生物化學(xué)與分子生物學(xué)/真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

醫(yī)學(xué)電子書(shū) >> 《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》 >> 基因表達(dá)調(diào)控 >> 真核基因表達(dá)調(diào)控 >> 真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

生物化學(xué)與分子生物學(xué)

基因表達(dá)調(diào)控 真核基因表達(dá)調(diào)控 真核基因組的復(fù)雜性 真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn) 真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

生物化學(xué)與分子生物學(xué)目錄

真核細(xì)胞的三種RNA聚合酶(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)中，只有RNA聚合酶Ⅱ能轉(zhuǎn)錄生成mRNA，以下主要討論RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

(一)順式作用組件(cisacting elements)

真核基因的順式調(diào)控組件是基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列。其中主要是起正性調(diào)控作用的順式作用組件，包括啟動(dòng)子(promoter)、增強(qiáng)子(enhancer)；近年又發(fā)現(xiàn)起負(fù)性調(diào)控作用的組件棗沉寂子(silencer)。

1.啟動(dòng)子　與原核啟動(dòng)子的含義相同，是指RNA聚合酶結(jié)合并起動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列。但真核同啟動(dòng)子間不像原核那樣有明顯共同一致的序列，而且單靠RNA聚合酶難以結(jié)合DNA而起動(dòng)轉(zhuǎn)錄，而是需要多種蛋白質(zhì)因子的相互協(xié)調(diào)作用，不同蛋白質(zhì)因子又能與不同DNA序列相互作用，不同基因轉(zhuǎn)錄起始及其調(diào)控所需的蛋白因子也不完全相同，因而不同啟動(dòng)子序列也很不相同，要比原核更復(fù)雜、序列也更長(zhǎng)。真核啟動(dòng)子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游約100－200bp序列，包含有若干具有獨(dú)立功能的DNA序列元件，每個(gè)元件約長(zhǎng)7－30bp。最常見(jiàn)的哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子中的元件序列見(jiàn)表19－1。

表19－1　哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子中常見(jiàn)的元件

元件名稱	共同序列	結(jié)合的蛋白因子
		名稱	分子量	結(jié)合DNA長(zhǎng)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

啟動(dòng)子中的元件可以分為兩種：

①核心啟動(dòng)子元件(core promoter element)　指RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游－25/－30bp處的TATA盒。核心元件單獨(dú)起作用時(shí)只能確定轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。

②上游啟動(dòng)子元件(upstream promoter element)　包括通常位于－70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)更遠(yuǎn)的上游元件。這些元件與相應(yīng)的蛋白因子結(jié)合能提高或改變轉(zhuǎn)錄效率。不同基因具有不同的上游啟動(dòng)子元件，其位置也不相同，這使得不同的基因表達(dá)分別有不同的調(diào)控。圖19-14以人金屬硫蛋白基因?yàn)槔樱f(shuō)明真核基因上游啟動(dòng)子元件的組織情況和各元件相應(yīng)結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子。

圖19－14　人金屬硫蛋白基因的調(diào)控區(qū)

2.增強(qiáng)子　是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件，最早是在SV40病毒中發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)約200bp的一段DNA，可使旁側(cè)的基因轉(zhuǎn)錄提高100倍，其后在多種真核生物，甚至在原核生物中都發(fā)現(xiàn)了增強(qiáng)子。增強(qiáng)子通常占100－200bp長(zhǎng)度，也和啟動(dòng)子一樣由若干組件構(gòu)成，基本核心組件常為8-12bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。增強(qiáng)子的作用有以下特點(diǎn)：

①增強(qiáng)子提高同一條DNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠(yuǎn)距離作用，通?？删嚯x1－4kb、個(gè)別情況下離開(kāi)所調(diào)控的基因30kb仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。

②增強(qiáng)子作用與其序列的正反方向無(wú)關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒就不能起作用，可見(jiàn)增強(qiáng)子與啟動(dòng)子是很不相同的。

③增強(qiáng)子要有啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用，沒(méi)有啟動(dòng)子存在，增強(qiáng)子不能表現(xiàn)活性。但增強(qiáng)子對(duì)動(dòng)子沒(méi)有嚴(yán)格的專一性，同一增強(qiáng)子可以影響不同類型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。例如當(dāng)含有增強(qiáng)子的病毒基因組整合入宿主細(xì)胞基因組時(shí)，能夠增強(qiáng)整合區(qū)附近宿主某些基因的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)增強(qiáng)子隨某些染色體段落移位時(shí)，也能提高移到的新位置周圍基因的轉(zhuǎn)錄。使某些癌基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)增強(qiáng)，可能是腫瘤發(fā)生的因素之一。

