如果DNA是一本书，那么它是如何被阅读的?这需要两项技能转录而且翻译．在本文中，您将了解更多关于转录过程的知识，即DNA转化为RNA，这是一组更便于携带的细胞指令。
本文涵盖了
转录概述
转录是将DNA片段复制成RNA的过程。这个副本叫做信使核糖核酸（信使核糖核酸)分子。该mRNA将从细胞核运输到细胞质中的核糖体，在那里mRNA指导蛋白质的合成。
[在这张图中]转录概述。
在这张图中，你可以看到一段解开的DNA和RNA聚合酶一起进行转录:从DNA模板中生成RNA转录本。
图片来源:国家卫生研究院
基因表达
基因包含了构建细胞所需蛋白质的信息。我们的基因在DNA中被写成核苷酸碱基对(A, T, G, C)。基因要发挥其功能，就必须读出遗传信息来构建蛋白质。这个过程叫做基因表达．
有两个步骤从基因中制造蛋白质:
首先，在细胞核内转录以按摩rna (mRNAs)的形式复制特定基因。基因DNA序列的RNA副本也被称为转录本，它携带了构建蛋白质所需的信息。
其次，这些mrna被输出到细胞核外的细胞质中，供核糖体制造蛋白质。由于RNA和蛋白质的语言非常不同，核糖体必须解码遗传信息。因此，我们称之为这一步翻译．
[在这幅图中]生物学的中心法则解释了生物系统中遗传信息的流动。
通常被表述为“DNA生成RNA, RNA生成蛋白质”，简言之，就是“DNA→RNA→蛋白质”。转录负责从DNA到RNA的第一步。翻译是从RNA合成蛋白质的第二个过程。
“转录”是什么意思?
转录是一个信息被重写的过程。例如，你在课堂上做了草稿笔记，然后把它们整齐地重写在笔记本上，以帮助你复习。或者你的朋友在你的语音信箱里留言，你不得不在纸上重新写下来。如果你在重写或“抄写”关键信息(如电话号码、地址、下次考试日期等)时犯了错误，那就不好了。
在生物学中，转录是将基因信息从DNA序列改写为RNA形式的过程。你可以想象，我们的基因组是一个巨大的图书馆，将我们所有的遗传信息安全地存储在细胞核内。有一天，我们的细胞想要制造更多的血红蛋白;它去图书馆，找到血红蛋白蓝图书，并复制了一份。现在，我们的细胞可以将这个便携式拷贝，而不是整个库，发送到细胞质中的核糖体。最后，核糖体读取指令并制造所需的血红蛋白。
【图中】血红蛋白如何排序?
(1)进入细胞核内的全基因组文库。(2)找到《制作血红蛋白终极指南》。(3)找到血红蛋白编码序列的页码。(4)复制一份说明书。记住把字母“T”改成“U”。(5)将拷贝发送到细胞质中的核糖体。(6)核糖体读取编码并相应地产生血红蛋白。
为了维持我们的日常生活，我们的细胞必须每周7天，每天24小时重复这个过程(基因表达)。转录对我们的细胞和身体的整体健康至关重要;因此，它必须做到100%无错误!让我们来看看我们的细胞是如何每天不犯错误地转录成千上万个DNA-RNA字母的。
DNA的语言- A T G C
DNA和RNA都是长链分子核苷酸．每个核苷酸由三种成分组成:含氮碱基、五碳糖和磷酸基。含氮碱不是嘌呤就是嘧啶。五碳糖是核糖(在RNA中)或脱氧核糖(在DNA中)分子。
[在这张图中]核苷酸的化学结构
图片来源:自然
DNA字母表只包含四个字母，这是四个含氮碱基的选项:腺嘌呤(A)，胸腺嘧啶(T)，胞嘧啶(C),鸟嘌呤(G)．每个碱基只能和另一个碱基成键，A和T, C和g，这叫做DNA互补碱基配对规则．根据这个规则，两条互补的DNA链配对在一起，形成双链DNA螺旋。
[在这幅图中]DNA互补碱基配对形成DNA双链螺旋结构。
两个氢键连接T和A;3个氢键连接G和c。糖-磷酸盐骨架(灰色)彼此反平行，因此两条DNA链是对齐的。
图片来源:自然
DNA链的方向性
如上图所示，DNA或RNA链的两端是不同的。也就是说，读取DNA或RNA链的方向性。
在5 '端在链中，链中第一个核苷酸的磷酸基突出。磷酸基连在糖环的5 '碳上，这就是为什么它被称为5 '端。
在3 '末端时，加入链的最后一个核苷酸的羟基暴露在另一端。羟基连接在糖环的3 '碳上，这就是为什么它被称为3 '端。
许多过程，如DNA复制和转录，只能在一个特定的方向上发生，从5 '端到3 '端。
RNA的语言- A, U, G, C
将DNA转录成信使rna，规则是一样的。唯一的区别是尿嘧啶(U)G↔C, A→U和T→A，在我们的细胞中，转录是由一种叫做胸腺嘧啶的酶来完成的RNA聚合酶它可以从DNA模板合成信使rna。
[在这张图中]DNA和RNA的氮基选择。
图片来源:维基
练习DNA到RNA的转录
通过了解DNA- rna互补碱基配对规则，您可以仅根据碱基对序列确定与单个DNA链的互补链。例如，假设你知道一条DNA链的序列如下:
DNA(编码链):5 ' -TTG ACG ACA AGC TGT TTC-3 '
使用互补碱基配对规则，你可以得出互补链是:
DNA(模板链):3 ' -AAC TGC TGT TCG ACA AAG-5 '
RNA链也是互补的，除了RNA使用U而不是t。因此，你也可以推断出将由第一条DNA链产生的mRNA链。它将是:
mRNA: 5 ' -UUG ACG ACA AGC UGU UUC-3 '
然后，这个mRNA分子将通过一个非常复杂的“遗传密码子”规则被翻译成核糖体中的蛋白质。要了解这一部分，请访问我们的文章“如何阅读氨基酸密码子图?”-遗传密码和mRNA翻译。”
什么样的RNA可以被转录(产生)?
