生物化学与分子生物学/真核基因转录水平的调控

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生物化学与分子生物学

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真核细胞的三种RNA聚合酶(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)中,只有RNA聚合酶Ⅱ能转录生成mRNA,以下主要讨论RNA聚合酶Ⅱ的转录调控。

(一)顺式作用组件(cisacting elements)

真核基因的顺式调控组件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列。其中主要是起正性调控作用的顺式作用组件,包括启动子(promoter)、增强子(enhancer);近年又发现起负性调控作用的组件枣沉寂子(silencer)。

1.启动子 与原核启动子的含义相同,是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列。但真核同启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列,而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录,而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用,不同蛋白质因子又能与不同DNA序列相互作用,不同基因转录起始及其调控所需的蛋白因子也不完全相同,因而不同启动子序列也很不相同,要比原核更复杂、序列也更长。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100-200bp序列,包含有若干具有独立功能的DNA序列元件,每个元件约长7-30bp。最常见的哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中的元件序列见表19-1。

表19-1 哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中常见的元件

元件名称 共同序列 结合的蛋白因子
名称 分子量 结合DNA长度
TATAbox TATAAAA TBP 30,000 ~10bp
GC box GGGCGG SP-1 105,000 ~20bp
CAA box GGCCAATCT CTF/NF1 60,000 ~22bp
Octamer ATTTGCAT Oct-1 76,000 ~10bp
Oct-2 53,000 ~20bp
kB GGGACTTTCC NFkB 44,000 ~10bp
ATF GTGACGT AFT  ? 20bp

启动子中的元件可以分为两种:

①核心启动子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列,包括转录起始点及其上游-25/-30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。

上游启动子元件(upstream promoter element) 包括通常位于-70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件,其位置也不相同,这使得不同的基因表达分别有不同的调控。图19-14以人金属硫蛋白基因为例子,说明真核基因上游启动子元件的组织情况和各元件相应结合的转录因子。

人金属硫蛋白基因的调控区


图19-14 人金属硫蛋白基因的调控区

2.增强子 是一种能够提高转录效率的顺式调控元件,最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA,可使旁侧的基因转录提高100倍,其后在多种真核生物,甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子通常占100-200bp长度,也和启动子一样由若干组件构成,基本核心组件常为8-12bp,可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点:

①增强子提高同一条DNA链上基因转录效率,可以远距离作用,通常可距离1-4kb、个别情况下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用,而且在基因的上游或下游都能起作用。

②增强子作用与其序列的正反方向无关,将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起作用,可见增强子与启动子是很不相同的。

③增强子要有启动子才能发挥作用,没有启动子存在,增强子不能表现活性。但增强子对动子没有严格的专一性,同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。例如当含有增强子的病毒基因组整合入宿主细胞基因组时,能够增强整合区附近宿主某些基因的转录;当增强子随某些染色体段落移位时,也能提高移到的新位置周围基因的转录。使某些癌基因转录表达增强,可能是肿瘤发生的因素之一。

④增强子的作用机理虽然还不明确,但与其他顺式调控元件一样,必须与特定的蛋白质因结合后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性,许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性,是由这些细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。

3.沉寂子 最早在酵母中发现,以后在T淋巴细胞的T抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控顺式元件的存在。目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多,但从已有的例子看到:沉寂子的作用可不受序列方向的影响,也能远距离发挥作用,并可对异源基因的表达起作用。

(二)反式作用因子(transactingfactors)

反式作用影响转录的因子可统称为转录因子(transcription factors, TF)。RNA聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。在真核细胞中RNA聚合酶通常不能单独发挥转录作用,而需要与其他转录因子共同协作。与RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相应的转录因子分别称为TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ,对TFⅡ研究最多。表19-2列出真核基因转录需要基本的TFⅡ。

表19-2 RNA聚合酶Ⅱ的基本转录因子

转录因子 分子量(kD) 功能
TBP 30 与TATA盒结合
TFⅡ-B 33 介导RNA聚合酶Ⅱ的结合
TFⅡ-F 30,74 解旋酶
TFⅡ-E 34,37 ATP
TFⅡ-H 62,89 解旋酶
TFⅡ-A 12,19,35 稳定TFⅡ-D的结合
TFⅡ-I 120 促进TFⅡ-D的结合

