基因轉錄作用

CHAPTER 6 基因轉錄作用

基因藉由製造RNA而表現 • 細胞運作的指令乃由RNA分子所組成的基因複製產物來執行。將遺傳訊息由DNA分子傳遞給RNA分子的過程稱為轉錄作用(transcription)，因此，RNA分子有時候亦稱為「轉錄子」。基因可以分為兩個不同的類別：其一的最終產物是不同的RNA分子 (例如：tRNA, rRNA)，另一的最終產物則是蛋白質分子。 • RNA轉錄子扮演著中繼分子的角色，而需要額外的步驟方可將此RNA分子所帶有的遺傳訊息轉換為蛋白質分子。帶有可將基因的編碼轉成製造蛋白質訊息的RNA分子稱為「訊息RNA (messenger RNA, mRNA)」。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

在基因的轉錄作用開始之前，雙股DNA分子必須先暫時彼此分開。然後，RNA聚合酶(RNA polymerase) 方才可以製造RNA分子。此RNA聚合酶可與基因起始端的DNA序列結合，然後打開雙股螺旋結構，隨即開始製造RNA分子。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

CHAPTER 6 基因轉錄作用

訊息RNA分子的序列與模板股 (template strand)DNA分子的序列彼此互補。除了原本出現在DNA分子中的胸腺嘧啶 (T) 由RNA分子中的尿嘧啶 (U) 所取代之外，新複製的RNA分子的序列與編碼股 (coding strand) DNA分子的序列是完全相同的。也就是說，此編碼股並非在轉錄過程中被視為模板。值得留意的是，RNA與DNA分子的合成方向皆由5’-端朝向3’-端進行。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

染色體上的短片段可轉變成遺傳訊息 • 有些基因的產物是細胞維繫基本機能所必需的，因此，它們絕大部分都會被表現出來，這些基因稱為常務性基因(housekeeping genes)。其他基因的表現則會因環境的改變而有所差異。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

詞彙：順反子、編碼序列、開放讀取框架 • 順反子(cistron)是結構基因(structural gene) 的一種，而結構基因指的是DNA分子上能夠編碼為多胜　肽鏈的編碼區段。順反子的原始定義乃來自順 / 反試驗中具備互補作用的一種遺傳單位。現今，順反子與結構基因的定義亦包含了可編碼為RNA分子的DNA序列。 • 開放讀取框架(open reading frame, ORF) 指的是在理論上可編碼產生蛋白質的任何DNA或是RNA分子序列。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

在真核細胞中，每一個基因可被轉錄成獨立的mRNA分子。在這些mRNA分子中，若是一個mRNA分子僅能被編碼為單一種蛋白質的話，這類的mRNA即被稱為單順反子訊息RNA (monocistronic mRNA)。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

在細菌中，相關性的基因常常會以群集的方式 (此稱為「操作組(operon)」) 出現在染色體上相鄰近的區域，這些基因通常會被一起轉錄成單一的mRNA分子，此RNA分子即稱為多順反子mRNA (polycistronic mRNA)。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

基因的起始序列是如何被辨識的？ • DNA序列內包含有啟動子(promoter)，是RNA聚合酶在轉錄作用開始進行之前，最先附著上去的序列與其他參與調控基因表現。此一位於基因之5’-端前面的區域經常被稱作上游區域(upstream region)。 • 帶有合成蛋白質訊息的mRNA分子的第一個核苷酸並非蛋白質編碼序列的第一個核苷酸。在這兩個核苷酸分子之間的mRNA分子序列稱作5’-端未轉譯區(5’-untranslated region) (或縮寫為5’-UTR)，指的是此一區域將不會被轉譯成蛋白質分子。在mRNA分子上的另一端，在蛋白質編碼訊息結束後的區域，也同樣的不會被轉譯。因此，此一區域被稱為3’-端未轉譯區 (3’-untranslated region ) (或縮寫為3’-UTR)。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

細菌的RNA聚合酶由兩個主要單元所組成，核心酵素(core enzyme) (由四個次單元體組成) 與sigma次單元(sigma subunit)。核心酵素主要負責RNA分子的合成，而sigma次單元則負責在轉錄作用開始時辨識啟動子的位置。sigma次單元可以辨識出位於編碼股 (非模板股)上的啟動子區域內的兩段特殊的DNA序列。這兩段DNA序列分別稱作「－10序列(－10 region)」與「－35序列(－35 region)」。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

