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11.3 真核基因转录水平的调控
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:10252    更新时间:2011/4/15
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原核生物基因表达以操纵子为单位启动或关闭结构基因转录。转录的调控区很小,调控蛋白结合到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。基因转录的调节区相对较大,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。

 

11.3.1 顺式作用元件

顺式作用元件(cis-acting elements)是调控基因表达的DNA序列,它们与特定的功能基因连锁在一起,可同许多与起始转录有关的蛋白因子结合而调控转录。

顺式作用元件包括启动子(promoter)的元件、增强子(enhancer)的元件以及起负性调控作用的沉默子(silencer)的元件等。

 

①启动子元件

启动子是转录起始位点附近启动转录所必需的一段DNA序列。

真核生物有3种RNA pol,分别负责转录不同的基因,每种RNA pol都有自己的启动子。

 

通过改变“启动子”序列后对其转录能力的影响可确定启动子。在“启动子”上游加上相等长度的上游序列,在距离其下游约500bp处切断转录模板以保证聚合酶可从相同的位置脱离,产生可鉴别的转录物。

 

从“启动子”两侧不断缩短长度直至丧生启动子功能。

 

与原核生物不同,真核不同启动子间没有明显一致的序列,RNA pol不能单独识别启动子而起动转录,需多种蛋白质因子的相互协调作用。

真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100~200bp序列,其中包含多个具有独立功能的DNA序列元件,每个元件约长7~30bp。不同启动子包含的元件的种类、数目和位置不同,各元件之间的距离也对转录很重要。

 

②增强子(enhancer)元件

增强子是一段能提高转录效率的DNA序列。

最早是在SV40病毒中发现长约200bp的一段DNA,可使旁侧的基因转录提高100倍。在多种真核和原核生物中都发现有增强子。

 

增强子通常占100~200bp长度,由若干短的元件组成组成,其基本核心组件常为8-12bp,可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。它们可被特异蛋白因子结合。元件中许多与启动子中的元件相同(如AP1和Oct),但元件密度较大。

 

③沉默子(silencer)

最早在酵母中发现,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与增强子作用相反的负调控顺式元件的存在。

沉默子的作用可不受序列方向的影响,也能远距离发挥作用,并可对异源基因的表达起作用。

 

The zinc-finger protein CTCF, was one of the first identified factors binding to metazoan(后生动物) silencing elements.

 

④绝缘子(insulator)

绝缘子是能够阻断激活或失活效应的DNA元件。

 

绝缘子通过与特定蛋白的作用可阻断增强子对启动子的激活,也能够屏障异染色质延伸引起的基因失活效应。

它的作用具有方向性,不同于增强子,它屏蔽了增强子对不同启动子无选择性的顺式作用。

 

 

 

基因表达受到启动子的调控,有些还受增强子的调控,但有时基因位于一个含有几条基因的特定结构域中,还要受可作用于整个结构域的调控元件的影响。

 

由于将一段DNA,其中包含一条基因的全部调控序列,转入动物细胞后而无法表达,表明可能存在影响特定结构域的调控元件。这个区域称为基因座调控区域(locus control region)。

 

11.3.2 反式作用因子

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(trans-acting factors)。

真核生物的转录调控是通过顺式作用元件与反式作用因子的相互作用实现的。

 

真核生物基因结构复杂,基因激活过程涉及多种蛋白的作用。这些蛋白均为反式作用因子。

真核RNA pol不能识别DNA上的启动子,识别这些序列的反式作用因子称为转录因子。

 

11.3.3 转录因子的作用方式

真核RNA pol对启动子的亲和力很低,需要依赖多种转录因子的协同作用才能起始转录。

结构基因上游的调控序列由许多同源性强的元件组成,不同的元件在一定的细胞内环境下形成一定的构象,可被DNA结合蛋白识别并结合。

 

真核的转录起始是通过蛋白与DNA间以及蛋白与蛋白间的相互作用形成复杂的起始转录复合物而实现转录起始。

 

转录因子结构中可包含DNA结合域、转录激活域和连接区。连接区是连接DNA结合域与转录激活域的部分,一些转录因子还有二聚体结构域。

 

不与DNA直接结合的转录因子没有DNA结合域,但能通过转录激活域直接或间接作用于转录复合体而影响转录效率。

 

11.3.3.1 DNA结合域

DNA结合域(DNA binding domain)一般由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。

 

