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在现代细胞中，所有的核酸，包括核糖核酸，是复杂的蛋白质。
其中的一些联合体是非常精细的，并且RNA在复杂的生化机器中可以同时起到组成和催化的作用。
除某些病毒的RNA基因组之外的所有RNA分子都源自永久储存在DNA中的遗传信息。
在信使核糖核酸的形成过程，一种以与其中的一条DNA链上的碱基序列互补的顺序把一段双链DNA上的基因信息传递到一条RNA链上的酶系统，产生出三种主要类型的RNA。
信使核糖核酸（mRNAs）通过一个或一组基因编码一个或多个指定的多肽的氨基酸的排列顺序。
转移核糖核酸（tRNAs）转译编码在mRNA上的信息并且在蛋白质合成中转移恰当的氨基酸到逐渐增长的多肽链上。
核糖体核糖核酸（rRNAs）是核糖体的组成部分，一种合成蛋白质的精细的细胞机器。
许多其他专门的RNA有管理或催化功能或是三种主要类别RNA的前体。
在复制过程中通常是整个染色体被复制，但是转录过程更有选择性。
只有一些特定基因或一组基因可以在任何时间转录，而且某些部分的DNA基因组从来没有被转录过。
细胞在任何特定的时刻将遗传信息的表达限制在形成所需要的基因产物。
精确的管理序列标记被转录的DNA片段的开头和结尾，并指定双工链DNA作为模板。
在第28章调节转录中有详细的说明。
在这一章中，我们审查在DNA模板上RNA的合成和反合成处理和RNA分子的翻转。
这样我们就遇到很多专门职能的RNA，包括催化功能。
有趣的是，基板的RNA酶往往是其他的RNA分子。
我们还描述了系统中的RNA是模板而DNA是产品，而不是反之亦然。
从而信息通路回到一个全循环，表明模板依赖于核酸合成的标准规则，不论模板或产品（RNA或DNA）的性质。
这个DNA和RNA作为信息载体的生物学互变现象的检查导致了对生物信息的进化起源的讨论。
26．1由DNA决定合成的RNA
我们对RNA合成的讨论从转录和DNA复制的比较开始（第25章）。
转录类似于其基本化学机制的复制，其极性（合成的方向），和它模板的作用。
像复制一样，转录包括启动，延长和终止阶段。
尽管在有关转录的文献中，开始阶段被进一步分为DNA结合和RNA开始合成等几个阶段。
转录不同于复制因为它不需要引物，而且通常只涉及一个DNA分子的有限的片段。
此外，转录片段中只有一条DNA链作为模板。
RNA是由RNA聚合酶合成的
DNA聚合酶以及它对DNA模板的依赖的发现刺激了对可以合成与DNA链互补的RNA的一种酶的寻求。
到1960年，四个研究小组分别在细胞提取物中发现了可以用5’-三磷酸核苷酸合成聚合物的一种酶。
随后对纯化的大肠杆菌的RNA聚合酶的研究帮助了对转录的基本性质的定义（图26-1）。
除了一个DNA模板之外，依赖于DNA的RNA聚合酶还需要所有四种5—三磷酸核苷酸（ATP，GTP，UTP，和CTP）作为RNA的核苷酸单位的前体，以及镁。
这种蛋白质还结合一个锌。
RNA合成所用的物质的化学本质与结构酷似那些DNA聚合酶所用的物质（参阅图25-5）。
RNA聚合酶通过从5端向3端方向书写，在3-羟基端增加核苷酸单位的方式延长RNA链。
3’-羟基组作为亲核试剂攻击引入的核苷三磷酸（图26-1B）和释放的焦磷酸盐的α磷酸盐。
RNA聚合酶需要DNA激活并且在绑定到双链DNA时最为活跃。
如上所述，两条DNA链中只有一条作为模板。
模板DNA链的复制是由3’→5’（与新生成的RNA链反平行），就像在DNA复制中一样。
新建立的RNA中的每个核苷酸根据沃森-克里克碱基配对原则选定。
RNA上附着的尿嘧啶与DNA上附着的腺嘌呤互补配对，鸟嘌呤与胞嘧啶互补配对，等等。
碱基对的几何特征（参阅图25-6）也可在碱基选择中发挥作用。
