7 真核基因表达调控 55

8真核生物基因表达的调控 真核基因表达的调控是当前分子生物学这一前沿学科中的前沿领域 现有的研究证明 许多重要生命现象的深层问题都集结于此 形成了许多的热点探索课题 在一定程度上可以说基因的表达调控是分子生物学的真谛所在 真核生物细胞内绝大部分DNA是用于储存调控信息的 用于合成蛋白质的信息仅占很小一部分 真核生物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 并使组织器官在一定环境条件下保持正常功能 真核生物基因表达的调控更加复杂 多层次 涉及更多的蛋白质因子参与 第一节真核生物基因调控的特点 真核生物的染色质由DNA与组蛋白结合形成为核小体 活跃转录区与非转录区的核小体结构明显不同 活跃转录区的DNA对核酸酶的敏感性提高 例如 当用DNA酶 消化未发生转录的染色质时 通常得到的是约200bp长的片段 而在活跃转录区消化后形成更小的片段 且长短不一 1 染色质的结构对基因表达有调控作用 真核生物染色质由DNA与5种组蛋白结合组成 它们折叠和缠绕形成核小体 进一步折叠缠绕形成细胞分裂中期染色体 染色质的结构对基因的表达起总体控制作用 原核生物存在正调控和负调控两个同等重要的方面 而在真核生物中主要是正调控 且一个基因需有多个激活物诱导 3 基因表达调控的多层次性原核生物转录和翻译在细胞内同一地点进行 翻译可以对转录发生影响 真核生物的基因表达调控贯穿在从DNA到蛋白质的全过程 涉及基因结构的活化 转录的起始 转录本的加工 转运和mRNA的翻译等 基因转录是遗传信息传递过程中第一个具有高度选择性的环节 真核基因的表达调控以转录水平为主 2 以正调控为主 4 具有细胞特异性或组织特异性 在生长发育过程中 随着细胞需求的不断改变 各种基因变得有活性或沉寂 Kn1 决定玉米细胞命运的基因 是植物分生组织所必需的 在正常的叶片中无活性 不正确表达会刺激维管束细胞增生 形成节状组织 拟南芥中发现类似基因 KNAT1 真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上 第二节DNA水平的调控 基因封闭异染色质化染色体DNA的修饰染色体组蛋白的修饰基因丢失基因扩增基因重排 1 异染色质化紧密的染色质结构阻止基因表达 因此异染色质区的基因很少表达 可能原因 组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质 可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合 封闭了DNA分子 从而妨碍基因转录 1 基因封闭 例如 雌性哺乳动物细胞有两个X染色体 但雄性只有一个X染色体 为了避免雌性表现过多X染色体的基因 在胚胎时期其中一个X染色体会被去活 去活的X染色体即使在细胞分裂的间期亦表现出浓缩的异染色质状态 能用显微镜观察到 2 染色体DNA的修饰DNA的甲基化修饰也可引起基因失活 真核DNA中的胞嘧啶约有5 被甲基化为5 甲基胞嘧啶 m5C 甲基化最常发生在某些基因5 侧区的CpG序列中 甲基化可能影响了DNA的构象或DNA的稳定性 阻碍了转录因子与DNA特定部位的结合从而影响转录 脊椎动物的基因组大部分CpG被甲基化 未被甲基化的CpG大多存在于经常被转录的基因 主要包括管家基因 3 染色体组蛋白的修饰组蛋白磷酸化 乙酰化 泛素化以及H3组蛋白巯基化等现象 会改变染色质的结构状态 调控基因转录的开关 组蛋白的N端含有数个赖氨酸 它们的侧链基团在细胞正常的pH范围内带正电荷 DNA的磷酸根带负电荷 能与之紧密结合 使转录因子或RNA聚合酶很难与DNA结合进行转录 组蛋白的赖氨酸残基被乙酰化后就不带电荷 与DNA的结合力降低 有利于转录调控因子的结合 组蛋白乙酰转移酶 组蛋白去乙酰酶 基因丢失是在某些低等真核生物的个体发育过程中 细胞分化时一些不需要的基因被消除的现象 某些原生动物 昆虫及甲壳纲动物通过这种方式可以消除某些基因的活性 控制细胞的分化 例如 马蛔虫体细胞核中失去一部分基因 这些基因的丢失决定了细胞的分化方向 而生殖细胞却没有染色体破碎和丢失现象 生殖细胞核内仍保存基因组的完整性 四膜虫生殖细胞小核DNA 降解后剩余片段复制建成大核 具有转录活性 2 基因丢失 基因组中的特定基因在某些情况下复制产生大量拷贝的现象 可使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要 是基因活性调控的一种方式 3 基因扩增 geneamplification 特定的发育时期非洲爪蟾在卵裂期和胚胎期能通过rRNA基因的大量扩增形成大量核糖体 供卵裂和胚胎发育所用 特定的环境条件环境条件改变时 有些生物的基因会发生生理适应性扩增 例如组织培养细胞在有适当抗生素存在时 可以有选择地扩增某一基因 异常细胞中在某些情况下基因扩增发生在异常的细胞中 人类癌细胞中的许多致癌基因 经大量扩增后高效表达 导致细胞生长失控 