当谈到RNA和转录时，我们通常指信使RNA (mRNA)．mRNA是从蛋白质编码基因转录而来，随后被翻译成蛋白质。但是还有一整套其他的rna被转录，比如转移RNA (tRNA)而且核糖体RNA (rRNA)它们在细胞中有不同的功能。
[在这张图片中]RNA分子的类型。
转录产生的rna在功能上要么用于蛋白质编码(mRNA)，要么用于非编码(所谓的“编码”)。RNA的基因”)。至少存在六种功能类型的RNA基因:
1.转运RNA (tRNA)在翻译过程中，tRNAs将特定的氨基酸转移到核糖体中生长的多肽链上，用于蛋白质合成。
2.核糖体RNA (rRNA)- rrna和核糖体蛋白组装成核糖体。
3.小核RNA (snRNA)- snrna有助于细胞核中前信使rna的剪接。
4.微RNA (miRNA)- miRNAs可以调节基因活性。一些miRNAs与mrna结合并阻止翻译。科学家利用同样的原理合成小干扰RNA (siRNA)，可以用作药物。
5.催化RNA(核糖酶)-核糖酶是RNA分子，但具有酶活性。
6.长链非编码rna (lncRNA)- lncrna是超过200个核苷酸的RNA转录物，不翻译成任何蛋白质。lncRNA被发现调节基因功能。然而，其实际机制尚不清楚。
注:不同类型的RNA由不同的RNA聚合酶转录。我们将在下一节中讨论这个主题。
RNA聚合酶
RNA聚合酶是一种在转录过程中负责将DNA序列复制成RNA序列的酶。
RNA聚合酶以单链DNA为模板合成互补的RNA链。RNA聚合酶通过一个接一个地添加新的核苷酸单位来构建RNA链。例如，如果DNA模板中有一个“G”，RNA聚合酶就会在新的、正在生长的RNA链上加上一个“C”。此外，新的RNA链沿5 '到3 '的方向延伸。RNA聚合酶在RNA链的3 '端添加新的核苷酸。
[在这张图中]RNA聚合酶的作用。
根据DNA模板中的“G”，RNA聚合酶在RNA链的3 '端添加了一个“C”。
图片来源:可汗学院
[在这张图中]2006年诺贝尔化学奖授予Roger D. Kornberg，以表彰他对RNA聚合酶作用的理解。
图片来源:诺贝尔奖
[在这张图中]工作中的RNA聚合酶结构模型:RNA聚合酶(绿色)解开DNA双螺旋(蓝色)，并使用一条链作为模板，创建单链信使RNA(红色)。镁离子(黄色)位于酶活性位点。
图片来源:维基
RNA聚合酶是生命所必需的，存在于所有生物和许多病毒中。然而，RNA聚合酶的数量和组成因结构域而异。例如，细菌含有单一类型的RNA聚合酶，而真核生物有三种不同的类型:
1.RNA聚合酶I合成核糖体RNA(但不包括5S rRNA, 5S rRNA由RNA聚合酶III合成)。
2.RNA聚合酶II合成信使RNA和大多数小RNA和微RNA的前体。
3.RNA聚合酶III合成trna, rRNA 5S和其他在细胞核和细胞质中发现的小RNA。
叶绿体和线粒体也有自己独特的RNA聚合酶。然而，叶绿体和线粒体RNA聚合酶由一个单一的蛋白质单位组成。相反，所有其他RNA聚合酶都是含有多个亚基的蛋白质复合体。
尽管存在这些差异，但所有生命中的转录过程都有惊人的相似之处，共享相似的核心结构和机制。
转录阶段
基因的转录经历三个阶段:起始、延伸和终止。在这里，我们将简要地了解这些步骤是如何发生的。
初始化
在每个基因的开头附近，都有一个DNA序列的区域，叫做启动子．RNA聚合酶必须找到启动子并与之结合以启动转录。许多其他蛋白质，如转录因子和DNA序列(如增强子或抑制子)也将参与决定RNA聚合酶是否能与特定的启动子结合。一旦结合，RNA聚合酶解开DNA螺旋，提供转录所需的单链模板。
[在这幅图中]转录起始。