以前认为与TATA盒结合的蛋白因子是TFⅡ-D,后来发现TFⅡ-D实际包括两类成分:与TATA盒结合的蛋白是TBP(TATAbox binding protein),是唯一能识别TATA盒并与其结合的转录因子,是三种RNA聚合酶转录时都需要的;其他称为TBP相关因子(TBPassociated factors TAF),至少包括8种能与TBP紧密结合的因子。转录前先是TFⅡ-D与TATA盒结合;继而TFⅡ-B以其C端与TBP-DNA复合体结合,其N端则能与RNA聚合酶Ⅱ亲和结合,接着由两个亚基组成的TFⅡ-F加入装配,TFⅡ-F能与RNA聚合酶形成复合体,还具有依赖于ATP供给能量的DNA解旋酶活性,能解开前方的DNA双螺旋,在转录链延伸中起作用。这样,启动子序列就与TFⅡ-D、B、F及RNA聚合酶Ⅱ结合形成一个“最低限度”能有转录功能基础的转录前起始复合物(preintitiationcomplex, PIC),能转录mRNA。TFⅡ-H是多亚基蛋白复合体,具有依赖于ATP供给能量的DNA解旋酶活性,在转录链延伸中发挥作用;TFⅡ-E是两个亚基组成的四聚体,不直接与DNA结合而可能是与TFⅡ-B联系,能提高ATP酶的活性;TFⅡ-E和TFⅡ-H的加入就形成完整的转录复合体(图19?5),能转录延伸生成长链RNA,TFⅡ-A能稳定TFⅡ-D与TATA盒的结合,提高转录效率,但不是转录复合体一定需要的。

RNA聚合酶Ⅱ转录复合体的形成示意图


图19-15 RNA聚合酶Ⅱ转录复合体的形成示意图

以上所述是典型的启动子上转录复合体的形成,但有的真核启动子不含TATA盒或不通过TATA盒开始转录。例如有的无TATA盒的启动子是靠TFⅡ-I和TFⅡ-D共同组成稳定的转录起始复合体开始转录的。由此可以看到真核转录起始的复杂性。

不同基因由不同的上游启动子元件组成,能与不同的转录因子结合,这些转录因子通过与基础的转录复合体作用而影响转录的效率。现在已经发现有许多不同的转录因子,看到的现象是:同一DNA序列可被不同的蛋白因子所识别;能直接结合DNA序列的蛋白因子是少数,但不同的蛋白因子间可以相互作用,因而多数转录因子是通过蛋白质-蛋白质间作用与DNA序列联系并影响转录效率的(见图19-16)。转录因子之间或转录因子与DNA的结合都会引起构象的变化,从而影响转录的效率。

转录因子与转录复合体相互作用模式图


图19-16 转录因子与转录复合体相互作用模式图

图19-16所示,作为蛋白质的转录因子从功能上分析其结构可包含有不同区域,①DNA结合域(DNa binding domain),多由60-100个氨基酸残基组织的几个亚区组成;②转录激活域(activating domain),常由30-100氨基酸残基组成,这结构域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同种类,以酸性结构域最多见;③连接区,即连接上两个结构域的部分。不与DNA直接结合的转录因子没有DNA结合域,但能通过转录激活域直接或间接作用于转录复合体而影响转录效率。

与DNA结合的转录因子大多以二聚体形式起作用,与DNA结合的功能域常见有以下几种:

HTH结构及其与DNA的结合


图19-17 HTH结构及其与DNA的结合

①螺旋转角螺旋(helixturnhelix, HTH)及螺旋-环-螺旋(helixloophelix,HLH) 这类结构至少有两个α螺旋,其间由短肽段形成的转角或环连接,两个这样的motif结构以二聚体形式相连,距离正好相当于DNA一个螺距(3.4nm),两个α螺旋刚好分别嵌入DNA的深沟(图19-17)。

蛋白质的锌指结构


图19-18 蛋白质的锌指结构

②锌指(zinc finger) 其结构如图19-18所示,每个重复的“指”状结构约含23个氨基酸残基,锌以4个配价键与4个半胱氨酸、或2个半胱氨酸和2个组氨酸相结合。整个蛋白质分子可有2?个这样的锌指重复单位。每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟,接触5个核苷酸。例如与GC盒结合的转录因子SP1中就有连续的3个锌指重复结构。

③碱性-亮氨酸拉链(basic leucine zipper, bZIP),该结构的特点是蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基,结果就导致这些亮氨酸残基都在α螺旋的同一个方向出现。两个相同结构的两排亮氨酸残基就能以疏水键结合成二聚体,该二聚体的另一端的肽段富含碱性氨基酸残基,借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合。若不形成二聚体则对DNA的亲和结合力明显降低。在肝脏小肠上皮脂肪细胞和某些脑细胞中有称为C/EBP家族的一大类蛋白质能够与CAAT盒和病毒增强子结合,其特征就是能形成bZIP二聚体结构。

碱性亮氨酸拉链结构及其与DNA的结合


图19-19 碱性亮氨酸拉链结构及其与DNA的结合

从上述可见:转录调控的实质在于蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用,构象的变化正是蛋白质和核酸“活”的表现。但对生物大分子间的辨认、相互作用、结构上的变化及其在生命活动中的意义,人们的认识和研究还只在起步阶段,其中许多内容甚至重要的规律我们可能至今还一无所知,有待于努力探索。

32 真核基因表达调控的特点 | 基因表达调控提要 32
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