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启动子和起始密码子的区别(高中生物启动子和起始密码子)

2022-12-07 82 天才饕餮
启动子和起始密码子的区别(高中生物启动子和起始密码子)

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转录需要完整的双链DNA,但每次转录仅以其中一条链为模板,称为模板链,另一条链称为编码链。转录的过程分为起始(initiation)、延伸(elongation)和终止(termination)三个阶段。

起始阶段包括对双链DNA特定部位的识别、局部解链以及形成最开始的一段RNA。第一个核苷酸掺入的位置称为转录起点(transcription start site,TSS)。以前认为形成第一个磷酸二酯键就会进入延伸阶段,但现在认为起始过程比较复杂,当进入延伸阶段时已经合成了一小段RNA。

转录的基本过程

起始后RNA聚合酶(RNAP)构象改变,沿模板移动,持续合成RNA,即进入延伸阶段。而当聚合酶到达转录终点时,在终止因子的帮助下停止合成反应,酶和RNA链脱落,转录结束。

代谢途径的第一步经常是限速步骤。同理,转录是基因表示的第一步,所以是基因表示调控的关键步骤。而在转录的3个阶段中,起始阶段的调控最为重要。

对于转录起始的调控,启动子是最重要的调控元件。启动子(promoter)是RNA聚合酶识别、结合以开始转录的DNA序列。启动子对基因的表示非常重要,可以决定基因在什么组织、什么成长阶段或什么条件下表示,也完全可以决定表示的频率等。

强启动子平均2秒钟启动一次转录,而弱启动子需要10分钟以上。研究表明,对于不同的启动子序列,生产性转录速率(即从给定启动子合成全长RNA产物)的变化可能超过一万倍。

启动子可以看作DNA上的一系列标志,指示出转录的起点、解开双螺旋的位点、RNAP以及各种转录相关蛋白的结合位点等等。根据这些信息,转录才能顺利开始。

原核生物的启动子通常位置在于基因上游(5’端),由几段保守序列构成。在转录起点(TSS)上游约5-10碱基处有保守序列TATAAT,称为Pribnow box或-10 box。其AT丰盛,有助于局部解链。

在大约-35位有一段保守的TTGACA序列,称为-35序列或Sextama box,提供RNA聚合酶识其他信号。这两段序列和转录起点都是转录必不可少的,称为核心启动子(core promoter)。

细菌的RNAP与核心启动子。J Mol Biol. 2019 Sep 20; 431(20): 3947–3959.

原核生物主要通过σ因子(RNAP的σ亚基)来识别启动子。σ因子有许多种类,针对不同情况。其中研究较多的是σ70,负责细菌管家基因的转录。σ70有4个结构域,都与核心酶和启动子相互作用。其中结构域2和4分别与-10和-35区结合。

更上游的-40至-60位置称为上游控制元件(upstream control element,UCE)或up element,可与核心酶α亚基羧端结构域(αCTD)作用,诱导上游DNA在RNAP上弯曲和包裹。

细菌启动子与RNAP的相互作用。Biomolecules. 2015 Jun; 5(2): 1035–1062.

转录起始过程可以细分为3个操作教程步骤:RNAP全酶与启动子DNA结合形成封闭复合物或“预启动”复合物;转录起始位点周围的DNA解链形成开放复合物;最后通过“启动子解脱”(promoter escape)过程从起始过渡到延伸阶段。

原核与真核生物的转录起始过程。Curr Opin Genet Dev. 2008 Apr; 18(2): 130-136.

在启动过程中,RNAP全酶首先搜索并特异性识别启动子DNA,形成通常称为RPC的初始封闭复合物。其中R代表RNAP,P代表promoter,C代表closed。之后αCTD与上游元件相互作用,使上游DNA弯曲包裹RNAP,从而使下游双链DNA弯曲进入RNAP的活性位点裂缝,形成高级封闭复合物。

封闭复合物通过一系列构象变化打开启动子DNA,形成开放复合物RPO。其具体过程还不十分清楚,现已发现有肝素敏感的初期中间体I1,其中启动子DNA为双链形式。它会慢吞吞转变为抗肝素的晚期中间体I2,其带有单链DNA泡(−11至+ 2)。I2最终转变为稳定的开放复合物。针对这一过程有不同模型。

封闭复合物向开放复合物的转变。J Mol Biol. 2019 Sep 20; 431(20): 3947–3959.

形成稳定的开放复合物后,聚合酶开始进行RNA合成,但并非每次合成都能顺利进入延伸阶段。当RNAP合成9至11 nt长度的RNA后,如果RNAP能够与启动子脱离,就可以进入延伸阶段。如果RNAP不能与启动子脱离,就会释放短的RNA,复原为RPo并重新启动RNA合成,称为流产途径。生产和失败途径之间的均衡取决于启动子和初始转录序列。