基因调控

yujian623

转录水平的调控
许多真核生物基因编码关键代谢酶或细胞组成成分，这些基因常在所有细胞中都处于活性态。这种组成型表达的基因称为持家基因(house keeping gene)。另一些基因的表达则因细胞或组织不同而异，只在某些特定的发育时期或细胞中才高效表达。这类基因的表达调控通常发生在转录水平。
前面介绍了细菌中的基因经诱导可使表达效率提高千倍以上。这种极端的调控水平很难发生在真核生物基因表达中（酵母菌除外）。大多数真核生物基因经诱导可提高几倍至数十倍的表达效率。多数真核生物基因转录水平的调控是正调控。
1． 真核基因表达调控的顺式作用元件
顺式作用元件(cis-acting element)是指DNA分子上对基因表达有调节活性的特定核苷酸序列。
顺式作用元件的活性只影响同一DNA分子上的基因。这种DNA序列多位于基因上游或内含子中。
真核基因的顺式作用元件按其功能可以分为：启动子、增强子和静止子。
启动子的结构和功能
启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于受其调控的基因上游，邻近基因转录起始点，是基因的一部分。
TATA框（TATA box）：位于－25～－30位置，是RNA聚合酶Ⅱ识别和结合位点。富含AT碱基，一般有8bp，改变其中任何一个碱基都会显著降低转录活性。又称为Hogness box。
CAAT框（CAAT box）：位于－70～－80位置，共有序列GGCC(T)CAATCT。决定启动子的起始频率。
兔的β珠蛋白基因的CAAT框变成TTCCAATCT，其转录效率只有原来的12％。
GC框(GC box)：－110位置。增强转录活性。
真核基因的启动子又三个顺式调控元件，而原核基因的启动子只有两个顺式调控元件。
增强子的结构和功能
增强子（enhancer）是一种远端调控元件，至少距转录起始点上游100bp以上，通常位于－700～－1000处，所以又称为上游激活序列(upstream activator sequence, UAS)。
增强子区的跨度一般有100－200bp，常由8－12bp的核心序列和其他序列相间排列。
静止子
是一种类似增强子但起负调控作用的顺式作用元件。
2． 真核基因调控的反式作用因子
不论是启动子还是增强子序列，他们的转录调节功能都是通过与特定的DNA结合蛋白的相互作用而实现的。
能直接或间接识别各种顺式调控元件并与之结合从而调控基因转录效率的各种蛋白质分子称为反式作用因子 (trans-acting factor)。
这类DNA结合蛋白由多种，顺式调控元件也有多种，正是不同的DNA序列和不同的DNA结合蛋白之间在空间结构上的相互作用，以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用，构成了复杂的基因转录调控机制。
研究得比较多得反式作用因子有：激活子（transcription activator）、SP1、CTF、Ap－1、Ap-2、Oct－1、Oct－2等。
反式作用因子的结构特征
反式作用因子一般都具有三个不同功能的结构域(domain)。
①DNA结合结构域 对大量转录调控因子结构的研究表明，DNA结合结构域大多在100bp以下。大体上有4种结构特征：α螺旋－转角－α螺旋结构、锌指结构、亮氨酸拉链结构或螺旋－环区－螺旋结构。
②激活基因转录的功能结构域 一般有20－100个氨基酸组成。有时一个反式作用因子可能有一个以上的转录激活区。结构特征有：含有很多带负电荷的α螺旋、富含谷氨酰胺或者富含脯氨酸。
