真核基因表达调控讲义

1、真核基因转录调控 (讲课内容， 缺图)张俊武一基因表达概述基因表达就是储存遗传信息的基因通过转录及翻译等步骤产生具有一定生物功能的蛋 白质的整个过程。典型的细菌基因组包括约 4,000 个蛋白质基因，人基因组包括约 10 万个 蛋白质基因，但在某一时刻仅有一部分基因表达。例如大肠杆菌中通常有5的基因处于高水平转录活性状态。 一些基因产物需要以很大的数量存在于细胞中来行使其功能， 例如蛋白 质生物合成的延伸因子在细胞内含量极其丰富。 有些基因产物在细胞内的含量则很少， 如修 复DNA损伤的有关酶在一个细胞中可能仅含几个分子。对于同一基因产物的需要也可能随时间而改变， 例如细菌中一些代谢途径所需的

2、酶可随食物源泉的变化或消耗而增减。在多细胞真核生物发育过程中， 一些影响细胞分化的蛋白质仅在一部分细胞中存在短暂时间。一些具有特殊功能细胞的特异化可能极大地影响了对某种基因产物的需要， 最典型的例子就是在红 细胞中的血红蛋白具有极高的浓度。总之在细胞代谢调节、细胞分化以及个体发育过程中， 基因表达调节都是一个非常重要的组成部分。正象细胞对不同蛋白质的需要变化一样，各个基因表达调控的机制也是变化的。一些 基因产物总被需要， 并且它们的基因在一种生物或有机体的全部细胞中基本上以恒定的水平 表达，这些基因被称作管家基因 (housekeeping genes) 。例如，许多催化中心代谢途径 ( 如

3、柠檬酸循环 )各步骤的酶的基因、 肌动蛋白 (actin) 基因都是管家基因。 恒定的、 似乎不被调 节的基因表达被称作基本的基因表达 (constitutive gene expression) 。实际上，基本的基 因表达也是在一定的机制控制下进行的。一些基因产物的数量在应答分子信号时增加或减少。在特定条件下表达产物增加的基 因称为可诱导(in ducible) 基因。可诱导基因在特定条件下增强表达的过程叫诱导 (in ductio n)。例如，许多编码 DNA修复酶的基因，在应答高水平的 DNA损伤时被诱导。相 反，在应答分子信号时表达产物减少的基因称为可阻遏 (repressible)

4、基因。可阻遏基因在 特定条件下表达水平降低的过程叫阻遏 (repression) 。例如， 当培养基中存在丰富的色氨酸 时会导致细菌中催化合成色氨酸的有关酶基因表达的抑制。细胞中基因表达产物蛋白质浓度的调节涉及许多精细的平衡。无论在原核及真核生物 中，都至少有六个环节可能调节细胞中某种蛋白质的终浓度； 初始转录物的合成、 转录后加 工，RNA的降解、多肽链合成、多肽链的修饰及加工，蛋白质降解。在真核生物中，RNA从细胞核向胞浆的转运过程也是调节细胞内蛋白质浓度的重要环节。其中转录调节是研究的最清楚也是最重要的调节环节。二原核生物及真核生物表达调控的总体特点(一)原核生物基因表达调控的总体特点1

5、. 表达调节相对比较简单。2. 细菌中仅存在一种 RNA聚合酶。这种聚合酶以全酶(核心酶+起始因子)形式识别 基因启动子的特殊顺序 (主要是以 -10 和-35 为中心的两个通用顺序) ，与启动子结合而起始 转录。这种结合并不必须其它因子的协助。3. 许多基因是以操纵子为基础进行调节的。在细菌中，许多基因按照功能的相关性成群串联在一起，组成转录单位，受同一启动子驱动转录成多顺反子mRNA这种由若干结构基因及共同的启动子以及行使控制功能的附加DNA顺序(如操纵基因)一起构成的基因表达 的协同单位称为操纵子 (operon) 。许多基因的表达调节是以操纵子为单位进行调节的。4. 包括正性和负性两种

6、类型的调节。5. 原核生物基因表达调节的明显目的主要是使单一的细胞适应营养环境变化以便细胞 的生长和分裂尽可能最佳化。( 二 ) 真核生物基因表达调控的总体特点1 表达调节比较复杂2. 真核生物细胞的 RNA聚合酶有三种，分别催化18S和28S rRNA前体、mRNA 5S rRNA和tRNA 的转录。RNA聚合酶必须在转录因子帮助下才能催化转录起始。3. 绝大多数情况下是以单个基因为单位进行表达和调节的。4. 虽然存在正性及负性两种类型的调节，但以正性调节为主。5. 转录的活化与转录区的染色质结构变化有关。6. 发生在细胞核的转录与发生在胞浆的翻译之间的有形分离。7. 真核生物基因表达调节最

