DNA及蛋白质相互作用结构特征

1、DNA与蛋白质相互作用的结构特征Sectio n 7 Structural Characteristics of In teractio n betwee n DNA and Protein反式作用因子必须与顺式作用元件相结合，才能发挥其调节基因表达的作用。反式作用因子至少含有三个功能域，即 DNA结合功能域，转录活性功能域和其它转录因子结合功能域。反式作用因子的 DNA结合功能域具有一些带共性的结构特征，如同源结构域、碱性亮氨酸 拉链模体、锌指模体等。1. 螺旋-转角-螺旋模体（Helix-Turn-Helix （ HTH）Motif）1.1 原核生物 HTH 模体（Prokaryotic

2、HTH Motif ）色氨酸阻遏因子和分解产物基因激活蛋白（CAP）均为同二聚体，分子结构中含HTH模体,该模体由两段 a螺旋和一段 &转角构成（但需要另外伸出的第三个 a螺旋才能稳定），第二 个a螺旋负责识别 DNA大沟序列，故称为识别螺旋（图 103）。434 represssor/DNA(helix-turn-hellx)图104同源异型结构域的分子结构Fig 104 Molecular Structure of Homeodoma in1.2.2 MYB HTH 模体（MYB HTH Motif ）为HTH模体的变体，其结构类似于同源结构域，但其图103 HTH模体的分子结构Fig 1

3、03 Molecular Structure of HTH Motif1.2 真核生物 HTH 模体（Eukaryotic HTH Motif ）1.2.1同源异型结构域（Homeodomain）同源异型结构域的氨基酸残基序列与原核细胞类似，由三段a螺旋，环绕一个疏水核心折叠而成。所不同的是识别螺旋较长，在DNA大沟中的定向有所不同，其典型的结合位点是TATA 盒（图 104）。3转角由5个残基构成，识别螺旋与DNA有较长的接触面（图 105）。图105 MYB HTH 模体的分子结构Fig 105 Molecular Structure of MYB HTH Motif1.2.3 侧翼 HT

4、H 模体（Winged HTH Motif ）侧翼HTH模体是a / 3 HT变体，由110个保守的氨基酸残基构成a /识别螺旋，另外两个翼状环结构与相邻的 DNA骨架和小沟相互作用。典型的例子是肝细胞核因子-3丫（HNF-3Y（图 106 ）。图106侧翼HTH模体的分子结构Fig 106 Molecular Structure of Win ged HTH Motif1.2.4分解产物基因激活蛋白样结构域（ CAP-like Domain）真核生物多种转录激活因子均具有此DNA结合结构域，但与 CAP不同，该结构域是以单体形式与DNA大沟结合，其结合靠水介导。典型的例子如转录因子PU.1的

5、ETS结构域（图107）。图107转录因子 PU.1的ETS结构域Fig 107 ETS Doma in in Tran scription factor PU.11.2.5 POU 结构域(POU Domain )该结构域由155162个氨基酸残基组成， 有两个独立的球状结构域：POUS和POUH。POUS位于的POUH的N-端，含多个a螺旋。两个球状结构域分别位于 DNA双螺旋两侧大沟内，识别5-ATGCAAAT- 3八聚碱基序列。其中，POUS结合5端ATGC序列，而POUH结合3端AAAT序列。典型的例子包括Pit-1 , Oct-1、2、4等(图108)。图108 OCT-1和PIT

6、-1中的POU结构域Fig 108 POU Domain in OCT-1 and PIT-11.2.6 成对结构域(Paired Domain )由两个球形亚结构域组成，与两个同源异型结构域相似，但不同于POU，仅N-端的亚结构域为DNA大沟的识别螺旋。该结构域见于Pax蛋白(paired box protein )(图109)。2. 碱性亮氨酸拉链模体( Basic Leucine Zipper Motif )2.1 碱性区 /亮氨酸拉链(Basic Region/Leucine Zipper, bZIP )该模体的C-末端重复序列形成左手卷曲螺旋，每间隔7个残基出现一个亮氨酸，故称之为亮

