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首次发现活体细胞转录新机制
【字体： 大 中 小 】 时间：2007年08月10日 来源：生物通
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转录，这一将DNA的遗传信息通过信使RNA的互补合成传递下去的过程，组成了所有细胞活性的基本构成。但是有关这一过程的动力学，比如这一过程有效性有多高？能进行多久？这些问题至今我们了解得很少。来自阿尔伯特·爱因斯坦医学院（Albert Einstein College of Medicine）解剖学与结构生物学系，法国科学研究基金会（Fonds Nationaux de la Recherche Scientifique），以色列Bar-Ilan大学的研究人员利用一种先进的显微技术同步测量了转录的步骤，这一从未实现过的实验得到了令人惊讶的结果，从基础上改变了目前已知的转录过程。
这一研究成果公布在《Nature Structural & Molecular Biology》网络版上。
原文摘要：
Published online: 5 August 2007; | doi:10.1038/nsmb1280
In vivo dynamics of RNA polymerase II transcription
[Abstract]
转录（Transcription）是蛋白质生物合成的第一步，也是tRNA和rRNA的合成步骤。 转录中，一个基因会被读取被複製为mRNA，就是说一特定的DNA片段作为模板，以DNA依赖的RNA合成酶作为催化剂的合成前体mRNA的过程。这一DNA指导的RNA合成作用以DNA为模板，在RNA聚合酶催化下，以四种三磷酸核苷（NTP）即ATP、GTP、CTP及UTP为原料，各种核苷酸之间的3′、5′磷酸二酯键相连进行的聚合反应。合成反应的方向为5′→3′。反应体系中还有Mg 2+、Mn 2+等参与，反应中不需要引物参与。碱基互补原则为A-U、G-C，在RNA中U替代T与A配对。
RNA聚合酶是催化转录作用的酶，原核生物与真核生物都有各自的RNA聚合酶，原核生物RNA聚合酶的结构是由五个亚基组成，为二条α链，一条β链，一条β′链和一条σ因子链，α 2ββ′四个亚基组成核心酶，加上σ因子后成为全酶α 2ββ′σ；真核生物中已发现有四种RNA聚合酶，分别称RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Mt。
其中 RNA聚合酶Ⅱ转录生成hnRNA和mRNA，是真核生物中最活跃的RNA聚合酶。 RNA聚合酶Ⅲ转录的产物都是小分子量的RNA，tRNA的，5SrRNA的和snRNA。 RNA聚合酶Ⅰ转录产物是45SrRNA，生成除5SrRNA外的各种rRNA。
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Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅲ |
Mt | |
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定位 转录产物 |
核仁 5.8S，18S，28SrRNA前体 |
核质 mRNA前体 U1、U2、U4、U5 SnRNA前体 |
核质 tRNA前体 5SrRNA前体 U6SnRNA前体 |
线粒体 线粒体 RNAS |
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对利福平的敏感性利福霉素 |
不敏感 (-) 敏感 (+) |
(-) (+) |
(-) (+) |
(+) |
这一最新研究就是围绕着RNA聚合酶II进行的，在转录过程中，DNA附近会聚集越来越多的RNA聚合酶II，然后RNA聚合酶II就会通过特异性互补作用合成RNA。
为了观测到这一转录过程，研究人员利用活体哺乳动物细胞——每一个细胞都包含着研究人员插入到细胞染色体中的一个人工基因的200个拷贝。然后通过将荧光标签加在RNA聚合酶II上，研究人员就能够观测到转录过程的三个步骤了：酶分子结合绑定到DNA上，启动（当酶与第一个RNA核苷结合在一起）和延伸（RNA分子剩余部分的延伸）。当研究人员观测RNA聚合酶II分子与DNA结合，并制造出新的RNA的时候，他们发现酶分子结合上去后会立即脱落下来。
文章作者 Robert Singer博士表示，“令人惊讶的一项发现就是，转录过程实际上效率十分低，尤其在开始的两个步骤”，“这说明结合到基因上的聚合酶只有1%帮助合成RNA，转录是一个效率低的过程。我们还不肯定这是什么原因，但是这也许是由于转录过程中需要的所有因子都要在正确的时间，正确的地点聚集在一起，因此需要酶不断的脱落，又不断的补充上去，直到所有的元素都精确到位。”
研究人员观察到转录的结合过程持续大约6秒，启动则需要54秒，而比较而言，转录的延伸过程则需要长达517秒（大约8分钟）。研究人员认为可能的原因就是：“先锋”聚合酶有时会“停顿”一段较长的时间，延迟转录过程，就像狭长的街道上，一辆车挡住了后面所有的车。但是一旦过了这一停顿过程，延伸过程就变快了——大约每秒70个核苷合成，这比之前报道的要快的多。
这两个过程：停顿和延伸过程中快速的RNA合成，也许是调控基因表达的关键过程。Singer博士认为，“利用这种机制，就算突然出现什么状况，你都可以应付自如”，“一旦这一停顿酶重新开始，那么就能以极高的速度合成突然急需大量特异性蛋白的mRNA。”
参予这一研究的还包括第一作者：Xavier Darzacq（目前在法国科学研究基金会），Yaron Shav-Tal（目前在以色列Bar-Ilan大学），Valeria de Turris 和Shailesh M. Shenoy。
（生物通：张迪）