7、终要达到的目的似乎是为了实现能作为胚胎发育及组织分化基础 的一个遗传程序的调节。三.调节基因转录的顺式作用DNA元件基因转录调节主要靠 DNA与蛋白质以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用来实现。这里的DNA主要指调节基因转录的顺式作用元件(cis acti ng eleme nts),蛋白质主要指反式作用因子(trans-acting factors)禾口辅助因子(cofactors )顺式作用元件是指与结构基因连锁并能调节基因转录的特定DNA顺序，如启动子(promoter )、增强子( enhancer )、沉默子( silincer )、隔离子( insulator )、基因座控 制区( l

8、ocus control region, LCR )等。，1. 启动子( promoter )启动子是指能与转录装置( transcriptional machinery )结合并能准确有效地起始转录的 特定 DNA 顺序。在原核生物，转录装置的主要成分是 RNA 聚合酶全酶(核心酶起始因 子b )。在真核生物，转录装置的主要成分除RNA聚合酶外，还包含一般转录因子。RNA聚合酶II的核心启动子(core promoters)由四个不同的元件结合组成。RBE:TFIIBrecognition element; TATA(TA TA Box); Inr(intiator element); DP

9、E(downstream promoter element).典型地，一个启动子仅包含这四个元件的2或3个。图核心启动子的上游有着为在体内有效转录所必须的其它序列元件。这些包括：启动子近端元件( promoter proximal elements ); 上游活化子元件( upstream activator sequences) ; 增 强子( enhancers); 以及一系列称为沉默子( silincer )、边界元件( boundary elements ) 和隔离子( insulator )的抑制元件。 这些元件一起组成了调节顺序 ( regulatory sequences )。2

10、. 增强子( enhancer )在真核生物基因上游或下游常存在能增强基因转录的特异DNA顺序，称为增强子(enhancer )。它可以任一方向在基因上游或下游直至几 kb 距离增强基因的转录。和promoter相似，enhancer也由若干元件组成，每个元件又包含一个或几个DNA特异结合蛋白的结合位点。这些结合位点又叫子增强子 (enhanson) 。特异结合蛋白与增强子的特异结合可能是 增强基因转录的重要环节。3. 基因座控制区( locus control region, LCR )基因座控制区是指能够在转基因鼠中确立连锁的基因非整合位点依赖的高水平表达能力的DNA顺序区域，它常常由若干

11、包含 DNase 1 高敏位点的 DNA 顺序组成。4. 沉默子( silencer)和增强子相反， 沉默子是指与基因连锁的能减弱基因转录的特定 DNA 顺序， 它也能以任意方 向在基因上游或下游一定距离行使功能。 特异结合蛋白与沉默子的特异结合可能是减弱基因转录的 重要环节。5. 隔离子 (insulator)隔离子是指当放到增强子和启动子之间时能阻塞增强子作用的DNA 顺序。6. 增强子和基因座控制区增强基因转录的作用机制( 1) 拓扑模式( topological model)假定 enhancer 顺序可能通过作为一种顺序特异的拓扑异构酶结合位点起作用。 这种拓扑异构酶 可能诱导负性超

12、线圈到 DNA中，因此增强了转录起始的速率。( 2) 扫描或入口位点模式 (the scanning or the entry site model)基于对SV40增强子是一个nucleosome-free 区的考虑，一些研究者设想增强子可能服务于RNApolymerase 11( 或某个转录因子)的入口。当其与增强子顺序结合后，就沿着DNA滑动，直到接近promoter, 并帮助形成转录起始复合物。对此模式的支持来自 Courey 等的实验。他们发现，当把 psoralen-modified DNA 插入到 SV40 enhancer和人3 -globin gene 之间后，抑制了增强子效率

13、。( 3) 环模式 (looping model)这一模式是：若干结合到相距较远的增强子(或LCR结合位点上的 DNA特异结合蛋白共同形成一个复合物，通过形成一个通过核浆的环与基因启动子上的基本转录装置相互作用，增强转录。此模式强调与DNA相结合的转录因子之间的相互作用的重要性。 对此模式的支持来自转录因子可经过远距离联合作用或结合的观察。( 4)linking model(链接模型)近来提出了解释增强子和 LCR活化基因转录机制的lin ki ng 模型。这一模型的提出是 基于染色质边界元件( boundary elements )或称隔离子 (insulator) 以及增强子促进因子 (e