遺傳訊息的大量製造 • 一旦sigma單元附著到啟動子序列之後，RNA聚合酶內的核心酵素單元即可局部性地旋開DNA雙股螺旋結構以形成所謂的轉錄泡(transcription bubble)。值得注意的是，位於－10序列處的TATAAT含有AT核苷酸配對，因此有助於將雙股DNA分子融開而成為單股DNA的構型。在雙股DNA分子分開之後，其中一單股DNA即可被當作模板股而用以合成一條新的單股RNA分子。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

在mRNA上第一個被轉錄出來的核苷酸分子通常是A。有時候，第一個核苷酸分子也可能是G。在mRNA上第一個被轉錄出來的核苷酸分子通常是A。有時候，第一個核苷酸分子也可能是G。 • RNA聚合酶的核心酵素乃由四個次單元體(兩個α以及各一個β與β’次單元) 所組成。 β與β’次單元構成了此核心酵素的催化部位， α 次單元則與核心酵素的組合與辨識啟動子部位有關。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

RNA聚合酶知道應該在何處停止 • 在基因的末端存在著一個特別的終結子(terminator)。終結子位於模板股的DNA分子上，由彼此相隔6個鹼基對的兩組反置重複序列(inverted repeats) 所構成，在此序列之後尾隨著一連串的腺嘌呤分子。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

目前已知有兩類的終結子：Rho依賴型終結子(Rho-dependent terminators) 需要Rho蛋白質(Rho (r) protein) 的輔助，將RNA聚合酶從DNA分子上分離。另一類的終結子則為非Rho依賴型終結子(Rho-independent) (又稱為「內源性」終結子)，此類的終結子不需要Rho或是其他蛋白質的輔助即可以直接終止轉錄作用的進行。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

細胞如何知道哪些基因需要被啟動表現？ • 某些被稱為常務性管理的基因，其在細胞內的任何一個時期都處於啟動的狀態，意即它們的基因產物總是經常性地被表現出來。在細菌內，這類型的組織性基因(constitutive gene) 的共同特點是，它們在－10與－30區域的啟動子序列相似度極高。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

僅在特殊狀況才需要表現的基因，它們通常在－10與－35啟動子區域序列與相同序列的相似度是較差的。在這樣的例子中，sigma次單元體通常需要其他的輔助蛋白質的幫助方能辨識啟動子。這些輔助蛋白質通常被稱作基因的活化子蛋白質(activator protein)，而這些蛋白質的種類亦會因不同的基因而有所不同。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

真核生物的基因經常被多個活化子蛋白質所調控；因此這類的調控蛋白質被特別專稱為「轉錄因子(transcription factor)」。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

啟動子如何被活化？ CHAPTER 6 基因轉錄作用

抑制子的作用導致了轉錄的負向調控作用 • 基因可以藉由正向或負向調控(negative regulation) 來控制其表現。在正向調控(positive regulation) 中，當某一個基因必須被啟動時，可藉由活化子蛋白質與DNA分子結合而達到此一目的。 • 在負向調控 (negative regulation) 中，當一個「抑制子(repressor)」蛋白質與DNA分子結合時，基因將無法被啟動；而當此抑制子被移除後，基因的啟動與轉錄作用方能開始進行。抑制子可以附著的DNA序列稱作「操作子序列(operator sequence)」，與活化子蛋白質相同的是，抑制子蛋白質交替地處於可與DNA結合以及不可與DNA結合的兩種形態。在此例中，誘導子與抑制子結合後，將可以轉換抑制子為不可與DNA結合的形態。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

許多調控蛋白可與小分子結合並因此改變形狀 • 不論調控蛋白是一個活化子或是抑制子，它都需要某一種訊息來將其啟動。最常見的方式是利用一些可以容納位於調節子上結合部位的小分子。這些小分子稱為訊息分子(signal molecule)。 • 調控蛋白在與其訊息分子結合之後改變其本身的形狀。調控蛋白有交替存在的兩種構型，DNA結合態與DNA非結合態。鍵結或失去訊息分子將會導致較大的蛋白質分子在這兩種DNA結合狀態中彼此互換。因此，因為形態改變而改變活性的蛋白質稱作異位蛋白 (allosteric protein)。異位蛋白的例子包括了酵素、傳輸蛋白質與調控蛋白等。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

