1、RNA鏈延伸中RNA聚合酶對信息的加工明鎮寰 摘要：本文在簡述了轉錄循環和轉錄中間體、尤其是轉錄延伸復合物結構的基礎上，就RNA聚合酶在轉錄延伸中的作用作了綜述。RNA聚合酶對轉錄調節作出抉擇依賴于對轉錄延伸復合物內在的或外來的信息輸入，其功能在很大程度上都像是一個信息加工者。 關鍵詞：轉錄延伸復合物；RNA聚合酶；信息加工 中圖分類號： Q756文獻標識碼： A 文章編號： 02539772(2000)01004750 Information Processing by RNA Polymerase During RNA Chain Elongation MING Zhen huan (Co

2、llege of Life Science，Zhejiang University,Hangzhou 310028,China) Abstract: It is reviewed for the function of RNA polymerase during transcription elongation based on the description of transcription cycle and the structure of transcription intermediates,especially, the transcription elogation comple

3、x. The decision of RNA polymerase for transcriptional regulation depends on the intrinsic or extrinsic imputs of information to transcription elongation complex. Thus, the function of RNA polymerase looks like an information processor to a great extent. Key word: Transcription elongation complex; RN

4、A polymerase; Information processor 于所有可接近的位置6。沿著DNA鏈定向移位的能量是由核苷酸的加入造成TEC構象改變所衍生的。也有可能RNA聚合酶是一種“機械酶”(mechano enzyme)，其通常保持與RNA和DNA的緊密接觸并使用磷酸二酯鍵水解的能量產生內部的運動7。 停滯(arrest)、暫停和終止。在某些位點，核苷酸的加入因暫停、停滯和終止信號而放慢，所以RNA鏈的延伸被不時打斷。暫停信號引起RNA聚合酶從快速延伸的TEC狀態異構化而改變其構象。在這種構象下，RNA鏈的延伸被可逆地抑制。停滯信號只在體外試驗中檢測到，能不可逆地阻斷RNA鏈的延伸

5、。暫停和停滯可能反映了TEC在結構上的不同改變，終止信號引起RNA和DNA鏈的釋出。 有幾種類型的暫停轉錄復合物，其由不同的內在的或外來的相互作用所調節。某些停頓僅與DNA序列有關而無需別的調節物，而有些暫停信號則是特定的調節中間物，它們能阻止轉錄超出某一區域。處于大腸桿菌和沙門氏菌的氨基酸生物合成操縱子前導區中部的依賴于發夾結構的暫停位點即屬于后者。這些位點使RNA聚合酶停止前進直至核糖體起始前導肽的合成，或者直到最終自發地逃逸并導致超衰減(superattenuation)。通過放慢RNA鏈延伸以允許TEC在結構上的調整，暫停看來是導向停滯和終止的一個起始步驟。暫停位點的存在有利于對缺陷的

6、mRNA進行監視。在暫停位點放慢速度的RNA聚合酶或被翻譯著的核糖體所釋放，或者被終止因子所釋放8。如果把RNA聚合酶比作信息加工者，暫停信號則指示其停下來等待調節信號的輸入。 當RNA聚合酶遇到終止信號時，其停止往RNA鏈上加入新的核苷酸，解開DNA-RNA雜交鏈，釋放出新合成的轉錄物，自身也從DNA模板上解離下來。 2轉錄延伸復合物的結構 轉錄延伸復合物是整個轉錄循環中一個重要的轉錄中間體，與轉錄循環中其它階段的轉錄中間體一樣，RNA聚合酶通過其與DNA、RNA和蛋白因子及其它因子的相互作用，以一種特定的空間構象，在RNA鏈延伸中起著接受信息輸入和作出相關轉錄決定的信息加工者的作用。 2.

