基因组学-第5章-转录起始复合物的组装

Genomes第五章转录起始复合物的组装GenomesGenomes第一节DNA结合蛋白及其结合位点GenomesDNA结合蛋白的结构特征转录因子的三个结构组成部分1）DNA结合结构域（分类依据）2）连接域3）转录活化结构域GenomesDNA结合结构域常见类型•螺旋-转角-螺旋基序(helix-turn-helixmotif,HTH,图A)•锌指基序(zincfingermotif,图B,)•亮氨酸拉链基序(Leucinezippermotif，图C)•螺旋-环-螺旋基序(heliex-loop-helixmotif,图D)Genomes螺旋-转角-螺旋（Helix-turn-helix,HTH）基序•两段螺旋被一短的转角结构分开，其中一段螺旋为DNA识别螺旋。•同源异形结构域(Homeodomain，由同源异形盒编码)中含有HTH基序。具有Homeodomain的转录调控蛋白在胚胎发育和正常细胞分化的基因表达调节中有重要作用。Genomes锌指(Zincfinger)基序•由肽链的保守序列中的一对组氨酸加一对半胱氨酸(His2／Cys2)或2对半胱氨酸(cys2／cys2)与一个锌离子形成配位键，这些氨基酸对之间的多肤链成环状突出并折迭成指形结构，多个指结构常串联重复。•锌指族转录因子以二聚体形式同DNA上的顺式调控元件结合。•含锌指基序的转录因子：与GC盒结合的SPl、类固醇激素受体家族，抑癌蛋白WT1等。Genomes亮氨酸拉链(Leucine-Zipper)基序•由一段每隔6个aa就有一个Leu的伸展肽链组成，这些周期性出现的Leu都位于α—螺旋的同—侧面，因此两条均含Leu拉链基序的蛋白质通过亮氨酸侧链的相互作用形成二聚体。•具有亮氨酸拉链基序的转录因子：原癌基因C-Jun/C-fos(APl家族)Genomes螺旋-环-螺旋(Helix-loop-Helix，HLHt)基序•由2个α螺旋间隔一个非螺旋的环(loop)组成．如原癌基因产物C-myc及其结合蛋白Max．•含HLH和Leu-拉链基序的转录因子的相似性：①均至少含有一个α螺旋，其中都有一侧亲水面和一侧疏水面，因此这两种基序又称为两亲α—螺旋基序．②两类转录因子均依靠α螺旋氨基端附近的碱性区（带正电荷aa区）与DNA结合，因此又分别称为bzip和bHLH（b=basic，碱性)③两类转录因子活性都依赖于二聚体化Genomes凝胶阻滞分析Genomes凝胶阻滞实验可鉴定出与蛋白质结合的DNA片段Genomes第二节转录起始中DNA与蛋白质相互作用GenomesDNA-蛋白质相互作用是转录调控的方式•DNA:顺式调控元件(cis-regulatingelement),是指对基因表达有调控活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处于一个DNA分子上的基因．•蛋白质：反式作用因子(trans-actingfactor)是通过识别和结合顺式调控元件的核心序列而调控靶基因转录效率的一组蛋白质．GenomesDNA-蛋白质相互作用Genomes顺式调控元件•启动子(promoter)•增强子(enhancer)•负调控元件—沉默子(silencer)•绝缘子•其它顺式调控元件：1）应答元件(responsiveelements)真核细胞中对某些特定的环境作出应答的基因，常具有相同的顺式元件—应答元件．应答元件能被在一些特定情况下表达的调控因子识别(又称为可诱导的顺式调控元件／反式作用因子)。2）转座元件GenomesRNA聚合酶与启动子的结合方式直接结合，细菌通过DNA结合蛋白间接结合，真核生物Genomes细菌RNA聚合酶结合于启动子序列•细菌中RNA聚合酶结合的靶序列叫做启动子。大肠杆菌乳糖操纵子的启动子Genomes真核细胞启动子更加复杂•真核生物中，启动子一词用于指所有对基因转录起始有重要作用的序列。