真核生物转录调控

TBP: TATA-binding protein TAFs: TBP-associated factors TFIID protects a region extending farther upstream TFIIA activates TBP by relieving the repression that is caused by the TAFs TFIIB binds adjacent to TBP and TATA box TFIIF consists of two subunits. The larger subunit has an ATP-dependent DNA helicase activity and the small one contacts the core polymerase. TFIIE and TFIIH are required for promoter clearance to allow RNA polymerase to commence movement away from the promoter.TFIID TFIIH has several activities, including an ATPase, a helicase, and a kinase activity that can phosphorylate the CTD tail of RNA polymerase II; it is also involved in repair of damage to DNA.Phosphorylation of the CTD by the kinase activity of TFIIH may be needed to release RNA polymerase to start transcription. 表 RNA聚 合 酶 的 基 本 转 录 因 子转录因子分子量(kD)功能TBP 30与TATA盒结合TF-B 33介导RNA聚合酶的结合TF-F 30,74解旋酶TF-E 34,37 ATP酶TF-H 62,89解旋酶 TF-A 12,19,35稳定TF-D的结合TF-I 120促进TF-D的结合 POL-TFFAB由RNA-Pol POL-TFFHETBP TAFTFD-A-B-DNA复合物TATAABTBP TAFTATAHE CTD- P 真 核 基 因 转 录 水 平 的 调 控真 核 细 胞 的 三 种 RNA聚 合 酶 （ 、 和 ）中 ， 只 有 RNA聚 合 酶 能 转 录 生 成 mRNA， 以 下 主要 讨 论 RNA聚 合 酶 的 转 录 调 控 。 1. 顺 式 作 用 元 件 (cis-acting elements)真 核 基 因 的 顺 式 调 控 元 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 调 控 作 用 的 顺 式 作 用 元 件 ， 包 括 启动 子 (promoter)、 增 强 子 (enhancer)； 近 年 又发 现 起 负 调 控 作 用 的 元 件 沉 默 子(silencer)。 1).启 动 子 (promoter)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 不 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 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 启 动 子 中 的 元 件 序 列 见 下表 。 表 哺 乳 类 RNA聚 合 酶 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 TATA box TATAAAA TBP 30,000 10bpGC box GGGCGG SP-1 105,000 20bpCAAT box GGCCAATCT CTF/NF1 60,000 22bp 启 动 子 中 的 元 件 可 以 分 为 两 种 : 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 elements) 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 件组 成 ， 其 位 置 也 不 相 同 ， 就 使 得 不 同 的 基 因 表达 分 别 有 不 同 的 调 控 。 2). 增 强 子 (enhancer) 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 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 ， 其 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 ： 增 强 子 提 高 同 一 条 DNA链 上 基 因 转 录 效 率 ，可 以 远 距 离 起 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 。 增 强 子 的 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 置 就 不 能 起 作 用 ， 可 见 增 强 子 与 启 动 子 是 很不 相 同 的 。 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 启 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 ， 可能 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 。 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 子 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 特 异 性 蛋 白 质 因 子 所 决 定 的 。 3). 沉 默 子 (silencer) 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 默 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 。 2 反式作用因子 1. 转录（调节）因子分类（按功能特性）* 基本转录因子(general transcription factors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。 * 特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。转录激活因子:增强子结合蛋白(EBP)转录抑制因子:沉默子结合蛋白 以 反 式 作 用 影 响 转 录 的 因 子 可 统 称 为 转 录因 子 （ transcription factors， TF） 。 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 、 、 相 应 的 转 录 因 子 分 别 称 为 TF 、TF 、 TF ， 对 TF 研 究 最 多 。 下 表 列 出 对 真核 基 因 转 录 需 要 基 本 的 TF 。 表 RNA聚 合 酶 的 基 本 转 录 因 子转录因子分子量(kD)功能TBP 30与TATA盒结合TF-B 33介导RNA聚合酶的结合TF-F 30,74解旋酶TF-E 34,37 ATP酶TF-H 62,89解旋酶 TF-A 12,19,35稳定TF-D的结合TF-I 120促进TF-D的结合 以 前 认 为 与 TATA盒 结 合 的 蛋 白 因 子 是 TF -D， 后 来 发 现 TF -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 TAF（ TBP-associated factors） ， 至 少 包 括 8种 能 与 TBP紧 密 结 合 的 因子 。 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 ： DNA结 合 域 （ DNA binding domain） ， 多 由 60-100个 氨 基 酸 残 基组 成 的 几 个 亚 区 组 成 ； 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 ； 连 接 区 ，即 连 接 上 两 个 结 构 域 的 部 分 。 转录（调节）因子结构DNA结合域转录激活域TF蛋白质-蛋白质结合域（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域酸性激活域脯氨酸富含域 DNA结合域特点：核心为DNA结合基序，有称模序（motify)模序（motify)：位于蛋白质分子中具有二级结构的肽段，在空间上彼此接近，形成具有特殊功能的空间结构，能与能识别双螺旋DNA碱基序列 模序的几种结构类型：螺旋转角螺旋锌指亮氨酸拉链螺旋环螺旋 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 结 构 常 见 有 以 几 种 ： 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 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 螺 旋 刚 好 分 别 嵌 入 DNA的 深 沟 。 螺旋-转角-螺旋模体 螺旋-环螺-旋模体与DNA的结合 锌 指 （ zinc finger） 其 结 构 如 下 图 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 2-9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 。 图 蛋白质的锌指结构 碱 性 -亮 氨 酸 拉 链 （ basic leucine zipper， bZIP） 这 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 螺 旋 的 同 一 个方 向 出 现 。 两 个 相 同 的 结 构 的 两 排 亮 氨 酸 残 基就 能 以 疏 水 键 结 合 成 二 聚 体 ， 这 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 。 亮氨酸拉链结合DNA 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 。 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 。