不同于DNA聚合酶，RNA聚合酶不需要一个前体来引发合成。
启动出现在RNA聚合酶结合在一个叫启动子的特定DNA序列上时（见下文）。
一个初生的（新近成立）的RNA分子的第一个碱基的5’-三磷酸组不会裂解释放PPI，而是在整个转录过程中保持完整。
在转录的延伸阶段，新的DNA链的碱基对的不断增长端暂时与DNA模板形成一个短期杂交的RNA-DNA双螺旋，估计有800bp的经度（图26-1A）。
混合中RNA在形成后不久退出重组，然后DNA双向重组。
为了使RNA聚合酶合成与DNA的一条链互补的RNA链，DNA双链在短距离内展开，形成了转录“泡”。
在转录中，大肠杆菌的RNA聚合酶一般保留17bp未卷绕的片段。
第8段RNA-DNA的混合就出现在这一未缠绕区域内。
大肠杆菌RNA聚合酶的转录伸长以50~90个核苷酸/秒的速率进行。
因为DNA是一种螺旋结构，转录空泡的运作需要大量的核酸分子的螺旋。
DNA链的旋转被DNA结合蛋白和其他的结构性障碍限制在大多数DNA片段中。
因此，一个移动的RNA聚合酶在转录空泡的前面和反超螺旋的后面产生一波又一波的正超螺旋。
（图26-1C号）。
这在细菌的体内和体外都已经被观察到了。
在细胞中，由转录造成的拓扑问题通过拓扑异构酶（第24章）的作用得到缓解。
两条互补的DNA链在转录中有不同的作用。
作为合成RNA的模板的链被称为模板链。
相对的另一股单链是非模板链或编码链，与基因转录形成的RNA的碱基序列是相同的，就像尿嘧啶在RNA中的位置即DNA中胸腺嘧啶所在的位置（图26-2）。
一个特定基因的编码链可能位于某一染色体的任一链中（如图26-3病毒所示）。
控制转录的调控序列（在这一章中稍后说明）根据惯例是由编码链的序列所指定的。
大肠杆菌中由DNA所决定合成的RNA聚合酶是一种有着五个核心亚基（α2ββ’ω；
Mr390，000）和一个第六亚基，的大型的，复杂的酶，一个聚合指定的σ亚基，和由大小（分子质量）决定的变量。
σ亚基短暂结合核心酶并指导酶结合到DNA的特定结合位点（见下文）。
这六个单位构成了RNA聚合酶全酶（图26-4）。
根据σ单位的类型，大肠杆菌的聚合全酶以这样几种形式存在。
最常见的单位是σ70（Mr70，000），而且下面的讨论将重点放在相应的RNA聚合酶全酶上。
由于RNA聚合酶没有核酸外切酶活性，它不能校对新合成的RNA链，因而转录的错误率高于DNA染色体复制的错误——大约每10000-100000个组成RNA的核糖核苷酸就有一个错误。
因为RNA的许多副本一般是从单一基因而来而且所有的RNA最终都会退化和被替换，一个RNA分子的错误对细胞所造成的影响远没有一个永久储存的DNA信息的错误严重。
许多RNA聚合酶，包括细菌的RNA聚合酶和真核生物的RNA聚合酶Ⅱ（在下文讨论），在转录过程中当一个错误配对的碱基加上时会终止，并且它们可以通过直接逆转聚合酶反应从转录的3’端删除不匹配的碱基。
但是，我们还不知道这项活动是否是一个真正的校对功能和它在多大程度上可能有助于高保真转录。
RNA合成由启动子开始
在DNA分子的随机位点开始DNA的合成将是一个非常浪费的过程。
所以，在DNA中一个结合到特定序列的RNA聚合酶叫做启动子，在DNA（基因）中指导相邻部分的转录。
RNA聚合酶结合的序列是易变的，许多研究主要集中于确定对启动作用至关重要的特定序列。
在大肠杆菌中，RNA聚合酶的结合出现在在转录启动子上约-70bp到+30bp的范围内.按照惯例，对应于RNA分子起始的DNA碱基对是有相当大的数量的，而在RNA起始位点之前的碱基数量很少。
启动子的范围在-70到+30，对最常见的一类细菌的启动子（可以被具有σ70的RNA聚合酶全酶所识别）的分析和比较已经在两段短序列-35和-10附近发现了共有序列（图26-5）。
