轉錄

轉錄（英語：Transcription）是在RNA聚合酶的催化下，遺傳資訊由DNA複製到RNA（尤其是mRNA）的過程。作為蛋白質生物合成的第一步，轉錄是合成mRNA以及非編碼RNA（tRNA、rRNA等）的途徑。

真核生物合成蛋白質的轉錄過程以特定的單鏈DNA片段作為模板，RNA聚合酶作為催化劑，合成前mRNA，前mRNA經進一步加工後轉為成熟mRNA。轉錄時，DNA分子的雙鏈打開（是否需要DNA解旋酶仍存在爭議），在RNA聚合酶的作用下，游離的4種核糖核苷酸按照鹼基互補配對原則結合到DNA單鏈上，並在RNA聚合酶的作用下形成單鏈mRNA分子。

轉錄成RNA分子的DNA片段稱為轉錄單元，編碼至少一個基因。如果轉錄的基因編碼蛋白質，則會產生信使RNA（mRNA），這個mRNA又在轉譯過程中作為合成蛋白質的模板。基因還可能編碼非編碼RNA，例如小分子RNA，核糖體RNA（rRNA），轉運RNA （tRNA）或有催化作用的RNA分子核酶。

主要步驟

轉錄通常按以下步驟進行：

RNA聚合酶與一種或多種通用轉錄因子一起結合DNA上的啟動子。
RNA聚合酶產生一個轉錄泡泡，並通過打開互補DNA核苷酸之間的氫鍵分離DNA雙螺旋的兩條鏈。
RNA聚合酶催化聚合核糖核苷酸（與模板DNA鏈的去氧核糖核苷酸互補）。
在RNA聚合酶的作用下形成RNA糖—磷酸骨架，進而形成RNA鏈。
RNA—DNA螺旋的氫鍵斷裂，釋放新合成的RNA鏈。
如果細胞有核，RNA可以進一步被處理。這可能包括聚腺苷酸化，加帽和剪接等。
RNA可以保留在核內或通過核孔複合物離開核進入細胞質。

具體來講，轉錄可分為啟動、延伸、終止三個階段^[1]。

啟動

轉錄開始於RNA聚合酶與通用轉錄因子共同結合到模板DNA的啟動子序列上，形成RNA聚合酶－啟動子閉合複合物。

然後，RNA聚合酶在通用轉錄因子的協助下，暴露出大約14個鹼基對，形成RNA聚合酶－啟動子開放複合物。在開放複合物中，啟動子DNA部分解開為單鏈。暴露的單鏈DNA被稱為「轉錄泡」。接著，RNA聚合酶選擇轉錄泡中的轉錄起始位點，結合起始NTP和與轉錄起始位點序列互補的延伸NTP（也可能是短RNA引子和延伸NTP），催化磷酸二酯鍵的形成，產生起始RNA產物。

原核生物的RNA聚合酶全酶由兩個α亞基、一個β亞基、一個β′亞基和一個σ亞基組成，其中σ因子協助RNA聚合酶識別並結合啟動子。^[2]很多基因起始位點的上游擁有普里布諾盒基因序列（TATAAT），上游約35個鹼基處擁有TTGCCA共有序列，約40~60個鹼基處擁有一片富含A、T鹼基的區域，有助於加快轉錄速度。^[1]

真核生物的轉錄起始上游區段比原核生物多樣化，轉錄起始時，RNA聚合酶不直接結合模板，其起始過程比原核生物複雜。^[2]

轉錄的啟動還受到另外的蛋白質影響，如轉錄活化蛋白和阻遏蛋白。

前兩個NTP縮合成3′-5′磷酸二酯鍵後，RNA聚合酶脫離啟動子，啟動階段結束，進入延伸階段。

延伸

轉錄延伸的簡單圖示（RNAP：RNA聚合酶；Coding Strand：編碼鏈；Template Strand：模板鏈）。

轉錄啟動後，DNA雙螺旋鏈解開，其中一條鏈作為模板鏈。隨著轉錄的進行，RNA聚合酶在DNA模板鏈上移動，根據鹼基互補配對原則合成RNA單鏈。轉錄的方向為3′→5′（對於DNA模板鏈）或5′→3′（對於合成的RNA鏈或DNA編碼鏈）。

細菌在37°C（98.6°F）下以42~54個核苷酸每秒的速度轉錄，而真核生物的轉錄速度大約是22-25個核苷酸每秒。^[1]

終止

轉錄終止於DNA非編碼序列末端附近的終止子處。

細菌轉錄的終止有兩種方式：內源性終止（也稱內在型終止，本體轉錄終止或ρ-非依賴性終止）和ρ-依賴性終止。在內源性終止中，基因末端的反向重複序列（英語：Inverted repeat）使新轉錄的RNA序列摺疊成髮夾環，從而使RNA聚合酶脫落，轉錄產物被釋放。^[3]ρ-依賴性終止子利用可在轉錄時主動展開DNA—RNA複合物的ρ因子，釋放新合成的RNA。^[1]

真核生物轉錄過程的終止方式取決於其所使用的聚合酶的不同。RNA聚合酶I的終止機制與細菌的ρ-依賴性終止類似；而RNA聚合酶III的終止與細菌的內源性終止極為相似。有研究表明，多個胸腺嘧啶的終止信號引起RNA聚合酶III的失活，從而使延伸終止並將酶轉運至最近的RNA二級結構，進而促進酶的釋放。RNA聚合酶III和細菌的轉錄終止機制之間的相似性表明，這種依賴髮夾環的終止可以追溯到多亞基RNA聚合酶的共同祖先。^[4]RNA聚合酶II的轉錄可以在非編碼序列的末端後持續數百甚至數千個核苷酸，它的終止更為複雜，涉及到新合成RNA的切割以及多腺苷酸化的過程。

抑制劑

抗生素可作為轉錄的抑制劑，包括抗細菌藥與抗真菌藥。以利福平為例，其通過結合DNA依賴性RNA聚合酶的β-亞基來抑制細菌轉錄（英語：Bacterial transcription）；而8-羥基喹啉是真菌轉錄（英語：Eukaryotic transcription）的抑制劑；組織蛋白甲基化作用（英語：Histone methylation）也可能會對轉錄有抑制作用。

歷史

方斯華·賈克柏（François Jacob）和賈克·莫諾（Jacques Lucien Monod）首先假設一種讓遺傳物質成為蛋白質的分子。塞韋羅·奧喬亞（Severo Ochoa）於1959年獲得諾貝爾生理學或醫學獎，開發一種用多核苷酸磷酸化酶（英語：Polynucleotide phosphorylase）體外(In vitro)合成RNA的方法，該方法可用於破解遺傳密碼。由RNA聚合酶合成RNA是由幾個實驗室在1965年以前在體外(In vitro)建立的; 然而，由這些酶合成的RNA具有表明存在正確終止轉錄所需的額外因子的特性^{[來源請求]}。