对于大多数真核生物基因，它们的启动子区域出现在转录区之前(并与转录区略有重叠)。启动子区域包含RNA聚合酶或其辅助蛋白的识别位点。DNA在启动子区域打开，这样RNA聚合酶就可以开始转录。
图片来源:可汗学院
伸长
一旦DNA螺旋被打开，RNA聚合酶就开始一次一个碱基地“读取”DNA模板链。它沿着3 '到5 '的方向沿着模板链向前移动，在移动过程中打开DNA双螺旋。
与此同时，RNA聚合酶用互补的核苷酸构建RNA分子，形成一条从5 '端到3 '端的链。合成的RNA转录本只与模板链结合一小段时间，然后作为悬垂的绳子离开聚合酶，使DNA重新闭合并形成双螺旋。
结果，RNA转录本复制了与非模板(编码)DNA链相同的信息，但它包含的碱基尿嘧啶(U)而不是胸腺嘧啶(T)。
[在这张图中]转录延伸。
RNA聚合酶合成与DNA模板链在5 '到3 '方向互补的RNA转录本。随着转录的进行，打开的DNA-RNA-RNA聚合酶复合物的“气泡”向前移动。
图片来源:可汗学院
终止
RNA聚合酶继续读取和转录DNA模板链，直到它到达被称为结束符．终止子表示RNA转录本完成，并导致RNA转录本从RNA聚合酶中释放。RNA聚合酶也会闭合DNA螺旋并与DNA分子分离。
[在此图像中]转录终止。
结束转录的过程被称为终止，它发生在聚合酶转录一段被称为终止子的DNA序列之后。细菌的终止与真核细胞的终止略有不同。这张图显示了一个RNA发夹作为细菌的终止信号。在像人类这样的真核生物中，转录终止发生在RNA转录中出现多聚腺苷酸信号时。
图片来源:可汗学院
转录后的真核RNA修饰
在原核细胞中，RNA转录物可以立即充当信使RNA (mRNAs)。然而，在真核细胞中，通过转录产生的RNA转录物只有pre-mRNAs．这些pre- mrna必须经过额外的处理才能用于翻译。
真核细胞和原核细胞基因表达的差异。
在真核细胞中，mrna在细胞核内被转录和加工。在原核细胞中，转录和翻译在细胞质中同时发生。
图片来源:可汗学院
真核细胞前信使rna加工包括:
一个5 '帽被添加到RNA转录本的开始，一个3 ' poly-A尾巴被添加到最后。
[在此图像中]具有5 '帽和3 ' poly-A尾巴的pre-mRNA示意图。
5 '帽位于pre-mRNA的5 '端，是一个修饰过的G核苷酸。poly-A尾巴位于pre-mRNA的3 '端，由一长串a核苷酸组成(只显示了其中的几个)。
图片来源:可汗学院
5 '帽
在转录过程中，5 '帽被添加到转录本的第一个核苷酸上。帽是一种修饰过的鸟嘌呤(G)核苷酸，它可以保护转录本不被分解。它还帮助核糖体附着在mRNA上并开始翻译。
Poly A尾巴
poly-A(聚腺苷酸化)尾巴在转录后立即添加到pre-RNA转录本的3 '端。poly-A尾巴使RNA转录更加稳定，并帮助它从细胞核输出到细胞质。每条尾巴上的腺嘌呤(A)核苷酸的数量可能多达100-200个。
拼接
许多真核前mrna经历拼接．在剪接过程中，RNA转录本的某些部分(称为RNA内含子)被切掉，剩下的部分(称为外显子)被拼凑在一起。
真核生物的基因不像原核生物的那样紧密。
在蛋白质编码片段或外显子之间有非编码的“内含子”。pre-mRNA仍然包含外显子和内含子。在剪接过程中，内含子从pre-mRNA中去除，外显子拼接在一起形成成熟的mRNA。
图片来源:可汗学院
一些基因有多种剪接方式可变剪接)．就像玩乐高积木一样，选择性剪接从相同的初始转录本中产生不同的成熟mRNA分子(通过组装不同的外显子)。因此，一个基因可能产生几种不同版本的蛋白质。
[在此图像中]一个替代拼接的例子。
这个基因包含五个外显子。根据剪接位点的选择，一个基因可以产生三个版本的蛋白质。蛋白质A包含所有5个外显子。蛋白B剪接外显子3，蛋白C剪接外显子4。
图片来源:维基
