93真核基因表达调控

第七讲真核基因表达调控真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。转录水平调控（transcriptionalregulation）；转录后水平调控（posttranscriptionalregulation）；翻译水平调控（translationalregulation）；蛋白质加工水平的调控（regulationofproteinmaturation）等。研究基因调控主要应回答3个问题：①什么是诱发基因转录的信号？②基因调控主要是在哪一步（模板DNA的转录、mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？③不同水平基因调控的分子机制是什么？一、真核基因组的一般构造特点①在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。②真核细胞DNA都与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分DNA是裸露的。③高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。④真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。⑤在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5'上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑RNA聚合酶与它的结合。⑥真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。⑦许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程（maturationandsplicing），才能顺利地翻译成蛋白质。二、真核基因的启动子启动子是一段特定的直接与RNA聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的DNA序列。不同的启动子对RNA聚合酶的亲和力不同，所结合的反式作用因子（trans-actingfactors）也不同，因此，基因转录活性也很不相同。Ⅰ.典型的原核启动子有四大要素:转录起始位点，-10区，-35区和-10区与-35区之间的间隔。原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为CAT（A为起始位点）。-10区是一个6碱基保守序列（常以-10为中心）。T80A95t45A60A50T96，有助于DNA的解链。-35区是另一个6碱基保守序列（常以-35为中心）。T82T84G78A65C54a45研究表明，当-10区和-35区中心位置相距16-18bp时，该启动子的功能较强；相距较近或较远时，起始转录的功能都相应减弱。Ⅱ.真核基因启动子真核生物有3类RNA聚合酶，负责转录3类不同的启动子。由RNA聚合酶I负责转录的rRNA基因，启动子（I类）比较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。第一部分是核心启动子（corepromoter），由-45—+20位核苷酸组成，单独存在时就足以起始转录。另一部分由-170—-107位序列组成，称为上游调控元件，能有效地增强转录效率。由RNA聚合酶Ⅲ负责转录的是5SrRNA、tRNA和某些核内小分子RNA（snRNA），其启动子（Ⅲ类）组成较复杂，又可被分为三个亚类。两类5SrRNA和tRNA基因的启动子是内部启动子（internalpromoter），位于转录起始位点的下游，都由两部分组成。第三类启动子由三个部分组成，位于转录起始位点上游。由RNA聚合酶II负责转录的II类基因包括所有蛋白质编码基因和部分snRNA基因，后者的启动子结构与III类基因启动子中的第三种类型相似，编码蛋白质的II类基因启动子在结构上有共同的保守序列。转录起始位点没有广泛的序列同源性，但第一个碱基为腺嘌呤，而两侧是嘧啶碱基。这个区域被称为起始子（initiator，Inr），序列可表示为Py2CAPy5。Inr元件位于-3—+5。仅由Inr元件组成的启动子是具有可被RNA聚合酶II识别的最简单启动子形式。多数II类启动子有一个被称为TATA盒的共有序列，通常处于-30区，相对于转录起始位点的位置比较固定。TATA盒存在于所有真核生物中，TATA盒是一个保守的七碱基对，其序列为：也有一些II类启动子不含有TATA盒，这样的启动子称为无TATA盒启动子。三、增强子及其对转录的影响增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。作为基因表达的重要调节元件，增强子通常具有下列性质：1、增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍。经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白基因表达频率比该基因正常转录高600-1000倍!2、增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（5'→3'或3'→5'），甚至和基因相距3kp，或在基因下游，均表现出增强效应；3、大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），是产生增强效应时所必需的；4、增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明只有特定的蛋白质（转录因子）参与才能发挥其功能；5、没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；6、许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。增强子的作用原理是什么呢？一种观点认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点。