7、氨酸拉链。模体的 N-末端富含碱性氨基酸残基(碱性区) ，与DNA的大沟特异性结合。 常见的反式作用因子有： CREB、Jun、Fos、GCN4等，它们通常以同二聚体或异二聚体的 形式与DNA结合(图110)。图110碱性区/亮氨酸拉链模体的分子结构Fig 110 Molecular Structure of bZIP Motif2.2 碱性区 /螺旋-环-螺旋 /亮氨酸拉链( Basic Region/Helix-Loop-Helix/Leucine Zipper, bHLH )该模体由60100个保守的氨基酸残基构成，N-末端为15个残基组成的碱性区， 紧随两个 a 螺旋(中间为环区)。N

8、-末端碱性区至第一个a-螺旋段为DNA特异序列结合域。常见的反式作用因子有： Myc，Max，E12，E47，MyoD-1 (图 111)。图111碱性区/螺旋-环-螺旋/亮氨酸拉链模体的分子结构Fig 111 Molecular Structure of bHLH Motif3. 锌指模体(Zinc Finger Motif)3.1 C2H2 型锌指(C2H2 Type Zinc Finger)由约30个氨基酸残基组成，序列特征为：Cys-X2-5-Cys-X12-His-X2-5-His 。由12个残基构成的a螺旋，靠Zn2+与相对的3-折叠结构相连。其连续存在的锌指模体识别螺旋位于DNA

9、的大沟(图112114)。图112 C2H2型锌指模型Fig 112 Model of C2H2 Type Zinc Fin ger图113小鼠Zif268中的C2H2型锌指模体Fig 113 C2H2 Type of Zinc Fin ger Motifs of Zif268 in Mus musculus 图114爪蟾TF川A中的C2H2型锌指模体Fig 114 C2H2 Type of Zinc Fin ger Motifs of TF 川 A in Xen opus laevis3.2 C4 型核受体(C4-type Nuclear Receptor)C4型核受体锌指由7080个氨基酸

10、残基构成，其中包含两个串联的锌指模体变体；两个模体之一为a识别螺旋，另一个模体则是不规则的环。C4型核受体锌指结构中含8个保守的Cys,每4个Cys与Zn2+配位结合，其特征为 Cys4双环-Zn2+螺旋DNA结合模体。核受体超家族的成员，如GR、ER等，具有C4型核受体锌指模体。它们通常以同二聚体的形式与DNA相结合，两个亚基的a识别螺旋分别与两个DNA大沟相结合，两个 DNA结合半位点之间间隔 34bp (图115116)。图115糖皮质激素受体中的C4型锌指模体Fig 115 C4-type of Zinc Fin ger Motifs in Glucocorticoid Recepto

11、r图116雌激素受体中的 C4型锌指模体Fig 116 C4-type of Zin c Fin ger Motifs in Estroge n Receptor核受体超家族的另一些成员，如THR , VDR、RAR等，也具有C4型核受体锌指模体，但其DNA结合结构域是不对称异二聚体，与DNA的两个无间隔的半位点结合（图117）。图117 RXR和THR中的C4型锌指模体Fig 117 C4-type of Zin c Fin ger Motifs in RXR and THR 锌指模体超家族的成员总结如表6。表6锌指模体超家族Table 6 Zinc Finger Motif Superfa

12、milyimerRroHwtmFuncllwiSfMAekEyCWtwDHSNAhiw3 rinqvpTDt.rvomn intwclemPwimIAW1909KltABFrotlMii-HprMHn intwaEClmiPhM.EUMPTv4nprQWn inrvrwtlorwPTcWvIPR0016&PHDfwwrProtMFi-pro4wii inftTMtlcmPrMint4yp C*fo4d rep4&rNudw BCftdNSirigiOHAIPR1K)221Pro*ln kiiwt C plwboi 4iw/dl4cylglyero4 bkrKkngUp4d叶财債心厨Bind p