原癌基因是一些与调节和控制细胞生长 分裂和细胞周期相关的基因 原癌基因的结构变化或者失控就会演变成癌基因 某些基因片段改变原来存在的顺序而重新排布的现象 重排可以仅仅是空间位置或方向的不同 也可同时伴有某些基因片段的添加或丢失 重排可使一种基因转换为另一种基因 也可能产生一种新的基因 4 基因重排 generearrangement 非定向重排转座子在染色体上的移动 转座子的插入可激活或抑制某些基因 定向重排与变换小鼠免疫球蛋白结构基因 免疫球蛋白的肽链由可变区 V区 恒定区 C区 以及连接区 J区 组成的 V C和J基因在小鼠胚胎细胞中是相隔较远的 当免疫细胞发育分化时 能通过基因重排 把3个远离的基因紧密地连接在一起 从而使多个基因编码一条肽链 第三节转录水平的调控 原核生物基因表达是以操纵子为单位 调控区很小 调控蛋白结合在调节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶的结合而调控转录 真核生物基因组中无操纵子结构 基因转录的调节区较大 转录激活与起始需要多种元件和蛋白因子的参与 包括启动子 增强子 通用转录因子 上游因子 诱导型转录因子和RNA聚合酶等 转录调控是通过顺式作用元件和反式作用因子的相互作用实现的 调控基因表达的一段DNA序列 一般自身没有转录功能 它们与特定的功能基因连锁在一起 可与许多同起始转录有关的蛋白因子相互作用而调控转录 1 顺式作用元件 cis actingelements 启动子 promoter 增强子 enhancer 沉默子 silencer 转录起始位点附近启动转录所必需的一段DNA序列 通常转录因子和RNA聚合酶在启动子部位可装配成转录起始复合物 从而启动转录 启动子 promoter 典型的真核基因启动子 能显著提高基因转录效率的顺式调控元件 由若干短的元件组成的 增强子一般都在 100bp以上 因此又称远上游序列 增强子 与增强子的功能相反结构相似 对基因表达进行负调控即抑制基因的表达 与沉默子作用的蛋白因子称为阻遏物 二者结合后能抑制基因的转录 沉默子是最早在酵母中发现的 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顺式作用元件的存在 沉默子 沉默子的作用可不受序列方向的影响能远距离发挥作用并可对异源基因的表达起作用 真核RNA聚合酶不包含类似于原核生物 因子的亚基 不能识别DNA上的启动子 需借助于其他反式作用因子来辨认启动子并解开DNA的双螺旋 这些与顺式作用元件结合而影响转录的可扩散蛋白称为反式作用因子 分为三类 2 反式作用因子 trans actingfactors 通用或基本转录因子结合在启动子上与RNA聚合酶一起形成转录起始复合物 是RNA聚合酶转录起始必需的 可以维持基础水平的转录 上游因子结合在启动子和增强子的上游控制位点 可诱导因子与应答元件相互作用 转录因子必需能同DNA上的调控元件识别与结合 并且这些转录因子还要与其他转录因子或RNA聚合酶之间相互作用才能形成转录起始复合物而起始转录 DNA结合结构域 转录激活结构域 连接区不与DNA直接结合的转录因子没有结合DNA结构域 但能通过激活转录结构域作用于转录复合体而影响转录效率 还有一些转录因子具有结合配体结构域 可以与一些小分子物质结合来调控转录因子自身的活性 3 反式作用因子的结构模式 由60 100个氨基酸残基组成的几个亚区组成 与转录因子结合的DNA区常是一段反向重复序列 因此许多转录因子常以二聚体形式与DNA结合 DNA结合结构域 DNAbindingdomain 锌指结构域螺旋 转角 螺旋结构域 同源异形域螺旋 环 螺旋结构域亮氨酸拉链 锌指环上突出的赖氨酸和精氨酸参与同DNA的结合 每个重复的指状结构约含23个氨基酸残基 多个指状结构间常通过7 8个氨基酸残基相连 由于重复出现的 螺旋几乎联成一线 这种蛋白质与DNA序列的结合牢固且特异性很高 TF A SP1锌指与基因的启动子区结合 锌指的尖端可进入DNA的大沟或小沟 以识别它特异结合的DNA序列并与之结合 Cys2 His2锌指 锌指结构域 zincfinger 类固醇受体家族等一些蛋白的锌指结构为Cys2 Cys2类型 4个半胱氨酸和1个Zn2 结合 实验表明 当将类固醇受体的后两个半胱氨酸残基突变为组氨酸残基时 它就不能再活化其靶基因了 可见Cys2 Cys2锌指和Cys2 His2锌指是不同类型的锌指 Cys2 Cys2锌指 首先在原核DNA调控蛋白中发现 如降解物基因活化蛋白CAP和 噬菌体的阻遏物Cro蛋白 目前发现许多真核生物的调控蛋白也含有与螺旋 转角 螺旋相似的DNA结合结构域 例如在调控胚胎发育和正常细胞分化基因表达中起作用的调控蛋白所具有的同源异形域 螺旋 转角 螺旋结构域 helix turn helix HTH 螺旋 环 螺旋 helix loop helix HLH 长约20个氨基酸 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的大沟 