RNA的转录是否需要解旋酶参与一直是个有争议的问题。本文试着从原核生物的转录和真核生物转录的过程中分析解旋酶是否的参与问题,希望从中找出一些端倪以解疑答惑。
首先需要理解解旋酶是什么?我们知道DNA的复制过程中,分开两条母链的工作是由解旋酶来进行的。解旋酶是一类依靠ATP水解从而将核酸链氢键打开的酶,其具有单链核酸的结合活性。在DNA复制、双链RNA打开过程中都有解旋酶的参与,因此依照其底物划分为DNA解旋酶和RNA解旋酶。其运动方向可以从5'→3',也可以从3'→5',因此依照运动方向又可分为typeA
类解旋酶和type B类解旋酶。
原核生物的转录过程,原核生物的RNA聚合酶的全酶由核心酶和σ因子构成。在转录起始时,首先核心酶和σ因子结合形成RNA聚合酶全酶,依靠σ因子识别启动子序列,从而促使全酶结合在DNA上。此时,一个不需要依赖ATP水解能量的变构作用发生,使得DNA双链上产生一个12-14bp的“小泡”。这个小泡内即为RNA合成部位。随着核苷酸聚合,RNA聚合酶移动向基因下游,同时释放σ因子。在这一过程中,并没有解旋酶参与其中。事实上,这个小泡的长度在整个RNA合成过程中是不变的,即前端DNA双链分开,随后在后端即重新形成双链。RNA聚合酶事实上只是在双链之间移动,并非分开双链。这个过程只是增加了RNA聚合酶两侧双链DNA的张力,而这张力可被DNA旋转酶(DNA
gyrase)释放。由此可见,原核生物的转录并不需要解旋酶参与,RNA聚合酶只是“”插空“而已。
真核生物的转录稍微复杂,我们这里主要讲下负责编码序列转录的Pol II。对于Pol
II来说,其需要一系列蛋白辅助因子来帮助其起始转录。首先包含TBP的TFIID结合DNA链,招募TFIIB形成初始复合体,同时招募Pol
II本身以及多种转录因子结合构成转录起始复合体。在争论中,有人提出转录因子TFIIF和TFIIH是解旋酶。其理由是TFIIF中的大亚基(RAP74)以及TFIIH中包含的XPB和XPD亚基具有ATPase活性并能打开DNA双链。但分析来看,虽然这三者的确具有ATP依赖性的DNA解链作用,但是和典型意义上的DNA解旋酶并不相同。首先,这三者都是以亚单位形式结合于Pol
II构成转录起始复合体,但其完整的转录因子还包含磷酸化、促进结合等功能。其次,其并不识别单链DNA,而是通过TFIID及Pol
II的募集而来,必须作为一个整体才能表现出RNA解链活性。第三,其解链活性只在转录起始中起作用,在转录起始、RNA链延长过程中,包括TFIIF、TFIIH在内的转录因子大多脱离转录起始复合体,仅剩下Pol
II及少量蛋白进行延伸。对比DNA解旋酶在整个复制过程中起作用,可以看出TFIIF和TFIIH仅在转录起始时表现DNA解链活性,但在整个转录过程中,并不参与DNA双链的解链-再结合过程。
综上,在转录过程中RNA聚合酶只是在DNA双链中穿过,只产生对DNA的张力,而不实际将DNA分开为两个单链。在原核生物中,并不需要DNA解旋酶参与。在真核生物中,一些蛋白表现的是ATP依赖的旋酶活性,其功能是打开DNA双链并并起始RNA聚合酶的移动,在RNA合成过程(特别是延伸中)中并不起作用。
因此,对于真核生物,如果定义解旋酶就是”依靠ATP水解能量分开DNA双链的蛋白质“,那么可以认为真核生物的转录需要解旋酶。但是通过上面的分析可以看出,这并非典型的DNA解旋酶功能,其和DNA复制时的解旋酶在结构和功能上极为不同。
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