1. 激活子 激活子是一中与强化子结合的蛋白，也属于一种转录因子。能促进转录的是正激活子，而抑制转录的是负激活子，他们控制基因转录的时间、地点和效率。正激活子中又包括真激活自和抗阻 物激活子，前者是与启动子区域的转录复合体直接接触来激活转录；后者是通过改变染色质的结构，以便其他转录因子的结合，从而提高转录效率的。
（1） 真激活子 包括两个功能区域（具有特殊功能的一段氨基酸）：与强化子结合的DNA 结合区域和与转录复合体中的蛋白质互作的反式调控激活区域。真核生物基因的转录真激活因子最早是在酵母菌中发现的，这种真激活因子也具有两个不同的区域，其DNA结合区域具有特定的三维结构，包括α-螺旋-转因子-α-螺旋、锌指和碱性亮氨酸拉链。HTH是最早发现的DNA结合区域，λ噬菌体的cro阻 物以及乳糖和色氨酸阻 蛋白均具有HTH 构型。HTH的三维构型中由转角分隔的两个α-螺旋与DNA结合（图8-27）。与其他DNA结合蛋白不同的是，HTH不能单独折叠或与DNA结合，他只是DNA结合蛋白的一部分，HTH构型以外的氨基酸在控制识别和结合DNA中具有重要作用。许多控制发育过程的真核生物基因具有HTH构型。几乎所有生物都具有的同型异位盒，在一段180个氨基酸中，由60氨基酸中组成 的同型异位区域就构成HTH构型。在这60个氨基酸中有许多精氨酸和赖氨酸，以及其他保守的氨基酸序列。
具有锌指构型的蛋白是一种参与许多真核生物基因调控的转录因子，最早在爪蟾转录因子TFIIA中发现的。现在知道，这种构型存在于致癌基因、果蝇中控制发育的基因，以及受生长因子和分化信号诱导合成的蛋白质序列中。一个锌指区域包括两个半胱氨酸（CyS）以及两个组氨酸族，其保守重复序列为CyS-N2-CyS-N12-14-HiS-N3-HiS。其中的CyS和HiS残基与锌离子形成的配位键，使氨基酸折叠成环，形成类似于手指的构型（图8-28）。锌指蛋白可形成的手指数目为2~13。每个手指包括约23个氨基酸残基，各手指由7~8个氨基酸连接。锌指与DNA 大沟结合并环绕DNA分子（图8-28）。在大沟内，锌指与特异DNA碱基互作，并可能与碱基尤其是G C富含区形成氢键。
第三种DNA结合蛋白区域是碱基亮氨酸拉链，bZIP具有可形成蛋白质-蛋白质二聚体的亮氨酸拉链区（LP）。LP最早是在老鼠肝脏中的一种核蛋白中发现的，具有35个氨基酸残基，其中有4个亮氨酸，每个之间正好相距7个其他氨基酸，两段是碱基氨基酸。这种区域形成的 -螺旋的侧面，每两圈有一个伸出的亮氨酸，当两个这样的蛋白质分子形成二聚体时，两个 -螺旋之间由亮氨酸残基间的疏水作用力形成一条拉链，碱性 -螺旋DNA 中的磷酸残基和碱基结合，使二聚体形成一种剪刀结构（图8-29）。
除了DNA结合区域外，激活子还具有与其他转录因子互作的区域，与结合在启动子的转录因子或直接与RNA聚合酶互作，这些区域的长度未30~100氨基酸。有些激活子还具有与辅助激活子互作的区域。
（2） 抗阻 激活子 抗阻 激活子是通过染色质重建来激活基因表达的。染色质结构在细胞间期到有丝分裂期发生变化，其中最重要的是基因表达时发生染色质重建。研究表明，当基因转录或即将起始转录时，染色质DNA I酶降解敏感或超敏感。而在基因完全不转录是，染色质对DNA I酶不敏感，着是因为DN A I 酶很容易消化开放（即松散）的染色质，不能消化紧缩的染色质。所以染色质结构成为基因表达的开关。
有两种不同结构可以改变染色体结构。一种方式是通过ATP水解-重建符合体途径催化的。酵母菌中的SWI/SNF系统属于这种类型。SWI/SNF是具有11个亚基的复合体，广泛存在于酵母菌及其他真核生物中。这种重建复合体通过激活子、转录因子以及与不同的重建复合体一起作用于靶基因。有些激活子可以结合并打开紧缩的染色质，改变DNA与核小体中心颗粒缠绕的途径，或改变核小体中心颗粒本身的结构，从而促进转录因子及RNA聚合酶与启动子结合，起始转录。
