原核生物的启动子与转录起始过程

转录需要完整的双链DNA，但每次转录仅以其中一条链为模板，称为模板链，另一条链称为编码链。转录的过程分为起始（initiation）、延伸（elongation）和终止（termination）三个阶段。

起始阶段包括对双链DNA特定部位的识别、局部解链以及形成最初的一段RNA。第一个核苷酸掺入的位置称为转录起点（transcription start site，TSS）。以前认为形成第一个磷酸二酯键就会进入延伸阶段，但现在认为起始过程比较复杂，当进入延伸阶段时已经合成了一小段RNA。

转录的基本过程

起始后RNA聚合酶（RNAP）构象改变，沿模板移动，持续合成RNA，即进入延伸阶段。而当聚合酶到达转录终点时，在终止因子的帮助下停止合成反应，酶和RNA链脱落，转录结束。

代谢途径的第一步经常是限速步骤。同理，转录是基因表达的第一步，所以是基因表达调控的关键步骤。而在转录的3个阶段中，起始阶段的调控最为重要。

对于转录起始的调控，启动子是最重要的调控元件。启动子（promoter）是RNA聚合酶识别、结合以开始转录的DNA序列。启动子对基因的表达非常重要，可以决定基因在什么组织、什么生长阶段或什么条件下表达，也可以决定表达的频率等。

强启动子平均2秒钟启动一次转录，而弱启动子需要10分钟以上。研究表明，对于不同的启动子序列，生产性转录速率（即从给定启动子合成全长RNA产物）的变化可能超过一万倍。

启动子可以看作DNA上的一系列标志，指示出转录的起点、解开双螺旋的位点、RNAP以及各种转录相关蛋白的结合位点等等。根据这些信息，转录才能顺利开始。

原核生物的启动子通常位于基因上游（5'端），由几段保守序列构成。在转录起点（TSS）上游约5-10碱基处有保守序列TATAAT，称为Pribnow box或-10 box。其AT丰富，有助于局部解链。

在大约-35位有一段保守的TTGACA序列，称为-35序列或Sextama box，提供RNA聚合酶识别的信号。这两段序列和转录起点都是转录必不可少的，称为核心启动子（core promoter）。

细菌的RNAP与核心启动子。J Mol Biol. 2019

原核生物主要通过σ因子（RNAP的σ亚基）来识别启动子。σ因子有许多种类，针对不同情况。其中研究较多的是σ70，负责细菌管家基因的转录。σ70有4个结构域，都与核心酶和启动子相互作用。其中结构域2和4分别与-10和-35区结合。

更上游的-40至-60区域称为上游控制元件（upstream control element，UCE）或up element，可与核心酶α亚基羧端结构域（αCTD）作用，诱导上游DNA在RNAP上弯曲和包裹。这也与转录起始有关。

细菌启动子与RNAP的相互作用。Biomolecules. 2015

转录起始过程可以细分为3个步骤：RNAP全酶与启动子DNA结合形成封闭复合物或“预启动”复合物；转录起始位点周围的DNA解链形成开放复合物；最后通过“启动子解脱”（promoter escape）过程从起始过渡到延伸阶段。

原核与真核生物的转录起始过程。Curr Opin Genet Dev. 2008

在启动过程中，RNAP全酶首先搜索并特异性识别启动子DNA，形成通常称为RPC的初始封闭复合物。其中R代表RNAP，P代表promoter，C代表closed。之后αCTD与上游元件相互作用，使上游DNA弯曲包裹RNAP，从而使下游双链DNA弯曲进入RNAP的活性位点裂缝，形成高级封闭复合物。

封闭复合物通过一系列构象变化打开启动子DNA，形成开放复合物RPO。其具体过程还不十分清楚，现已发现有肝素敏感的早期中间体I1，其中启动子DNA为双链形式。它会缓慢转变为抗肝素的晚期中间体I2，其带有单链DNA泡（−11至+ 2）。I2最终转变为稳定的开放复合物。针对这一过程有不同模型。

封闭复合物向开放复合物的转变。J Mol Biol. 2019

形成稳定的开放复合物后，聚合酶开始进行RNA合成，但并非每次合成都能顺利进入延伸阶段。当RNAP合成9至11 nt长度的RNA后，如果RNAP能够与启动子脱离，就可以进入延伸阶段。如果RNAP不能与启动子脱离，就会释放短的RNA，还原为RPo并重新启动RNA合成，称为流产途径。生产和失败途径之间的平衡取决于启动子和初始转录序列。

参考文献：

1. Abhishek Mazumder, et al. Recent Advances in Understanding σ70-Dependent Transcription Initiation Mechanisms. J Mol Biol. 2019 Sep 20;431(20):3947-3959.

2. Emily F Ruff, et al. Initial events in bacterial transcription initiation. Biomolecules. 2015 May 27;5(2): 1035-62.

3. Joseph T Wade, et al. The transition from transcriptional initiation to elongation. Curr Opin Genet Dev. 2008 Apr;18(2):130-6.