•这些序列可能有多个，各具有不同的功能，不仅包括作为起始复合物组装位点的核心启动子（有时也叫做基本启动子），还包括一个或多个位于核心启动子上游的上游启动子元件。Genomes转录起始事件•RNA聚合酶结合核心启动子•封闭的启动子复合物转换为开放的启动子复合物•RNA合成的起始•启动子清除：聚合酶向启动子下游移动Genomes第三节细菌转录起始调控Genomes细菌的转录起始调控转录起始1）组成型控制：依赖于启动子结构2）调节型控制：操纵子学说，依赖于调解蛋白水平Genomes启动子(promoter)•与基因转录启动有关的一组DNA序列，一般位于转录起始点上游100-200bp以内，其功能是决定转录的起始点和调控转录频率．•原核启动子：1）-35框：5’-TTGACA-3’2）-10框5’-TATAAT-3’Genomes细菌启动子结构决定转录的基础水平•细菌启动子共有序列是可变的1）-10框：T80A95T45A60A50T96影响启动子复合物从封闭向开放的转换2）-35框：T82T84G78A65C54A45影响σ亚基识别，从而影响RNA聚合酶结合•转录起始点附近及转录单位前50个核苷酸序列影响转录起始后的延伸•不同的基因可能有不同的最有效启动子•启动子序列突变可能改变转录起始的基础水平Genomes大肠杆菌转录起始Genomes细菌RNA聚合酶结构：核心酶+σ亚基1）核心酶：α2ββ’2）σ亚基：启动子特异性结合Genomes不同的σ亚基识别不同的启动子•σ70：标准σ亚基，指导大多数基因转录•特定条件下其它σ亚基被激活•例：热休克基因的识别Genomes非标准的σ亚基和其识别序列Genomes操纵子及其相关概念•操纵子(operon)，指一组在基因组中彼此相邻的基因，两基因头尾间可能仅隔一两个核苷酸。操纵子的所有基因都作为一个单位表达。•结构基因(structuralgene)，编码非调控因子的基因。•调控基因(regulatorgene)，编码调控蛋白（阻抑物）的基因。•阻抑物(repressor)，能阻止基因表达的蛋白质，可与操纵基因结合来阻止转录。•操纵基因(operator)，位于启动子下游可与阻抑物结合的DNA元件，当与阻抑物结合后调节启动子抑制转录，常为回文序列。•诱导物(inducer)，通过与阻抑物结合激活基因转录的小分子物质。Genomes乳糖操纵子Genomes乳糖操纵子的调控Genomes乳糖阻抑物操纵基因的结合乳糖阻抑物以四聚体形式结合到两个操纵基因上另外的两个操纵基因，一个位于初级操纵基因的上游90bp，另一个位于初级操纵基因的下游400bp。Genomes辅阻抑物与色氨酸操纵子辅阻抑物(co-repressor)，结合到阻抑物上来抑制转录的小分子。Genomes色氨酸阻抑物存在多个靶点：可控制多个基因启动子•aroH,编码合成色氨酸的生化通路中早期步骤的特异酶•trpR,色氨酸阻抑物自身基因，调控色氨酸合成的晚期步骤Genomes抑郁症患者究竟有多危险？Genomes第四节真核生物转录起始调控Genomes真核生物转录起始调控•真核转录起始比原核生物更复杂•真核转录起始顺式元件的复杂性1)核心启动子2)基本启动子元件3)特异性表达元件4)远端调控元件•真核转录起始反式因子的复杂性1)RNA聚合酶2)激活蛋白和辅激活蛋白3)阻抑物4)转录因子的修饰Genomes核心与基本启动子元件真核启动子区域包括核心启动子和启动子上游近侧序列：1、核心启动子(corepromoter)是决定转录起始位置的关键序列，也是普通转录因子TFⅡD的结合位点，①TATA盒(TATAbox)位于转录起始点上游-25～-30bp．②起始子(initiator，Inr)Inr是与转录起始位点重叠的短的较保守序列．注：①不是所有基因都含有TATA盒或Inr序列．有的只有其中之一，有的两者都无．②这些核心启动子的序列和它们之间的间隔多变2、上游/基本启动子元件(Upstream/basalPromoterelement，UPE)位于较上游(-30一-110bp)，能较强影响转录起始的频率，如CAAT盒和GC盒．