7、1RNA聚合酶的三維結構 Kornberg等人運用電子晶體學的方法，已經獲得了低分辨率的E.coli RNA聚合酶全酶和核心酶及酵母RNA聚合酶和的三維結構9,10,11，表明可能所有的RNA聚合酶都具有一些共同的特點：(1)在其結構中有一個寬度約為25埃的槽，在從RNA聚合酶與起始因子復合物向TEC的轉變中處于緊鄰下游雙鏈DNA處；(2)結構上有一些適于跟ssRNA和DNA接觸的特點；(3)兩個幾乎橫貫RNA聚合酶的通道，其中一個作為RNA鏈的出口。整個結構與DNA聚合酶的手狀結構基序(hand-like motif)相似。 2.2TEC中的相互作用 在RNA鏈延伸中的RNA聚合酶由、和亞基

8、的二體所組成，在所有已知的RNA聚合酶中亞基和亞基均十分相似。和在延伸中對與DNA、RNA的接觸起主要作用,并決定酶的活性。這種相互作用影響暫停和終止12,13。RNA聚合酶也與幾種金屬離子結合，其中兩個鋅離子結合酶的和亞基，兩個或多個鎂離子為酶充分發揮活性所需。在TEC中關鍵的相互接觸可能發生在和這兩個亞基的界面上14。 3RNA聚合酶：轉錄信息的加工者 RNA聚合酶在發揮其功能時，沿著DNA鏈移動，從DNA鏈上識讀信息，將其翻譯到新生的RNA鏈上。很像第一代理論計算機，通過重復的邏輯操作進行其運算。RNA聚合酶可以從新生的RNA鏈獲得反饋的信息來決定選擇新的起始位點，并對暫停及終止信號作出

9、反應。RNA聚合酶對轉錄調節作出抉擇依賴于對轉錄延伸復合物的兩種類型的信息輸入：內在的(intrinsic)輸入和外來的(extrinsic)輸入。在這里，內在的輸入指那些能與RNA聚合酶發生相互作用的RNA和DNA的特定序列。這種相互作用的結果產生不同構象的TEC，從而影響RNA鏈的延伸，或使其快速轉錄，或使其停頓以至于終止轉錄。而且這些不同構象的TEC還是各種能增強或抑制RNA鏈延伸或終止的外來輸入的靶目標。內在的或外來的輸入信號或是些小分子物質，或是蛋白質及其它RNA分子。它們通過與RNA聚合酶直接接觸或通過與RNA或DNA的接觸，能與TEC相互作用并調節其活性。表1例舉了這些輸入及其作

10、用的靶目標和功能。TEC的不同構象和上述各種不同的輸入為轉錄加工提供了極大的調節靈活性。 圖1轉錄循環 4內在的輸入 有多重的內在輸入控制著RNA鏈的延伸，它們包括：活化部位，下游DNA雙鏈，非模板DNA鏈，RNADNA雜交物，RNA轉錄物的出口和新生RNA的發夾結構。 4.1活化部位 RNA聚合酶的活性部位催化新生RNA鏈3末端氧原子與NTP 焦磷酸間的親核置換反應15。二價鎂離子在催化反應中通過配位鍵使底物處于一種特定結構的過渡態而發揮作用。RNA鏈3末端和NTP在活性部位的定位決定了由TEC作出的大多數調節抉擇。不正確的定位會抑制核苷酸加入新生RNA鏈。活性部位外起調節功能的相互作用可能

11、最終通過活性部位內的相互作用而對RNA鏈的延伸發揮作用。 4.2下游DNA雙鏈 指活性部位下游的約18bp的雙鏈DNA。其序列至少影響對某些暫停位點和終止子的識別16。該序列與RNA 1 2301 272(亞基的第1 230個殘基至第1 272個殘基)和30102殘基交聯。這種相互作用為TEC提供了抗鹽性。亞基的類鋅指基序中Cys殘基被Ala的替代會引起TEC在剛起始后即不加選擇地終止。看來，RNA聚合酶和亞基中的這些片段與下游DNA的鎖狀(clamp)結構有關。它們間的相互作用使RNA聚合酶和DNA鏈保持相互接觸。 4.3非模板DNA 在解開的DNA鏈中，非模板鏈位于RNA聚合酶的外部。其堿

12、基暴露，易于被核酸酶接近。隨著DNA鏈的移位，它又會與模板鏈重新進行堿基配對。這種轉錄泡的推進幾乎是等能量地進行的17。非模板鏈暴露的堿基是調節因子相互作用的一個誘人的靶目標。Ring等人最近報道，在晚期操縱16位上，由于因子對非模板鏈DNA的結合，造成了啟動子近側的暫停18。 4.4RNADNA雜交物 關于RNADNA雜交物的長度和作用是轉錄研究中熱烈爭論過的問題。基于RNA足跡法的一個模型認為，TEC中大約存在12bp的RNADNA雜交物。這個結論與熱力學分析結合導致Yager等人假設12bp的雜交物從能量上補償了融解的DNA泡形成穩定的TEC19。發夾結構的介入導致的雜交減弱會使TEC不