两条均含有亮氨酸残基的蛋白质通过疏水键结合成二聚体 二聚体的另一端的肽段富含碱性氨基酸残基 Lys Arg 借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合 亮氨酸拉链蛋白在真核中广泛存在 亮氨酸拉链 leucinezipper LZIP 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 亮氨酸拉链 转录因子的DNA结合结构域本身并不具有调控转录活性的功能 其转录活化功能是由另一种结构域 即转录激活结构域所作用的 转录激活域通常是由30 100氨基酸残基组成 根据氨基酸组成的特点主要包括以下三种类型 转录激活结构域 transcriptionactivatingdomain 酸性 螺旋结构域 富含谷氨酰胺结构域 富含脯氨酸的结构域 酸性 螺旋结构域含有酸性氨基酸残基组成的保守序列 多呈带负电荷的疏水性 螺旋 含有这种结构域的转录因子有酵母的GAL4和GCN4 哺乳动物细胞中的糖皮质激素受体以及AP1家族的Jun等 对转录起始的特异诱导活性相对较低 可能与TF D复合物中某个通用因子或RNA聚合酶 作用发挥转录活化功能 并有稳定转录起始复合物的作用 富含谷氨酰胺结构域SPl是启动子GC盒的结合蛋白 除结合DNA的锌指结构以外 SP1共有4个参与转录活化的区域 其中最强的转录激活域很少有极性氨基酸而谷氨酰胺含量却达25 左右 酵母的HAP1 HAP2和哺乳动物细胞中的Oct 1 Oct 2 Jun AP2以及血清应答因子 SRF 等都有同样的结构域 富含脯氨酸的结构域CTF家族的C末端与其转录激活功能有关 含有20 30 的脯氨酸残基 脯氨酸的存在可防碍 螺旋的形成 在Oct2 Jun AP2 SRF等哺乳动物因子中也有富含脯氨酸的结构域 基础转录因子的调控基础转录因子是所有启动子起始RNA合成的必需因子 与RNA聚合酶结合形成围绕在起始位点周围的复合物 决定转录的起始位点 转录起始复合物TBP TF D TF B和TF F与RNA聚合酶 可在启动子上形成最低限度的复合物 开始转录mRNA 随着TF E和TF H的加入形成完整的转录复合物并转录出长链的RNA 加入TF A可再进一步提高转录效率 4 反式作用因子对转录的调控 TBP TATA bindingproteinTAFS TBP associatedfactors RNA聚合酶 的基本转录因子 RNA聚合酶 启动子元件与TF D A B F RNA聚合酶 TF E H和TF I等顺序结合 形成最基本的转录起始复合物 一个启动子要达到足够的转录效率和具有特异性 要依靠上游启动子元件 增强子和应答元件等 这些元件由上游转录因子或诱导型因子所识别 上游转录因子识别并特异地结合在上游顺式元件上 这种转录因子普遍存在 且活性不受调控 能作用于任何启动子上提高启动效率 相当于TF A和TF C 这是强启动子所必需的 这些因子结合在上游元件上后并不直接作用于RNA聚合酶 而是作用于基础转录因子 再由基础转录因子作用于RNA聚合酶 在转录的启动中 蛋白质与蛋白质之间的相互作用具有和蛋白质与DNA之间的作用同等的重要性 上游转录因子的调控 结合CAATbox的转录因子CTF CAATboxtranscriptionfactor 家族是能识别CAATbox的一组转录因子 它们是同一基因转录后由不同剪接方式形成的一组mRNA翻译产生的 CTF1的转录激活结构域富含脯氨酸 与CAAT框结合的另一类因子是CP家族 其成员与不同基因的启动子中CAAT框的亲合力不同 例如 CP1与 珠蛋白基因的CAAT框亲和力高 而CP2与 血纤维蛋白原基因中的CAAT框亲和力高 结合GCbox的转录因子SP1可与GC框以任意的方向结合 覆盖约20bp 在一个启动子中常有多个SP1的结合位点 在SV40启动子区有6个GC框全部与SP1结合 八碱基对元件激活蛋白八碱基对元件 ATTTGCAT 可被多个转录因子识别 Oct 1普遍存在于各种细胞中 主要参与组蛋白H2B等基因的表达 无组织特异性 Oct 2主要存在于B淋巴细胞中 在淋巴细胞中可活化免疫球蛋白 轻链基因 是有组织特异性的激活因子 在特定时间 条件或特定的组织中合成或被活化 因而有调控基因在不同时间 条件或不同地点表达的作用 与诱导型转录因子结合的顺式作用元件称为应答元件 诱导型转录因子的调控 糖皮质激素应答元件 glucocorticoidresponseelement GRE 热休克应答元件 heatshockresponseelement HSE 金属应答元件 metalresponseelement MRE 血清应答元件 serumresponseelement SRE 热休克应答调节许多生物在最适温度范围以上时 受热诱导能合成一系列热休克蛋白 heatshockprotein 产生热休克应答 受热激后许多基因被关闭 而热休克基因则被转录 并进行翻译