14、nhancer facilitators) 的鉴别。比如，在果蝇中发现的 Chip 蛋白是增强子启动子联络 的促进因子参与许多基因的转录调节。 现在证明果蝇毛发翅SU ( HW 基因隔离子也是通过 与 Chip 蛋白结合来调节此基因增强子 -启动子联系的。在哺乳动物和人类也发现了与 Chip 高度同源的蛋白。在红细胞中， Chip 同源物 Cdb1 已被证明与LIM区域蛋白Lmo2 E-盒转录因子Tal-1以及红系转录因子 GATA-1共同组成一 个DNA吉合复合体。在研究 Chip和脊椎动物同源物以及与其相互作用蛋白的基础上，人们 已经假设，LCR和启动子之间的联络通过与HD蛋白的相互作用锚

15、定到染色质纤维上的包含Chip 的一个复合物链来调节。四 调节基因转录的蛋白因子一些与顺式作用元件相互作用并调节基因转录的蛋白质，称为转录调节蛋白或转录因子， 又称反式作用因子 ( trans-acting factors )。编码这些转录因子的基因一般并不与被调节的基因连锁。一类转录因子是大多数真核生物基因有效的和启动子特异的转录起始所必需的, 称作一般转录因子 (generaltranscription factors)，如在RNA聚合酶II催化转录起始时所必需的若干转录因子TFII A ,TFII B, TFIID， TFII E ， TFII F ， TFII H 等。另一类为对特异基

16、因转录起调节作用的转录因子。一些蛋白因子并不直接与 DNA吉合，而是通过与转录因子的相互作用起到调节基因转录的功能， 称为辅助因子( cofactors )五. 转录因子的DNA吉合区转录因子至少有两个功能：特异的结合到DNA上及调节转录启动。转录因子的一个重要特征是它们具有标准的组成和结构。全部DNA吉合蛋白都以某种形式折叠成存在一个伸出的表面或易弯曲的伸开的结构，以便和DNA碱基对相接触。1 螺 旋 转 折 螺 旋 及 同 源 吉 构 域 helix-turn-helix(HTH) and homeodomainsHTH结构首先在 入噬菌体阻遏蛋白(Cro蛋白)中发现。随后在 E.coli

17、的CAP蛋白及入噬菌体的CI蛋白中发现。三个蛋白的三维结构有着惊人的相似性。它们都有三个特征的a螺旋，并且都包含一个典型的HTH结构。绝大部分原核生物调节蛋白属于这一类型。HTH是一个20个氨基酸残基组成的区域，包括两个a 螺旋。一个 a -螺旋处于DNA的大沟，称作识别螺旋。许多真核生物的转录调节蛋白，如同源异形蛋白 (homeodomain protein )的同源结构 域(homeodomain, HD)也包含HTH结构。HD由60个氨基酸残基组成，其相应的DNA编码顺序是同源异形框(hemeobox)长180bp°HD蛋白广泛存在于从酵母到哺乳动物的所有真核生 物，仅果蝇就有

18、60多种HD蛋白。原核生物的这类调节蛋白常以同源二聚体方式与DNA结合，每个单体 HTH的识别a螺旋进入DNA两个相邻的大沟，但也有以单体形式结合DNA的情况。真核生物的同源结构域蛋白常以单体形式结合到DNA上，但也有许多以异源二聚体形式结合到DNA上。图2 锌指( Zn-finger or Zn-binding domains)需要 Zn 原子以维系这一结构( 1 ) C2H2 型锌指典型的C2H2型锌指模体(motif)由23个氨基酸残基组成，在每一个这种 motif中，一 个乙门2+被2个半胱氨酸残基和 2个组氨酸残基配位， 这4个氨基酸及一个 Phe和一个Leu是 保守的。这一模体一般

19、连续排列(3到近20次)，每个之间一般相距 78个氨基酸残基，但这些模体不一定都结合DNA第一个被发现的具有型锌指的蛋白是爪蟾5SrRNA转录所必需的转录因子 TFIII A。在TFIII A 中，型锌指重复9次。已在上千种蛋白质中发现，包括一般转录因子、前致癌基因及与有丝分裂有关的一些 蛋白等。图锌原子与a螺旋上的2个Cys和B折叠片上的Cys和His残基相互作用并服务于为DNA结合区的整合所必须的结构作用。DNA被插入到大沟的一个a螺旋所识别。一些蛋白包括两个或多个连续的锌指，每个锌指插入到一个DNA大沟，随着每个增加的锌指，延伸了 DNA顺序识别的长度，并且因此扩大了结合亲合力。(2)