这些序列是σ70亚基的重要互相作用的位点。
尽管这类的所有细菌的启动子的序列不相同，在每个位置都特别常见的某几个核苷酸组成了共有序列（回忆大肠杆菌的共有序列；
见图25-11）。
在-10区的共有序列是（5′）TATAAT（3′）；
在-35区的共有序列是（5′）TTGACA（3′）。
第三段富AT辨认成分，即一种叫上游启动子的成分，出现在某些高度表达的基因的启动子的-40到-60范围之间。
上游启动子受到RNA聚合酶的α亚基的限制。
RNA聚合酶结合到启动子上和开始转录的效率在很大程度上取决于这些序列之间的间距和它们与转录起始位点之间的距离。
许多独立的证据表明了位于-35和-10位置的序列的功能重要性。
影响一个特定启动子的功能的基因突变往往涉及这些区域内的某一碱基对。
共有序列的变化也影响RNA聚合酶结合和开始转录的效率。
仅仅一个碱基对的改变也可以几个数量级的降低结合效率。
这样在一个大肠杆菌基因中建立一个基础水平的表达的启动子的序列可以与下一个有很大的差别。
RNA聚合酶和启动子之间互相提供信息的方法在表26-1中说明。
转录开始的途径正在变得更加明确（图26-6A）。
它主要包括两个部分，结合和开始，每一部分都有很多步骤。
首先，聚合酶与启动子结合，连续形成一个封闭的联合体（其中约束DNA是完整的）和一个开放的联合体（其中约束DNA是完整的，而且在-10附近部分片段未缠绕）。
第二，联合体中的转录的开始，导致了使联合体转向更复杂的延伸形式的构象变化。
随后是转录联合体远离启动子的运动（启动子清除）。
所有这些步骤都可能受到启动子序列的特殊构成的影响。
当聚合酶进入转录的延伸阶段时，σ亚基解离（图26-6A）。
大肠杆菌有其他类别的启动子，以不同的σ亚基与RNA聚合酶全酶结合。
例如热休克基因的启动子。
当细胞受到损伤，如突然提高温度，这套基因的生产就会被提到更高水平。
RNA聚合酶只结合对应热休克的启动子的σ70亚基被σ32亚基（Mr32，000）所取代的这些基因（参阅图28-3）。
使用不同的σ亚基细胞可以协调基因组的表达，允许细胞生理学的重大变化。
转录在几个层次被调控
基因产物所需要的物质随着细胞条件或发展阶段而变化，而且每个基因的转录都被精细控制在所需要的比例内形成基因产物。
校对可以发生在转录的任一步，包括延伸和终止阶段。
但是，许多调控是针对聚合酶结合和转录起始阶段-在图26-6概述。
启动子序列的差异只是多个控制层次的其中一步。
结合到无论距离启动子远或近的序列的蛋白质也会影响到基因表达的水平。
结合蛋白可以通过促进RNA聚合酶的结合或启动过程的进一步来激活转录，或者通过抑制聚合酶的活性来阻止转录。
在大肠杆菌中，可以激活转录的蛋白质叫做腺苷受体蛋白（CRP），它可以增加可以在细胞在缺少葡萄糖的环境中生长时代谢除葡萄糖以外的糖类的酶的基因编码的转录。
终止子是在紫胶阻遏中阻止特定基因的RNA合成的蛋白质（第28章），当乳糖无法使用时与乳糖代谢有关的酶的基因转录就会受阻。
转录是蛋白质合成的复杂、能源密集的路径的第一步，在细菌和真核细胞中如此之多的蛋白质水平上的调节是针对转录的，尤其是在早期阶段。
在第28章所描述的许多机制都是通过这一调节完成的。
RNA合成终止信号的具体序列
RNA合成是持续的（即RNA聚合酶具有较高的持续合成能力；
页954）——一定如此，因为如果一个RNA聚合酶过早释放RNA转录物的话，它不能恢复同一个RNA的合成，而是将不得不重新开始。
然而，与某些DNA序列的相遇将会造成RNA合成的暂停，而且其中一些序列的转录会终止。
真核生物的终止的过程还没有被很好的理解，所以我们再次把重点放在细菌上。
大肠杆菌至少含有两组终止信号：
一组是依赖一种叫做ρ（rho）的蛋白因子的终止，另一种是不依赖于Rho因子的终止。