第二种认为，增强子能改变染色质的构象。因为增强子区域容易发生从B-DNA到Z-DNA的构象变化。增强子的功能是可以累加的。SV40增强子序列可以被分为两半，每一半序列本身作为增强子功能很弱，但合在一起，即使其中间插入一些别的序列，仍然是一个有效的增强子。因此，要使一个增强子失活必须在多个位点上造成突变。对SV40增强子而言，没有任何单个的突变可以使其活力降低10倍。四、反式作用因子对转录的影响真核生物启动子和增强子是由若干可以区分的DNA序列组成的，由于它们和特定的功能基因连锁在一起，因此称为顺式作用元件。真核生物转录调控大多是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用而实现的，下面介绍的是与顺式作用成分专一性结合的一些转录因子。一般认为，如果某个蛋白是体外转录系统中起始RNA合成所必需的，它就是转录复合体的一部分。根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整个复合体分为3部分：①参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基，不具有基因特异性。②与转录的起始或终止有关的辅助因子，也不具有基因特异性。③与特异调控序列结合的转录因子。它们中有些被认为是转录复合体的一部分，因为所有或大部分基因的启动子区含有这一特异序列，如TATA区和TFIID，更多的则是基因或启动子特异性结合调控蛋白，它们是起始某个（类）基因转录所必需的。1．DNA结合结构域基序a.Helix-turn-helix（螺旋-转角-螺旋）。是最早发现于原核生物中的一个关键因子，该结构域长约20个aa，主要是两个α-螺旋区和将其隔开的β转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸。b.Zincfinger（锌指）。长约30个aa，其中4个氨基酸（Cys或2个Cys，两个His）与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较稳定。c.Homeodomain（同源域），最早来自控制躯体发育的基因，长约60个氨基酸，其中的DNA结合区与helix-turn-helixmotif相似，人们把该DNA序列称为homeobox。主要与DNA大沟相结合。d.Leucinezippers（亮氨酸拉链）是亲脂性（amphipathic）的α螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）组成DNA结合区。e.碱性螺旋--环--螺旋（basichelix-loop-helix）该调控区长约50个aa残基，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成两个亲脂性α-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。2.DNA结合蛋白主要转录激活结构域转录激活结构域（transcriptionactivationdomains）一般由20-100个氨基酸残基组成。如GAL4分子中有2个这种结构域，分别位于多肽链的第147-196位和第768-881位；GCN4的转录激活结构域位于多肽链的第106-125位。a.酸性α-螺旋(acidicα-helix)该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性α-螺旋，包含这种结构域的转录因子有GAL4、GCN4、糖皮质激素受体和AP-1/Jun等。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。可能是通过非特异性的相互作用与转录起始复合物上的TFIID等因子结合生成稳定的转录复合物而促进转录。b.谷氨酰胺丰富区(glutamine-richdomain)SP1的N末端含有2个主要的转录激活区，氨基酸组成中有25%的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和SRF也含有这种结构域。C.脯氨酸丰富区(proline-richdomain)CTF家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的C末端与其转录激活功能有关，含有20%-30%的脯氨酸残基。3.与已知DNA序列相结合的反式作用因子a.CAAT盒激活因子CTF（CAATboxtranscriptionfactor）家族是能识别CAAT盒的一组转录因子。这一组因子是由单个基因通过可变换的剪接而形成的一组mRNA产生的。CTF家族成员对各种CAAT盒有相同的亲和力。另一组CAAT区结合蛋白被称为CP，它们是从人的HeLa细胞中得到的。CP1具有对α-球蛋白和腺病毒晚期基因启动子CAAT区的高亲和力，CP2具有对γ-血纤蛋白原基因启动子CAAT区的高亲和力，而CP3能与腺病毒DNA相结合。CP族蛋白主要以异源多聚体的形式存在。除了CTF和CP族蛋白能与CAAT区结合外，科学家还从小鼠肝细胞里发现两个CAAT区结合蛋白。CBP对序列GCAAT有较强的亲和力，而ACF则对卵清蛋白基因启动子区的CCAAT有高亲和力。因此，在启动区发现某个保守序列，并不等于同一个蛋白因子参与了该基因的调控。对9个哺乳动物类β-球蛋白基因和1个人α-球蛋白基因5'调控区的研究发现，几乎每个基因都具有CCAAT（-80位左右）区和TATA（-30左右）区。b.TATA区结合蛋白RNA聚合酶II需要与其他转录因子结合，才能顺利起始转录。通常把辅助因子需要量最小的启动子称为一般性启动子（genericpromoter），具有组成型表达特性，这些启动子上游调控区及所需转录因子在绝大多数甚至全部基因中都是高度保守的。TBP结合于DNA的小沟。TBP与DNA的结合在体外实验中保护了大约一圈双螺旋DNA免受核酸酶的降解，其覆盖的位置处于-37～-25。TAFs的加入延伸了对DNA的覆盖，整个TFIID复合物可覆盖-45～-10区域。C.GC区结合因子GC区结合蛋白SP1是1.0x105的单体，能与DNA链上包括GGGCGG在内约20bp的