真核生物的轉錄作用較為複雜 • 真核生物細胞內有三種不同的RNA聚合酶。 • RNA聚合酶 I (RNA polymerase I) 負責轉錄兩類大的核糖體RNA (rRNA) 分子次單元，而RNA聚合酶 III (RNA polymerase III) 則負責轉錄轉運RNA (tRNA)，5S核糖體RNA (5S rRNA)，與其他一些小的RNA分子。RNA聚合酶II (RNA polymerase II) 轉錄的則是真核細胞內大部分與蛋白質合成有關的基因。 • 各種不同的轉錄因子(transcription factor)，蛋白質的參與是這些RNA聚合酶能夠正常行使其功能的重要因素之一。轉錄因子又可以分類為一般轉錄因子與特殊轉錄因子這兩大類。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

真核生物的rRNA與tRNA的轉錄作用 • 在人類中，rRNA的基因簇串聚集在五個不同的染色體上。18S與28S rRNA一起被轉錄成單一個大RNA分子 (45S RNA)，隨後才被切割而形成兩個獨立的rRNA分子。而在這些轉錄單元之間還夾雜著不轉錄的間隔區域。在真核細胞內，rRNA分子的基因有專屬的RNA聚合酶 I來對它們進行轉錄作用。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

rRNA分子的複製僅局限在細胞核中稱作核仁 (nucleolus) 的特定區域。在這個區域內，rRNA的前驅物同時被轉錄且處理而形成18S與28S rRNA分子。這些rRNA分子接著與蛋白質結合而形成核蛋白質顆粒。這個過程形成了一個在顯微鏡下可清晰觀察到的高密度顆粒狀區域。染色體與核仁結合在一起的區段以前被稱作「核仁組合區(nucleolar organizer)」。現在核仁組合區指的是rRNA的基因簇串聚集之處。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

真核生物中帶有蛋白質編碼基因的轉錄作用 • 不同種類的轉錄因子可辨識並結合到位在DNA上的不同序列。這些DNA上的序列可以分為兩類：包含有啟動子的區域與許多不同的增強子(enhancer) 序列。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

RNA聚合酶 II的啟動子由三個區域所組成，initiator box、TATA box，以及不同的上游元素(upstream element)。initiator box指的是在轉錄起始點附近的一段DNA序列。 • TATA box是一個富含腺嘌呤 / 胸腺嘧啶，位於initiator box上游處約25個鹼基對處的一段序列。此一TATA box可以被結合RNA聚合酶 I與III有關的TBP (TATA結合蛋白 (TATA binding protein) 或TATA box因子 (TATA box factor)) 所辨識。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

TBP可分別與RNA聚合酶 I、II或III形成蛋白質複合物。在目前的例子中，TBP會參與形成轉錄因子TFIID，此TFIID可以協助辨識RNA聚合酶 II專一性的啟動子區域。隨後，TFIIA與TFIIB亦將參與結合。最後，RNA聚合酶 II在TFIIF因子的隨同下抵達結合區域，並在TFIIF因子的協助下進行結合作用。在這個時候，RNA聚合酶 II便可以開始起始轉錄作用，進行RNA分子的合成。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

上游因子可增加RNA聚合酶 II的效能 • TFII蛋白質被視為一般性的轉錄因子，原因是在轉錄作用時總是需要它們的協助。相反地，特殊的轉錄因子僅影響某些特定的基因並參與細胞回應不同的訊息時所需要的基因表現。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

上游元素是特殊轉錄因子所能辨識的位置，這些元素經常藉由TFIID、TFIIB，或是TFIIA的協助與轉錄裝置接觸，而非直接與RNA聚合酶 II本身接觸。其中最常見的是，上游元素與TFIID進行結合。特殊轉錄因子的結合作用有助於組合轉錄裝置，這也因此增加了轉錄起始的頻率。 • 常見的上游元素包括GC box、CAAT box、AP1元素以及八聚體 (Octamer) 元素。 CHAPTER 6 基因轉錄作用

基因轉錄作用

基因轉錄作用

Presentation Transcript