不同条件下形成不同的二聚体(同或异二聚体),能不能与DNA结合是调控基因表达的重要方式之一。

 

转录因子的DNA结合结构域有锌指和螺旋-转角-螺旋等形式。

①锌指(zinc finger)结构域

锌指蛋白和类固醇受体含有锌指结构域。

每个重复的“指”状结构约含23个氨基酸残基,锌以4个配价键与4个Cys、或2个Cys和2个His相结合。

 

C2H2锌指:CX2~4C....HX2~4H,2个C和2个H与Zn2+结合。

 

C4锌指:CX2CX13CX2CX14~15CX5CX9CX2C。前面4个C与后面4个C分别与1个Zn2+结合。

 

C6锌指:CX2CX6CX5~6CX2CX6C。6个C与2个Zn2+结合。

 

蛋白质分子可有2~9个锌指重复单位。每个单位以其指部伸入DNA双螺旋的大沟,接触5个核苷酸。

如TFⅢA有连续9个锌指重复结构与DNA结合。

 

 

 

②螺旋-转角-螺旋结构域

HTH(helix-turn-helix,HTH)首先在原核DNA调控蛋白中发现,如λphage中的CRO蛋白。

 

 

HTH结构域组成:两个α-螺旋区被一个β-转角隔开。其中一个a-螺旋常带有几个与DNA序列相识别的氨基酸可与DNA大沟结合。

 

③同源异型域(Homeo domain)

同源异型域最早来自控制躯体发育的基因,长约60个氨基酸,其中的DNA结合区与HTH的结构很相似。将编码同源异型域的DNA序列称为同源异型盒(homeo box)。

同源异型盒是DNA上编码一类与发育有关的调控蛋白(转录因子)上与DNA结合的结构域的序列。

 

同源异型域是调控蛋白上与DNA结合的结构域。其序列在不同生物中有很高的同源性。

 

同源异型域广泛存在于真核生物蛋白中,但只在发育相关的调控蛋白中才有高的保守性,在果蝇中,该基因负责身体各部分的分化。如果蝇早期发育的调控蛋白Antennapedia的突变使该长触角的地方长出了腿。这些基因对胚胎的空间构型的形成非常重要。

 

果蝇和哺乳动物中,同源异型基因在基因簇中排列顺序相同,这些基因同系物在胚胎的前后轴间也以相似的顺序进行表达。

不同的同源异型域特异地识别DNA上不同的调控序列,使含有此结构域的调控蛋白结合于DNA上。

 

果蝇engrailed基因产物的同源异型域有3个螺旋,其中螺旋3结合于DNA大沟中,是蛋白质与DNA的主要接触部位,其中间部分与碱基结合决定了其结合DNA的特异性,与磷酸结合无特异性。

 

结构域N端伸入到DNA小沟中,成为与DNA的第二个特异性接触位点。

 

④碱性结构域

碱性结构域通常与亮氨酸拉链或HLH基序中的一个联合在一起,因此称为碱性亮氨酸拉链或碱性HLH蛋白,蛋白的二聚作用使两个碱性结构域相连,并与DNA作用。

 

11.3.3.2 二聚体结构域

①亮氨酸拉链(leucine zipper,LZIP)

肽链上每隔6个残基就有1个疏水的Leu残基,导致Leu残基都集中在α-螺旋的同一侧。两条肽链靠Leu间的疏水作用形成二聚体,形同拉链状。

 

亮氨酸拉链二聚体另一端肽段富含碱性氨基酸残基(Lys、Arg),借其正电荷与DNA链上的磷酸基团结合。

 

 

②螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix)

总长约50个aa残基,2个α-螺旋(长15~16aa)由环状结构相连,同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能。这类蛋白依靠两α-螺旋间的疏水作用可形成同(或异)二聚体。

 

HLH的DNA结合功能是由较短的富含碱性氨基酸区段决定的。

HLH与HTH的差别在于两个a-螺旋间有一个环。HLH亦以同型二聚体或异型二聚体与DNA结合。

 

11.3.3.3 转录激活结构域
(transcription activating domain)

转录因子除了有DNA结合结构域外还有与蛋白(基础转录因子)结合的结构域,用于和RNA pol或其它转录因子相互作用。各结构域是相互独立的。

转录激活域一般由30~100氨基酸残基组成,这些结构域有富含酸性氨基酸、富含Gln和富含Pro等不同种类。

 