大多数依赖ρ因子的终止有两个显著特点。
首先是有一个转录出来的RNA序列是自身互补的区域，可以在RNA预计的结束之前形成一个聚集15到20个核苷酸的发夹结构（见图8-21A）。
第二个特征是此区的模板链有连续的碱基A，在发夹结构的3’末端附近转录为连续的碱基U。
当聚合酶遇到一个终止子的这样的结构时，便停止转录（图26-7）。
RNA中发夹结构的形成会干扰RNA—DNA结合阶段的一些AU碱基对，也可能破坏RNA与RNA聚合酶之间重要的相互作用，促进转录的分裂。
依赖于ρ因子的终止在模板链上缺乏重复的碱基A的序列，但通常都包括一段叫做重复（利用rho）因子的富CA的序列。
ρ因子与RNA在特定的结合位点结合并且沿着5’→3’方向移动直到到达在终止位点被终止的转录复合物的位置。
在这里它有助于释放RNA转录物。
ρ因子有一个依赖于ATP水解的解旋酶的活动，它可以促进蛋白质沿RNA迁移，而且在终止进程中ATP被ρ因子水解。
蛋白质促进新生成的RNA链的释放的详细机制还不清楚。
真核细胞有三种RNA聚合酶
真核细胞的细胞核中的转录机制比在细菌中要复杂得多。
真核生物有三种RNA聚合酶，即RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们是独特的复合物，但在亚基组成上有相似处。
每种聚合酶各有特定的功能而且结合到不同的启动子序列上。
RNA聚合酶Ⅰ（ＰｏｌⅠ）只负责合成一种类型的RNA，一种称为前核糖体RNA的转录，其中包含有１８ＳｒＲＮＡ、５.８ＳｒＲＮＡ和 ２８Ｓ ｒＲＮＡ的前体（见图２６－２２）。
聚合酶Ⅰ在不同物种的序列里有很大差异。
RNA聚合酶Ⅱ的主要职能是合成mRNA和一些专门的RNA。
这种酶能够识别序列中千差万别的启动子。
许多RNA聚合酶Ⅱ的启动子有一些共同的序列特点，包括在碱基对-30位置的TATA框（真核序列TATAAA）和在RNA起始位点+1附近的一个子序列（引发剂）（图26-8）。
RNA聚合酶Ⅲ合成tRNA,5SrRNA,和其他一些小型专门RNA。
被RNA聚合酶Ⅲ识别的启动子都有明显的特点。
有意思的是，一些RNA聚合酶Ⅲ在调节转录起点所需的一些序列就存在于基因本身。
而另一些则处于RNA起始位点上游更为常规的位置（第28章）。
RNA聚合酶Ⅱ的活动需要很多其他蛋白质因子
RNA聚合酶是真核细胞基因表达的核心，并已被广泛的研究。
尽管这种聚合酶比与其对应的细菌惊人的复杂的多，这种复杂性掩盖了显著的保护结构，功能和机制。
聚合酶Ⅱ是一个包含有12个亚基的巨大的酶。
最大的亚基（RBP1）显示了与细菌RNA聚合酶的β’亚基的高度同源性。
另一个亚基（RBP2）在结构上类似于细菌的β亚基，另外两个（RBP3和RBP11）表现出与两个细菌的α亚基的结构上的同源性。
聚合酶Ⅱ在基因组中的功能比在细菌中更为复杂并且DNA分子被更为精心修饰。
众多其他蛋白因子之间需要蛋白质-蛋白质联系的原因很大程度上在于真核细胞聚合酶更复杂的性质。
聚合酶Ⅱ的最大的亚基也有一个不寻常的功能，一条由许多重复的共识七肽的氨基酸序列-YSPTSPS-组成的长羧基端。
在酵母酶中有27个重复（18个与共同序列准确匹配）而在小鼠和人类的酶中有52（21个准确匹配）个。
这个羧基转移域（CTD）被一条未组织的连接序列与酶的主体分离。
CTD在RNA聚合酶Ⅱ的功能中有很多重要角色，概述如下。
RNA聚合酶II需要一系列其他蛋白质，所谓的转录因子，以形成开放的转录起始复合物。
每个RNA聚合酶Ⅱ所需要的通用转录因子（通常以一个额外标识符指定TFⅡ的因子）在所有真核生物中是高度保守的（表26-1）。
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