13、hartHri MtnIPROmiSProtMiriprolW rnttractlcrMPrdammooitreKrtuChK CCHC TfptNucl*4c Achd-bM*nf)DNAC-x|3irali*4ni kiFMVkimRwvG&PipROOneiPTotMn-proWi iniwJKtlcn*PrE.inIPR0015M0*1 HC lypP心 laliiFCtanimjdek acld-bindbngrROOMUMlkImc ackflbmdingRNA/iDHAIPRtKKnnGATA lypHueIkk Kid-bmdiHgBNArROOOOiIZtyp*Hot材 件i

14、nlwactlcm-UnknmIPR QO2V83Pelvic *cid-tm*iQDNAiPRwinaTlUFryvPr$lrk-fMatiMn inEerflclitiMiP*H*ftIMOOOD5AHt4ikNucitK KicRnrvdmigDHAIR001S42Tec/Bik domainRoterHptfOEMn rrcraciiien4Protiln伽1阿问MmwKtlQrwPnxiwiiIPRD02&A2CHMk 趙Ft 血他frbtiMn inEerKL4n4FfOtMiMZlyinNudwc aclitkbiridnQDNAIPR00127&DM DNA-bindngNuc

15、Jhc KlcMMidinaDMAIPH 003000Sileni mformslxiti 冗*pro*lri ta?NucMk ACld-bkMkigDNAIPR0CO4C5XPA proiniNucitK KicMmfengDMAIPR(1510NAD* ADFibofrafwfefeMNtxtolc Kld-blndtfig54 DM*IPRD03071Orpfruni nuclw rcipror. MAR typof*uciw wicMim*igDHAIPROOXSBBEDfrkArNUChHDMAHtvson*-Nk* trcnvcnpcion fwiod ardiiMl hforM

16、4oMmfeNuclw Kid-bigDNAn0641$&CSHCZryp*NucMe addndm oiDHAipflooanProkanyDtK CN1A lofwwrwrM* INucAtK Mid-bindingDMArnooisaftDHA-difKtNl RNA pdyrrwrAM. MrlkQNucMc acldridHiQiDMAIPRM2515CZHCryptNucIM KkHaindinoDNAIPRW2B57CXXCtypNucWc Kkj-bBXUrhOOKAATWih eyfounalPRmi262iMinigFar IpufCAflivM H100种)转录因子或转录

17、共激活/共阻遏因子中存在的螺旋束样的结构域，称为 溴”结构域。溴”结构域可特异性识别组蛋白的乙酰化赖氨酸残基，故具有溴”结构域的蛋白质/酶通常与组蛋白的乙酰化-去乙酰化修饰作用相关(图 119121)。I 為 宀凸当 宀 *1i.* “ * * tP/CAF719-SKB PRDFDQLY8TLK8IIiQ(7VKSHQSAWPFMEPV7 RT EAMYYZVIRSPHDLXTMS ERLK- 71$yGCKS324 - AQRFJUGPHMAXWIli?EL2HHAAANPFWVHKEYFInPFIKKnLMnYPFHIPVFAKWKDVYZIlTRrHDLQTLRENVR- U36 TA

18、PII2S0-bri 14?i-LDIHDQVAFSPlLDHXVT0KHMAVPDSHPrHHPVHKFVPDYXVXVNnfDLETlRXHl-LSS8* *p/CAF779-WRYYVSK!：L&LQRVFn：CKByiaFESErracmLEI：FFFSI：I1tZAG-e28yUCTiS83-5 DF LY9AR LVFNCRHYWGE NTfiTOtXANS LEKF fnhkVK CIP-433hOCNS42)-$ ftYYVTWCl fVMLQftVrANCRYKPPDEYCRCA SALEKPP? ?KLKOG-412TAFI1250brl 1436-KRLYPSREBFRE