重建染色质的另一种方式是经组氨酸乙酰转移酶（HAT）修饰组氨酸。当一个乙酰基转移末端的碱基氨基酸后，会降低碱性组蛋白与酸性DNA之间的吸引力。HAT也是在特异激活子的作用下作用于靶位点。重建复合体与HAT总是协同工作的方式重建染色质，通常在强化子位点发生的染色质重建，再延伸扩展到基因的启动子位点，使RNA聚合酶等与启动子结合，转录RNA。有些可结合特殊蛋白的DNA 序列，称为隔绝元件，可以阻止染色质重建扩展到临近基因。另外，乙酰化的组蛋白也可在组氨酸脱乙酰酶（HD）作用下除去乙酰基，恢复紧缩的染色质结构。
4．酵母菌乳糖代谢的正调控 早在1900年就被发现的酵母菌半乳糖代谢酶诱导系统，是真核生物中最早作为基因调控研究的系统之一。酵母皲半乳糖基因的作用方式与细菌中的乳糖操纵元和阿拉伯躺操纵元相似，半乳糖的存在与否决定半乳糖代谢基因是否表达。在没有半乳糖时，基因不表达；加入半乳糖后，mRNA浓度可迅速增加1000倍。但是只有在低浓度葡萄糖存在时，才出现这种诱导表达，说明酵母菌半乳糖基因表达也是受另一种方式调空的，即代谢抑制。半乳糖基因是受GAL4调控蛋白调控，调控蛋白存在时激活基因转录，因此，酵母菌半乳糖基因表达是正调控。这里利用两个半乳糖基因GAL1和GAL10来说明这种基因调控机制。这两个基因的转录受一个长约170BP的上游激活序列（UAS）调控，UAS与强化子的功能相似，其染色质结构为组成型开放，没有核小体，对DNA I酶超敏感。这种开放的染色质结构需要SWI/SNF重建复合体参与。UAS序列具有4GAL4蛋白质（GAL4P）结合位点，无论基因是否转录，这4 个位点总是与GAL4P结合。同时，GAL4P又受另一个调控蛋白GAL80P的负调控，GAL80P总是与GAL4P结合，覆盖了GAL4P的活性中心（图8-30），当磷酸化的半乳糖与GAL80P/GAL4P复合体结合时，改变他们的构型，使GAL4P的活性中心外露，结果诱导GAL基因表达。这种诱导系统涉及一种蛋白质激酶。这个诱导过程包括集中其他转录因子，进一步重建染色质，以使GAL基因启动子的TATA盒能与TBP结合。
GAL4P含有881个氨基酸，具有能识别UAS系列的DNA结合区域，以及一个激活转录的反式调控区域。利用不同的GAL4P缺失突变进行功能性研究表明，这个蛋白质的N端（1~98个氨基酸）是与UAS DNA结合的区域；还有两个转录激活子区域，分别位于第148至第196个氨基酸（I）和第768至第881个氨基酸处（II）。利用重组DNA技术构建不同GAL4P缺失突变体，分析其DNA结合和转录激活功能。结果表明，含DNA结合区域以及一种转录激活区域的构建体都降低转录活性。
转录活性区域功能性研究还分离出一些突变体，可提高转录效率，他们都含有较多的带负电荷的氨基酸，一个拘囿个带负电的氨基酸的突变，可将转录效率提高9倍。这些表明，转录激活的过程涉及蛋白质-蛋白质的互作，从而引起染色质重建，稳定DNA与RNA聚合酶的结合，提高转录区域DNA双链的解链效率，加速RNA聚合酶的释放，或引导和稳定同启动子RNA聚合酶结合的其他因子。
3．选择性启动子 有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子，用于在不同细胞中表达。不同启动子可产生不同的初级转录产物和相同的蛋白质编码序列。果蝇的乙醇脱氢酶基因是一个典型的例子。这个基因的结构见图8-31A。在幼虫（图8-31B）和成虫期（图8-31C）分别利用不同启动子进行转录。成虫期的转录具有一段很长的5’端前导序列，其中大多数在mRNA加工中去掉。多启动子可使幼虫和成虫具有独立的转录调控。