13、穩定和發生解離。但另一種模型則認為，雜交物的長度不是TEC穩定的主要原因，因為有實驗表明，用RNase降解而留下只有23個bp的雜交物并未造成延伸能力的喪失。 4.5RNA轉錄物的出口 在TEC中，RNADNA雜交物上游的單鏈RNA能與RNA聚合酶的亞基(904905)和亞基(181)發生相互作用，新生的RNA鏈通過RNA聚合酶結構中的一個通道從TEC中逸出。實驗表明，新生RNA進入這個出口為TEC提供了穩定，可能是其引發了下游DNA鎖狀結構的關閉。 4.6新生RNA的發夾結構 轉錄物從TEC中出來后形成的RNA發夾結構是某些暫停信號組成的必要部分，也是不依賴于因子的終止子所要求的。它們能引起

14、轉錄復合物的解離；RNA發夾結構還能作為反終止子發揮作用。發夾結構如何調節RNA鏈生長的關鍵問題是：它們是通過與RNA聚合酶的直接接觸發揮作用還是間接地通過干擾ssRNA與RNA聚合酶或DNA的相互作用而發揮作用。幾方面的證據表明在暫停和終止中，RNA發夾與RNA聚合酶傾向于發生直接的相互作用20,21。 表1轉錄復合物與信息輸入 信息輸入 靶目標 作用 內在的輸入 新的RNA結構 RNA聚合酶 暫停、終止 RNA 終止 RNA近3端區 RNA聚合酶 暫停（1011）nt/終止（富含U的79）nt/停滯（富含U） C模板DNA鏈 RNA近3端區、RNA聚合酶 ？ 非模板DNA鏈 Sigma因子

15、、RNA聚合酶 暫停 活化部位堿基 RNA聚合酶 暫停 下游DNA雙鏈 N端鋅指、C端區 暫停、終止 外來的輸入 非模板DNA鏈 暫停 新生RNA、RNA聚合酶？ 終止 不詳 終止 ppGpp 不詳 暫停 NusA C端區、或、RNA發夾 暫停、終止、反終止 NusB 新生RNA鏈的BoxA 反終止 NusE 新生RNA鏈的BoxA 反終止 NusG RNA聚合酶 暫停、終止 GreA RNA聚合酶、新生RNA 轉錄切割、反停滯、啟動子逃逸 GreB RNA聚合酶、新生RNA 轉錄切割、反停滯、啟動子逃逸 基因特異調節物 RNA聚合酶、DNA或新生RNA 多種 5外來的輸入 RNA聚合酶和RN

16、A或DNA的相互作用能夠產生轉錄復合物的不同構象，這些構象能作為外來因子進一步調節的靶目標。這些外來因子能修飾RNA聚合酶對進一步的內在輸入反應的規則，類似于早期計算機裝置中依賴信息輸入造成邏輯規則變化。對這些外來輸入作用理解的關鍵在于解釋它們是如何改變RNA、DNA和NTPs與RNAP的內在相互作用以及改變其酶學特性的。外來因子NusA對暫停和終止的影響是一個很好的例證22。NusA是作為噬菌體依賴于N的反終止現象中必需的細胞因子而發現的。但是發現在所有已被測序的原核生物和古核生物中，在其它細胞或噬菌體蛋白缺失的情況下能增強暫停和不依賴于因子的轉錄。NusA是一個相對分子質量為55kDa 1

17、Da=1u(原子質量單位)的酸性蛋白質，其能與因子、N蛋白和RNA相互作用，也能與RNA聚合酶通過與亞基C端結構域或亞基及亞基的接觸相互作用。其競爭NTP的結合和以一種位點特異的、可能涉及與RNA二級結構發生相互作用的方式增強暫停。其穩定暫停中間物是通過進一步穩定RNA發夾與RNA聚合酶的相互作用來實現，還是直接影響RNA 3末端定位都有待于進一步研究。 作者簡介:明鎮寰，男，54歲，碩士學位，副教授，專業方向為分子遺傳學。 明鎮寰（浙江大學生命科學學院,杭州310028） 參 考 文 獻： 1Roe J,Burgess R,Record M.Temperature dependence of

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