使其分化成所需的细胞类型，用于器官移植。