经过这些转录后修饰，pre-RNA变成成熟的信使RNA (mRNA)。末端修饰增加了mRNA的稳定性，而剪接则使mRNA具有正确的序列。如果内含子没有被正确移除，它们将与外显子一起被翻译，产生“突变”蛋白质。一些遗传疾病可能是剪接错误的结果。例如，导致β-珠蛋白mRNA不正确剪接的突变是导致某些病例的原因β地中海贫血．
[在这张图中]1993年，理查德·j·罗伯茨和菲利普·艾伦·夏普因发现“分裂基因”而获得诺贝尔生理学或医学奖。他们还发现，mRNA的剪接可以以不同的方式发生，这为发生突变提供了可能性。
图片来源:诺贝尔奖
个体基因的调节
并不是所有的基因都一直在转录。相反，每个基因的转录在空间上(在不同的细胞中)和暂时(在不同的时间)受到控制。例如，一些生长激素只在我们年轻时才会分泌。只有当我们的身体感觉到病原体入侵时，才会产生一些可以唤醒我们免疫系统的蛋白质。细胞小心地调节转录，只转录在特定时刻需要产物的基因。
图中显示了一个假想的细胞在给定时刻的rna。
在这个细胞中，基因1、2和3被转录，而基因4没有。此外，基因1、2和3的转录水平不同，这意味着每个基因的RNA分子数量不同。
图片来源:可汗学院
就像在河流上游筑坝一样，我们的细胞在转录开始时控制基因表达。调控转录的方法有很多:
1.一些基因转录的开始需要辅助蛋白的结合，称为转录因子，连同RNA聚合酶，转移到它们的启动子。
2.一些很少使用的基因的启动子被抑制蛋白覆盖或隐藏在折叠的染色体中，这使得这些基因无法被转录。开云体育电脑官网这叫做表观遗传监管。
3.有些基因受其信使rna稳定性的调控。有些mRNA的半衰期很短，甚至在翻译发生之前就已经分解了。只有当刺激启动并使mRNA稳定时，这些基因才能发挥作用。
细菌转录
在这篇文章中，我们主要讨论真核细胞的转录。原核生物以非常相似的方式产生RNA。然而，原核生物和真核生物的基因表达存在一些差异。
在细菌中，所有的转录都是由单一类型的RNA聚合酶完成的。因为细菌没有细胞核，它们的转录和翻译可以同时发生在细胞质中。
[在图中]细菌转录和翻译同时发生，形成“多体”。
一些细菌基因聚集在一起，在同一个启动子的控制下。这组共同调节的基因被称为操纵子．操纵子允许其所有基因同时打开或关闭，这有利于细菌快速适应环境的变化。编码来自一个操纵子的几个基因的细菌mRNA被称为多顺反子mRNA。
[在图中]真核生物与细菌基因排列的比较。
每个真核生物基因都在自己的启动子下被独立控制。一些细菌基因聚集在一起形成一个操纵子，并受同一启动子的控制。
原核生物和真核生物基因表达的差异
| 细菌基因表达 | 真核基因表达 |
| 转录和翻译在细胞质中同时发生。 | 转录发生在细胞核内，翻译发生在细胞质内。 |
| 只有一种RNA聚合酶。 | 有三种RNA聚合酶。 |
| 几个功能相关的基因出现在一个操纵子中。 | 个体基因是单独调控的。 |
| 没有内含子打断基因。 | 真核基因分为内含子和外显子。 |
| 不包括转录后修饰 | 包括转录后修饰(5 '帽、poly-A尾和剪接) |
总结
1.转录复制基因的DNA序列来制造RNA分子。转录是基因表达的第一步。
2.转录是在细胞核中由一种叫做RNA聚合酶．RNA聚合酶使用DNA链作为模板来复制RNA。
3.转录可分为三个阶段:(1)起始，(2)延伸，(3)终止。
4.转录从基因的启动子区开始。转录起始涉及多个蛋白质的合作，包括转录因子而且RNA聚合酶．
5.在真核生物中，RNA分子必须在转录后进行加工——它们被剪接并在末端添加5 '帽和poly-A尾。
6.转录后，信使RNA (mRNA)分子将从细胞核运输到细胞质中的核糖体，在那里mRNA指导蛋白质的合成。
7.在你的基因组中，每个基因的转录是被单独控制的。不同基因的时空控制表达塑造了我们细胞的行为。