④增強(qiáng)子的作用機(jī)理雖然還不明確，但與其他順式調(diào)控元件一樣，必須與特定的蛋白質(zhì)因結(jié)合后才能發(fā)揮增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的作用。增強(qiáng)子一般具有組織或細(xì)胞特異性，許多增強(qiáng)子只在某些細(xì)胞或組織中表現(xiàn)活性，是由這些細(xì)胞或組織中具有的特異性蛋白質(zhì)因子所決定的。

3.沉寂子　最早在酵母中發(fā)現(xiàn)，以后在T淋巴細(xì)胞的T抗原受體基因的轉(zhuǎn)錄和重排中證實(shí)這種負(fù)調(diào)控順式元件的存在。目前對(duì)這種在基因轉(zhuǎn)錄降低或關(guān)閉中起作用的序列研究還不多，但從已有的例子看到：沉寂子的作用可不受序列方向的影響，也能遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用，并可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用。

(二)反式作用因子(transactingfactors)

以反式作用影響轉(zhuǎn)錄的因子可統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors, TF)。RNA聚合酶是一種反式作用于轉(zhuǎn)錄的蛋白因子。在真核細(xì)胞中RNA聚合酶通常不能單獨(dú)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用，而需要與其他轉(zhuǎn)錄因子共同協(xié)作。與RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子分別稱為TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ，對(duì)TFⅡ研究最多。表19-2列出真核基因轉(zhuǎn)錄需要基本的TFⅡ。

表19-2　RNA聚合酶Ⅱ的基本轉(zhuǎn)錄因子

轉(zhuǎn)錄因子	分子量（kD)	功能
TBP	30	與TATA盒結(jié)合
TFⅡ-B	33	介導(dǎo)RNA聚合酶Ⅱ的結(jié)合
TFⅡ-F	30,74	解旋酶
TFⅡ-E	34,37	ATP酶
TFⅡ-H	62,89	解旋酶
TFⅡ-A	12,19,35	穩(wěn)定TFⅡ-D的結(jié)合
TFⅡ-I	120	促進(jìn)TFⅡ-D的結(jié)合

以前認(rèn)為與TATA盒結(jié)合的蛋白因子是TFⅡ－D，后來(lái)發(fā)現(xiàn)TFⅡ－D實(shí)際包括兩類成分：與TATA盒結(jié)合的蛋白是TBP(TATAbox binding protein)，是唯一能識(shí)別TATA盒并與其結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，是三種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄時(shí)都需要的；其他稱為TBP相關(guān)因子(TBPassociated factors TAF)，至少包括8種能與TBP緊密結(jié)合的因子。轉(zhuǎn)錄前先是TFⅡ－D與TATA盒結(jié)合；繼而TFⅡ－B以其C端與TBP－DNA復(fù)合體結(jié)合，其N端則能與RNA聚合酶Ⅱ親和結(jié)合，接著由兩個(gè)亞基組成的TFⅡ－F加入裝配，TFⅡ－F能與RNA聚合酶形成復(fù)合體，還具有依賴于ATP供給能量的DNA解旋酶活性，能解開(kāi)前方的DNA雙螺旋，在轉(zhuǎn)錄鏈延伸中起作用。這樣，啟動(dòng)子序列就與TFⅡ－D、B、F及RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合形成一個(gè)“最低限度”能有轉(zhuǎn)錄功能基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物(preintitiationcomplex, PIC)，能轉(zhuǎn)錄mRNA。TFⅡ－H是多亞基蛋白復(fù)合體，具有依賴于ATP供給能量的DNA解旋酶活性，在轉(zhuǎn)錄鏈延伸中發(fā)揮作用；TFⅡ－E是兩個(gè)亞基組成的四聚體，不直接與DNA結(jié)合而可能是與TFⅡ－B聯(lián)系，能提高ATP酶的活性；TFⅡ－E和TFⅡ－H的加入就形成完整的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體(圖19?5)，能轉(zhuǎn)錄延伸生成長(zhǎng)鏈RNA，TFⅡ－A能穩(wěn)定TFⅡ－D與TATA盒的結(jié)合，提高轉(zhuǎn)錄效率，但不是轉(zhuǎn)錄復(fù)合體一定需要的。

圖19-15　RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成示意圖

以上所述是典型的啟動(dòng)子上轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成，但有的真核啟動(dòng)子不含TATA盒或不通過(guò)TATA盒開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。例如有的無(wú)TATA盒的啟動(dòng)子是靠TFⅡ－I和TFⅡ－D共同組成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體開(kāi)始轉(zhuǎn)錄的。由此可以看到真核轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)雜性。