19、HLELIVXU8ATI9GPKHfiLTQISQSNLDLCDEKLKEKB-1455 TAFIT250-br2 155- HUOWRBS FDVDVI&ILMVimilQFBSanKTAQBrWVCYQTWnD -1408图119溴”结构域中的一致性序列Fig 119 The Consen sus Seque nces of Bromodoma in第八节原核基因的转录调控Secti on 8 Tran scriptio nal Regulati on of Prokaryotic Genes1.基本概念(Basic Concepts)1.1 RNA 聚合酶对转录起始的调控( Regula

20、tion of Transcriptional Initiation by RNA Polymerase)RNA聚合酶对转录起始的调节，就是指RNA聚合酶与启动子元件相互作用的调节。各启动子的碱基序列不同，与RNA聚合酶的亲和力各异，故启动子存在强弱之分。基因的最大转录速率依赖于启动子的碱基序列。1.2 调节蛋白对转录起始的调控( Regulation of Transcriptional Initiation by Regulating Proteins)至少有三种不同的调节蛋白通过作用于RNAP而参与转录起始的调节。1.2.1 特异性因子(Specific Factors)特异性因子通过改

21、变 RNA聚合酶与一种或多种启动子结合的特异性来调节转录的起始。例 如，原核细胞中 RNA聚合酶中的 b亚基。在E. coli中，至少存在7种不同的b亚基。它们分别与不同的启动子识别并结合，启动特异的基因转录。b 70亚基与典型的启动子识别并结合；b 30亚基与热休克应答相关基因的启动子识别并结合；b 54亚基与氮代谢相关基因的启动子识别并结合(图122123)。Sigm FactonTranscripkm Faxs 卜 350)* 斗冲00 0*Con pwnottr tlenwnlt* 4,000 pnxnaters (1,000 known)SNA PolyrrwrMSRNA Polym

22、eraie core (h0P)图122大肠杆菌中c因子对基因表达的调控Fig 122 Regulati on of Gene Expressi on by Sigma Factors in E. coliMycoplasma sp,1Aquifex aeolicus4Escherichia coli7Bacillus sub tills18Pseudomonas aeruginosa24Streptomyces coelicolor6 3 .occording to the complexity of their envtronment图123在不同细菌中 c因子的数目不同Fig 123 T

23、he Number of Sigma Factors Varies Dramatically among Bacteria1.2.2 阻遏因子（Repressor）阻遏因子与其特异的操作子元件（O）识别、结合并阻断转录过程，如Lac阻遏因子。1.2.3 激活因子（Activator）激活因子与其特异的 DNA元件识别、结合并启动转录过程，如CAP。1.3 操纵子是转录调控的一般模式（Operon is a General Model of Transcriptional Regulation）在原核生物中，功能相关的若干结构基因成串排列，由同一调控序列调控，这种基因的组织形式称为操纵子（ope

24、ron）。操纵子的调控序列通常由操作子（operator，O）、启动子（promoter，P）和阻遏基因（i）等组成（图124）。佶思区图124乳糖操纵子的组织结构Fig 124 Orga ni zati on Structure of Lac Operon2.乳糖操纵子（Lac Operon ）2.1 乳糖操纵子的负调控（ Negative Regulation of Lac Operon ）介质中葡萄糖量增高 tLac阻遏因子（i）与操作子（O）结合t阻止结构基因转录（图125）。 图125乳糖操纵子的负调控Fig 125 Negative Regulation of Lac Operon

25、Lac阻遏因子为同四聚体，其 DNA结合结构域含HTH模体，能识别并结合操作子（O）的回文序列（图126 ）。图126 Lac阻遏因子的分子结构Fig 126 Molecular Structure of Lac Repressor2.2 乳糖操纵子的正调控（ Positive Regulation of Lac Operon ）当介质中乳糖浓度增高而葡萄糖浓度降低时，可对Lac操纵子产生正调控。2.2.1 由异半乳糖诱导（Inducing by Allolactose）乳糖T经半乳糖苷酶催化产生异半乳糖T与Lac阻遏因子结合并诱导其构象改变t Lac阻遏因子与操作子（O）解离t促进基因转录。2.2.2 由 cAMP-CAP 激活（Activating by cAMP-CAP ）葡萄糖浓度降低