①酸性α-螺旋(acidic α-helix)

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α-螺旋。

含有这种结构域的转录因子有GAL4、GCN4、糖皮质激素受体和AP-1/Jun等。

 

②Gln丰富区(glutamine-rich domain)

SP1的N末端含有2个主要的转录激活区,氨基酸组成中有25%的Gln,很少有带电荷的氨基酸残基。

酵母的HAP1、HAP2及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2等也含有这种结构域。

 

③脯氨酸丰富区(proline-rich domain)

CTF家族(包括CTF-1、CTF-2、CTF-3)的C末端与其转录激活功能有关,含有20%-30%的脯氨酸残基。

 

11.3.4 三种RNA pol的转录起始

真核的每种RNA pol都是巨大的蛋白(500kD以上),约由12个左右的亚基组成,其中有些是3种酶共有的。每个聚合酶最大的亚基彼此同源。

 

RNA polⅡ的类β’亚基(与DNA结合)有柔性的C端结构域,在转录起始和延长中起重要作用,并与剪接和多聚腺苷化因子结合,参与RNA加工。

 

真核生物没有σ因子,因此需要其它蛋白质帮助识别或结合启动子。

RNA polⅠ转录rRNA基因产生45SrRNA前体,加工成5.8S、18S和28SrRNA。

RNA polⅢ的转录产物为5SrRNA、tRNA和SnRNA。

RNA polⅡ的转录mRNA和一些SnRNA的基因。

 

RNA polⅠ转录rRNA基因

RNA polⅢ转录5SrRNA、tRNA和SnRNA

RNA polⅡ转录mRNA和一些SnRNA的基因

 

11.3.4.1 RNA polⅠ的转录起始

RNA polⅠ的启动子由核心元件(core element,-45~+20,富含G-C,仅有富含A-T的短序列围绕在起始点,Inr)和上游调控元件(upstream control element,UCE, -180~-107,富含G-C)组成。

 

突变影响转录起始的实验可鉴定出人类rRNA基因启动子区域由两个元件组成

 

rRNA基因启动子两个元件间的距离对启动子强度的影响

 

核心启动子单独存在时就可起始转录,上游调控元件能增强转录效率。这类启动子序列保守性不强,但核心元件和上游调控元件的空间位置对转录非常重要,暗示UCE因子与核心元件因子结合在DNA的同一侧面。

 

RNA polⅠ的起始转录需要2个转录因子,上游结合因子(upstream binding factor,UBF)与启动子的上游调控元件(upstream control element,UCE)结合后,SL1也随之协同地与核心元件结合。SL1可使RNA polⅠ正确定位在起始点上起始转录。

 

SL1是由4种蛋白组成的寡聚体,是结合TATA box的结合蛋白(TATA box binding protein,TBP)的复合物,其中一些组分决定了转录的特异性,功能类似于原核的σ因子。

 

TBP的MW为30KD,与TATA box结合,覆盖-37~-25,结合于DNA的小沟,DNA结合结构域保守。N-末端有与其他蛋白作用的结构域。TBP是RNA pol识别DNA并与DNA特异序列结合的基础转录因子。

转录因子结合区大于元件保守序列。

 

TBP(TATA box binding protein)是三种RNA pol识别DNA特异序列的基础转录因子,它与其它因子组成定位因子。

RNA pol与启动子的结合需要含有TBP的转录因子的帮助,如TFⅢB中含有TBP。TBP可识别TATA box。

 

11.3.4.2 RNA polⅢ的转录起始

RNA polⅢ的启动子可分为内部启动子和上游启动子。

 

 

①内部启动子的启动

内部启动子是5S rRNA和tRNA基因的启动子,位于转录起始位点下游,由2个短序列组成。

内部启动子中的Ⅰ型由boxA和boxC组成;Ⅱ型由boxA和boxB组成,A和B距离变化大。

 

Ⅰ型启动子的启动:TFⅢA结合在boxA处引起TFⅢC结合在boxC处,导致TFⅢB结合在起始位点周围,最终引起RNA聚合酶Ⅲ结合而起始转录。

 

Ⅱ型启动子的启动:TFⅢC同时结合在boxA和boxB处,引起TFⅢB结合于起始位点,导致RNA聚合酶Ⅲ的结合而起始转录。

 

TFⅢB由4个亚基组成,其中含有TBP(TATA box binding protein),可识别TATA box。TFⅢB是必需的基础转录因子,需要组装因子TFⅢA和TFⅢC的帮助才能正确定位在起始位点处。