不同基因由不同的上游啟動(dòng)子元件組成，能與不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，這些轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)與基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體作用而影響轉(zhuǎn)錄的效率?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有許多不同的轉(zhuǎn)錄因子，看到的現(xiàn)象是：同一DNA序列可被不同的蛋白因子所識(shí)別；能直接結(jié)合DNA序列的蛋白因子是少數(shù)，但不同的蛋白因子間可以相互作用，因而多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子是通過(guò)蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)間作用與DNA序列聯(lián)系并影響轉(zhuǎn)錄效率的(見(jiàn)圖19－16)。轉(zhuǎn)錄因子之間或轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合都會(huì)引起構(gòu)象的變化，從而影響轉(zhuǎn)錄的效率。

圖19-16　轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄復(fù)合體相互作用模式圖

圖19-16所示，作為蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄因子從功能上分析其結(jié)構(gòu)可包含有不同區(qū)域，①DNA結(jié)合域(DNa binding domain)，多由60－100個(gè)氨基酸殘基組織的幾個(gè)亞區(qū)組成；②轉(zhuǎn)錄激活域(activating domain)，常由30－100氨基酸殘基組成，這結(jié)構(gòu)域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同種類，以酸性結(jié)構(gòu)域最多見(jiàn)；③連接區(qū)，即連接上兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的部分。不與DNA直接結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子沒(méi)有DNA結(jié)合域，但能通過(guò)轉(zhuǎn)錄激活域直接或間接作用于轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而影響轉(zhuǎn)錄效率。

與DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子大多以二聚體形式起作用，與DNA結(jié)合的功能域常見(jiàn)有以下幾種：

圖19－17　HTH結(jié)構(gòu)及其與DNA的結(jié)合

①螺旋轉(zhuǎn)角螺旋(helixturnhelix, HTH)及螺旋-環(huán)-螺旋(helixloophelix,HLH)　這類結(jié)構(gòu)至少有兩個(gè)α螺旋，其間由短肽段形成的轉(zhuǎn)角或環(huán)連接，兩個(gè)這樣的motif結(jié)構(gòu)以二聚體形式相連，距離正好相當(dāng)于DNA一個(gè)螺距(3.4nm)，兩個(gè)α螺旋剛好分別嵌入DNA的深溝(圖19－17)。

圖19－18　蛋白質(zhì)的鋅指結(jié)構(gòu)

②鋅指(zinc finger)　其結(jié)構(gòu)如圖19－18所示，每個(gè)重復(fù)的“指”狀結(jié)構(gòu)約含23個(gè)氨基酸殘基，鋅以4個(gè)配價(jià)鍵與4個(gè)半胱氨酸、或2個(gè)半胱氨酸和2個(gè)組氨酸相結(jié)合。整個(gè)蛋白質(zhì)分子可有2?個(gè)這樣的鋅指重復(fù)單位。每一個(gè)單位可以其指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5個(gè)核苷酸。例如與GC盒結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子SP1中就有連續(xù)的3個(gè)鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)。

③堿性－亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper, bZIP)，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是蛋白質(zhì)分子的肽鏈上每隔6個(gè)氨基酸就有一個(gè)亮氨酸殘基，結(jié)果就導(dǎo)致這些亮氨酸殘基都在α螺旋的同一個(gè)方向出現(xiàn)。兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的兩排亮氨酸殘基就能以疏水鍵結(jié)合成二聚體，該二聚體的另一端的肽段富含堿性氨基酸殘基，借其正電荷與DNA雙螺旋鏈上帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)結(jié)合。若不形成二聚體則對(duì)DNA的親和結(jié)合力明顯降低。在肝臟、小腸上皮、脂肪細(xì)胞和某些腦細(xì)胞中有稱為C/EBP家族的一大類蛋白質(zhì)能夠與CAAT盒和病毒增強(qiáng)子結(jié)合，其特征就是能形成bZIP二聚體結(jié)構(gòu)。

圖19－19　堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)及其與DNA的結(jié)合

從上述可見(jiàn)：轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實(shí)質(zhì)在于蛋白質(zhì)與DNA、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，構(gòu)象的變化正是蛋白質(zhì)和核酸“活”的表現(xiàn)。但對(duì)生物大分子間的辨認(rèn)、相互作用、結(jié)構(gòu)上的變化及其在生命活動(dòng)中的意義，人們的認(rèn)識(shí)和研究還只在起步階段，其中許多內(nèi)容甚至重要的規(guī)律我們可能至今還一無(wú)所知，有待于努力探索。

真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn) | 基因表達(dá)調(diào)控提要

關(guān)于“生物化學(xué)與分子生物學(xué)/真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控”的留言：	訂閱討論RSS
目前暫無(wú)留言
添加留言

更多醫(yī)學(xué)百科條目