Question

真核生物的转录

Answer 1

真核生物有3种依赖DNA的RNA聚合酶，即RNA聚合酶1、2、3。RNA聚合酶1负责转录rRNA。RNA聚合酶2负责转录结构基因mRNA和部分snRNA。RNA聚合酶3负责转录tRNA和5s rRNA。

真核生物RNA聚合酶2必须与多与20个转录因子TF2（transcription factor; 或称转录起始因子，transcription initiation factor，TIF；或称一般转录因子，general transcription factor，GTF）逐级组装成“完全的转录起始复合物”（complete transcriptional initiation complex，complete TIC）才能启动转录过程。

真核生物中没有类似原核生物中可以识别启动子的α亚基的对应物，所以真核生物RNA聚合酶2在行使转录起始时，需要TF2先期识别或结合启动子，帮助RNA聚合酶2定位到DNA上的转录起始位点，并与RNA聚合酶2共同组装成转录起始的基本装置（basal apparatus），此时由于一个或多个TF2的作用，DNA的构象从封闭式转换为开放式。

基本转录作用的开始需要许多基本因子（basal factor），称为一般转录因子（general transcription factor, GTF），简称转录因子（transcription factor, TF），每个转录因子在转录起始作用时所扮演的角色都不尽相同。

步骤一：TFⅡD
如图二，一般DNA的转录起点前面都有一段DNA序列叫做启动子（promoter），是由腺嘌呤（adenine, A）及胸腺嘧啶（thymine, T）所组成的，称为TATA盒（TATA box），其标准序列（consensus sequence）为TATAAAA。

在最先，转录因子TFⅡD蛋白（分子量120～140kDa）会找出这段TATA盒序列，并与这段DNA序列进行蛋白／DNA结合作用。早期的研究指出，TFⅡD是一个复合体（complex），由多个多胜肽链（polypeptide）组合而成，因此在TFⅡD复合体中专门与DNA结合的蛋白，我们就称它为TATA结合蛋白（TATA binding protein，简称TBP）。
TBP的分子量因不同的生物体而异，由27kDa（酵母菌）到38kDa（果蝇与人类细胞）都有。虽然TBP专责与DNA结合，但TBP跟其他能与DNA结合的DNA结合蛋白（DNA binding protein,简称DBP）有许多不同的地方。首先，TBP只需要单独行动即可，是以单元体（monomer）形式和DNA作用，而非一般DBP要形成二聚体（dimer）才能和DNA结合（可进一步参考《科学月刊》25卷8期〈简述视黄酸的讯息传递〉中以二聚体形式作用的DBP）。其次，TBP是与DNA分子螺旋结构上的小沟（minor groove）地方作用，而非一般DBP作用是在大沟（major groove）上；另外，TBP在蛋白上本身无法区分具有特定功能的功能部位（domain），亦即当TBP缺乏一些胺基酸片段后，它的DNA结合能力与转录启动活性均告丧失（参考《科学月刊》25卷8期〈简述视黄酸的讯息传递〉中有功能部位区分的核中受体）。从分子结构层次来看，TBP整个分子呈对称的马鞍状，与DNA的结合方式就好像马鞍套在马背上一样。当TBP与DNA结合后，除了TBP蛋白本身的形状改变外，DNA亦会被扭曲，以便让以后其他的转录因子来作用（可参阅1993年十月份英国的《Nature》中的许多计算机立体图形）。
TFⅡD除了TBP之外，还有另外六个蛋白，它们被称为TBP附着因子（TBP-associated factor, TAF），能与其他TFⅡD以外的蛋白作用，例如活化子与抑制子，所以它们是负责转录活性调控的功能。
由于TFⅡD中的TBP结合到DNA的TATA序列上，是整个转录作用的首要之务，随后引发一连串事件，最终促使转录之进行，因此这个蛋白（TFⅡD）与DNA的复合物，称为起始复合体（initiation complex）。
在早期的实验指出，另外有一个转录因子TFⅡA会结合到起始复合体上并稳定其结构，但目前已证实TFⅡA只是在纯化TFⅡD时一起沉淀下来的蛋白而巳，在转录的起始过程中并非是必需的因子。

步骤二：TFⅡB
如图三，转录因子TFⅡB对起始复合体的结合与否，为转录起始作用过程的速率限制步骤（rate-limiting step）。而RNA聚合酶Ⅱ能否与起始复合体结合并开始转录作用，也完全视乎TFⅡB的结合与否。一些能使转录作用增强的活化子之所以能使转录作用加速，其原因就是可以加速TFⅡB结合到起始复合体上。

TFⅡB为单一蛋白结构，分子量由35kDa（老鼠细胞）到41kDa（酵母菌）都有。TFⅡB的功能是让RNA聚合酶结合到起始复合体上，并且测定出转录起始点的位置。

步骤三：TFⅡF与RNA聚合酶
图四中，另外一个转录因子TFⅡF是由两个分子量分别为30kDa与74kDa的多胜肽链所组成的异型二聚体（heterodimer），所以又称为RAP30/74。它首先在细胞核中与未和DNA结合的游离RNA聚合酶结合，然后携带着RNA聚合酶与前述在起始复合体上的TFⅡB结合；因此TFⅡF就好像「媒人」一般，拖着RNA聚合酶与TFⅡB认识并与之结合。目前已知能与RNA聚合酶结合的蛋白除了TFⅡF与TFⅡB之外，前述TFⅡD中的TBP也被证实有跟RNA聚合酶结合的能力。