20、C4型锌指已在 100多种蛋白质中发现， 主要是胆固醇及其它有关激素的受体蛋白家族成员组成的转录因子。典型的G型锌指由21个氨基酸残基组成，Zn原子和4个保守的半胱氨酸残基配 位。（3）C6型锌指在包括GAL4在内的一组酵母转录活化因子中发现。在C6型锌指中，大约 27个氨基酸残基折叠成紧密的球形，包含 2个Zn原子，为6个半胱氨酸残基配位。 GAL4以二聚体形式 与 DNA 结合。3. 亮氨酸拉链 （leucine zipper）已发现具有这种结构的 DNA结合蛋白包括：CCAAT/enhancer-binding protein（C/EBP ，一种能结合到单显性疱疹病毒 TK基因调节区 的

21、蛋白质）；酵母转录因子 GCN4血清诱导基因fos and jun编码的蛋白；cAMP应答因素结 合蛋白 （CREB， cyclic AMP response element-binding protein）。这些蛋白常以同源二聚体或异源二聚体的形式与DNA结合。这些蛋白的DNA吉合区可以分为两部分：碱性区（结合区）：它与DNA结合，此区含许多具有亲水性的氨基酸。它也可能形成 a -螺旋，但只有与 DNA吉合后这种a -螺旋才是稳定的。与碱性区相连的是七个一套的氨基酸残基连续排列， 每第 7 个氨基酸残基都是疏水的亮 氨酸残基，在螺旋的一面。它调节二聚作用。带电荷的氨基酸在另一面。整个a 螺旋

22、具有两性特征。二聚体的形成对与DNA的结合是绝对必要的。与DNA结合的是这一模体的碱性区，而不是拉链区，故这一模体又常称作碱性拉链（basic zipper，b-Zip ）。图4螺旋环螺旋 （helix-loop-helix， HLH）HLH 模体含有4050个氨基酸残基，在2个具有两性特征的 a螺旋之间具有一个长度 可变的连接区（loop ）,每个a螺旋由1516个氨基酸组成，其中有若干保守碱基。通过 a螺旋之间的相互作用，HLH蛋白能够形成同源和异源二聚体。环的存在可以保证两个a螺旋独立地起作用，但两个 a 螺旋区往往对二聚体的形成都是重要的。绝大部分HLH蛋白的HLH模体附近具有一个富含

23、碱性氨基酸的区域。此区域含有约15个氨基酸残基，其中约6个是保守的，这个区域是结合 DNA所必需的。这类蛋白又称为碱性 螺旋环螺旋（basic helix-loop-helix , bHLH）。包括E12和E47 （两种能结合到免疫球 蛋白k链基因增强子上特异 DNA顺序的调节蛋白），MyoD1肌细胞生成素（myogenin ）及 Myf-5（均在肌肉形成中起重要作用 ），癌基因c-myc的表达产物Myc蛋白（与生长调控有关）， 以及调节果蝇神经系统发育的一组蛋白等。有趣的是，至少bHLH家族的两个成员,E12和myogenin, 也包含 7 个一套的氨基酸残基连续排列，每第 7 个为亮氨酸残

24、基。此外，对 Myc 蛋白家族及其它转录调节蛋白的研究导致了一个 bHLH-ZIP 家族的发现。这一家族成员可以 同源或异源二聚体的形式与DNA吉合，它们包含一个HLH区和亮氨酸拉链区并紧接着一个碱性区。这一蛋白家系包括c-、L-和N-myc,USF和AP-4。5.其它DNA吉合蛋白一些不属于上述四种类型的DNA结合蛋白也已被鉴别。女口：热休克因子、血清应答因子、NF-k B、 TFIID 等。六、转录活化机制(一)转录活化区的鉴别转录活化蛋白至少有两个功能区1. DNA 结合区。束缚蛋白质到 DNA上。蛋白质和 DNA的相互作用依赖于氨基酸侧链和DNA上功能基团之间的接触。2. 转录活化区。

25、 转录的活化可归因于一个蛋白质的某些基团， 其边界及顺序尚未划清。 此 外，这些因子常具有多于一个的活化区。酵母活化因子 GAL4及GCN4的活化区长80100个氨基酸，具有两个特性：这一区域 含负电荷(酸性)氨基酸比较丰富(共 7到16个负电荷)；它们能形成亲水的 a -螺旋结 构。GCN4包含两个这样的酸性活化区。Human GC-box-binding protein,Sp1有 4 个分离的转录活化区。两个最有力的转录活化区富含谷氨酰胺 (含谷氨酰胺 25，并几乎不含带电荷的氨基酸 )CTF/NF-1 的转录活化区为 pro 丰富区( 20 30)。(二)转录活化机制转录活化因子活化基因转录的机制可能有以下情况：1. 一个假设是：