其中GC盒是转录因子SPl的结合位点。Genomes特异性表达元件•应答模块(responsemodule)，使转录起始能响应细胞外一般信号元件。如，cAMP应答模块CRE(5’-A/TCGTCA-3’)•细胞特异性模块(cell-specificmodule),仅在一种组织细胞中特异表达的基因启动子。如，垂体细胞模块、脂肪细胞模块等。•发育调节因子模块（developmentalregulator），介导特定发育阶段的基因表达的元件。Genomes真核顺式元件和反式因子的多层次顺式元件：1）启动子(promoter)2）增强子(enhancer)3）负调控元件—沉默子(silencer)4）绝缘子反式因子1）激活物:特异结合DNA2）辅激活物：不特异结合DNA，通过蛋白质间相互作用3）中介子（mediator）:激活蛋白与RNA聚合酶II间4）阻抑物Genomes增强子(enhancer)能显著提高基因转录效率的一类顺式调控元件（其核心序列常为8-12bp)．增强子的作用特点：1）能(通过启动子)提高同一条链上的靶基因转录速率；2）增强子对同源基因或异源基因同样有效；3）增强子的位置可在基因5’-上游、基因内或3’下游序列中；4）自身没有5’-或3’-方向性；5）增强子可远离转录起始点(最多30Kb)；6）增强子一般具有组织或细胞特异性．GenomesRNA聚合酶•RNA聚合酶I,转录28S,5.8S和18S核糖体RNA(rRNA)•RNA聚合酶Ⅱ，负责真核生物蛋白编码基因和大部分小核RNA（snRNA)的转录，有7-10个亚基，最大亚基的羧基末端结构域(CTD)具有7个氨基酸(Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Set)的重复序列，其中有多个磷酸化位点．CTD磷酸化对调控基因转录有重要作用．•RNA聚合酶III,转录tRNA,5SrRNA,U6-snRNA,小核仁RNA(snoRNA),小细胞质RNA(seRNA)Genomes基础转录因子(basaltranscriptionfactor)真核基因转录除RNA聚合酶外，还需要许多蛋白因子—转录因子参加，其中一些转录因子是RNA聚合酶Ⅱ转录起始必需的，并且可以维持基础水平的转录，因此称为基础转录因子或普通转录因子(generaltranscriptionfactor)RNA聚合酶II的普通转录因子(TFII)包括TFIID,TFⅡB,TFIIF，TFIIE，TFIIH，TFIIA等．TFIID是最先结合到DNA上的转录因子，由TATA结合蛋白（TATA-bindingprotein,TBP)和12个TBP相关因子（TAF,TBP-associatedfactor)组成GenomesRNA聚合酶II的转录起始(1)GenomesRNA聚合酶II的转录起始（2）•三个关键事件：•TBP的结合诱导TATA框区段DNA形成弯曲•DNA弯曲提供了TFIIB识别的结构，从而保证了RNA聚合酶II在转录起始位点上的正确定位•TFIIH破环碱基配对，这是形成开放启动子所必需的Genomes激活物(activator)•激活转录起始的蛋白质•可能结合于启动子区域，影响单个基因的转录，也可能结合于增强子区域，影响多个基因的转录•可与前起始复合物相互作用，作用的部位称为激活域(activationdomain)。激活域的常见结构包括：1）酸性结构域，富含Asp和Glu2）富含Gln的结构域3）富含Pro的结构域Genomes阻抑物•对于真核生物转录起始，激活物是主体，阻抑物相对较少•大多结合于上游启动子或沉默子•根据所处环境不同，一些蛋白可能既有激活作用又有阻抑作用，如NC2对于有TATA框的启动子起抑制作用，而对无TATA框的启动子有激活作用•阻抑物可能与前起始复合物相互作用Genomes转录因子的调控•转录因子的磷酸化•转录因子的泛素化•转录因子SUMO修饰•转录因子甲基化•转录因子乙酰化