值得一提的是：RNA聚合酶二型在转录过程中有两个形式存在，一是没有被磷酸化（non-phosphorylation）时称为A型（即RNA polymerase ⅡA），而如果已被磷酸化（phosphorylation），则称为O型（即RNA polymerase ⅡO）。磷酸化的位置集中在RNA聚合酶的羰基端，称之为羰基端功能部位（carboxyl-terminal domain, CTD）。而TFⅡF只与RNA聚合酶A型作用。
这时，RNA聚合酶A型结合到DNA上，整个复合体已有能力打开DNA的双股螺旋结构了，但它还未有足够的能力移动而停留在原地，这时的DNA与众多的蛋白所形成的复合体，称为起始前复合体（pre-initiation complex, PIC）或最小起始复合体（minimal initiation complex）。

步骤四：TFⅡE（但是也有文献说是TFⅡA在这一步起作用，我们先说是E吧）
图五中，转录因子TFⅡE已证实能与前述的TBP、TFⅡF及RNA聚合酶ⅡA型、和下一步的转录因子TFⅡH结合（详见步骤五）。TFⅡE由两个多胜肽链（分别为34kDa及56kDa）所组成，它与PIC的结合可以稳定PIC，并引导下一个转录因子TFⅡH往PIC上结合。

从一开始的第一步（TFⅡD与DNA上的TATA序列结合），一直至目前（TFⅡE与PIC结合），所有的蛋白与DNA或蛋白与蛋白的结合反应都是可逆的步骤（reversible pathway），所以表示转录因子就算结合后也不一定会往下一步走。

步骤五：TFⅡH
图六中，当转录因子TFⅡH（又称为BTF2）结合到TFⅡE上时，整个包括RNA聚合酶的复合体可称为完整起始复合体（complete initiation complex）。TFⅡH是一个多功能蛋白，由五个多胜肽链所构成的复合体（大约有200kDa），它最特别的地方是：在目前众多转录因子的功能中，只有它拥有激酶（kinase；进行磷酸化的酵素种类）、螺旋酶（helicase；能打开DNA螺旋结构的酵素）及ATP水解酶（ATPase；水解ATP分子而产生能量的酵素种类）的活性。而当TFⅡE及TFⅡH与PIC结合后，这时TFⅡH的ATP水解酶活性就会水解ATP分子而释出能量，而螺旋酶的活性也可使双股DNA打开的地方更大，这时期称为启动子廓清（promoter clearance）阶段，它可以说是介于启动复合体与延长复合体（elongation complex）之间。而TF ⅡH的激酶活性是用来对RNA聚合酶的CTD作磷酸化作用的，藉以把RNA聚合酶ⅡA型转变成ⅡO型，而CTD被磷酸化之后，RNA聚合酶随即可以移动并开始转录作用。我们可以想象TFⅡH是一个开关，可以打开RNA聚合酶的动力机制，使之前进。

另外，在今年七月份英国《Nature》期刊中指出，TFⅡH中有一个与酵母菌RAD25蛋白很像的次单位（subunit），称为ERCC3（因此又称为RAD25/ERCC3次单位），它具有修补（repair）的作用，当转录中RNA聚合酶遇到有错误序列时，可能会促进修补机制之进行，而使转录机制与修补机制偶合在一起（transcription-repair coupling）。

步骤六：TFⅡG及TFⅡJ
目前还有两个转录因子TFⅡG及TFⅡJ，但研究人员对其功能与存在的必要性仍有争议，只知道它们出现在TFⅡH以后的步骤中。

步骤七：转录启动
RNA聚合酶被磷酸化后，即可向前移动，当到达转录起启点时，即可开始利用核 酸来进行聚合反应（polymerization）而合成RNA。
当RNA聚合酶向前移动时，完整起始复合体却没有完全分解开，反而分成三大阵营：一部分留在原地（TATA序列上），一部分跟着RNA聚合酶移动，剩下的部分解离出去。目前已知TFⅡD和TFⅡB停留不动，死咬着TATA序列不动；而TFⅡF与RNA聚合酶一起移动，共同进退；至于TFⅡE及TFⅡH则从复合体中解离出去，重获自由身。
TFⅡD和TFⅡB停留在原地之复合物被称为后启动复合物（post-initiation complex），它们赖着不走的目的主要是要与下一个转录因子作用，也就是说在下一轮的转录作用中，TFⅡD不必再花费时间和能量再去找TATA序列，TFⅡB也不必再重新找一遍TFⅡD，而重复做一次PIC的形成过程（见图七）。

第一个被聚合的核苷酸经常是嘌呤，大约在mRNA被转录出30个核苷酸后，鸟嘌呤转移酶将第一个核苷酸修饰成一个帽子结构。所以RNA聚合酶2的转录起始位点有时也称为帽子位点。

上面所述得有个问题就是TF2F只能和RNA聚合酶A型结合，那么RNA聚合酶被磷酸化后为什么没有脱离呢?

参考：
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