 

②上游启动子的启动

上游启动子位于转录起始位点上游,由3个元件组成:起始转录元件TATA box、近侧序列元件(proximal sequence element,PSE box)和八核苷酸序列框OCT box。

 

含有TBP的因子可直接识别并结合在TATA box处,引起RNA polⅢ的结合,PSE和OCT元件的存在的提高了转录效率。

这些元件也存在于由RNA polⅡ转录的snRNA基因的启动子,部分snRNA基因由RNA polⅡ转录,而其它由RNA pol Ⅲ转录。上游元件在RNA pol Ⅱ和RNA pol Ⅲ的启动子中以相似的方式起作用。

 

11.3.4.3 RNA polⅡ的转录起始

①RNA polⅡ的启动子

RNA polⅡ转录产物种类繁多,启动子结构复杂,涉及转录起始点及上游100~200bp序列,含有多个具独立功能的元件。

 

启动子中的元件可分为核心启动子元件(转录起始点及-25区的TATA box)和上游启动子元件(-70区的CAAT box和GC box及更远的上游元件)。

 

核心启动子元件(core promoter element):包括转录起始点(initiator,Inr,起始子)和TATA box。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。

 

-25区TATA box是7bp的保守序列,规定转录起始点,此框必须在编码链上。

无TATA box的核心启动子一般由Inr和DPE(downstream promoter element)组成。

 

Inr序列一般为YYCAYYYYY(Y为嘧啶),位于-3~+5。DPE位于+28~+32。

 

上游启动子元件(upstream promoter elements)

包括位于-70区附近的CAAT box和GC box及距转录起始点更远的上游元件。

CAAT box:保守序列GGCCAATCT。

GC box:保守序列GGGCGG。

 

用碱基突变法鉴定出的影响转录效率的3个短序列。-30(TATA)、-75(CAAT)、-90(GC)

 

不同基因的上游启动子元件的组成和位置不同,这些元件与相应的转录因子结合能提高或改变转录效率,使不同基因表达调控不同。

每个元件由短的DNA序列构成,是转录因子结合区。各元件之间的距离(或空间位置)对转录也是很重要的。

 

含有不同组合元件的几个启动子

 

哺乳类RNA polⅡ启动子中常见的元件

 

②RNA polⅡ的转录因子

RNA pol Ⅱ不能直接识别DNA上的启动子元件,在多种转录因子与这些元件识别结合后,RNA polⅡ才能结合在DNA上启动转录。

将众多的转录因子按作用分为:

基础转录因子(basal factor):启动子起始RNA合成的必需因子,与RNA pol结合形成围绕在起始点和TATA box周围的复合物。

 

上游转录因子:识别并特异地结合在上游顺式元件上,其活性不受调控,可作用于具有识别序列的任何启动子上。可提高启动效率(相当于TFⅢA和TFⅢC),是强启动子所必需的。

 

诱导型转录因子(inducible factor):作用与上游因子相同,但它们是受调控的,其在特定时间(细胞发育阶段)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(response element)。

 

上游转录因子和诱导型转录因子属于激活剂,它们可与DNA直接作用,有些蛋白不与DNA直接作用,通过蛋白与蛋白间的作用来连接激活剂与基本转录复合体而发挥作用,称为辅激活剂。

 

一个仅含有被基础因子和上游因子所识别的元件的启动子能在任何细胞中进行转录。能被此类启动子起始转录的基因叫做持家基因(housekeeping gene)。

持家基因的启动子一般含有被基础因子和上游因子所识别的元件,此启动子能在任何类型的细胞中进行组成型表达(不受诱导)。

 

③RNA polⅡ转录的起始

有TATA box启动子的转录起始

RNA polⅡ不同类型的启动子中只有部分元件(TATA box和起始子)能与基础转录因子结合,这样的启动子为通用启动子。

基础转录因子可与通用启动子上的元件结合。RNA polⅡ和基础转录因子在启动子上组成基础转录装置(basal transcription apparatus)这是转录任何启动子都必须的。

 

转录因子TFⅡD结合于TATA box及其上游区,与TATA盒结合的是TFⅡD的TBP(TATA box binding protein)亚基,TFⅡD的其余亚基称为TBP相关因子(TBP-associated factor,TAF),含有不同TAF的TFⅡD具有识别不同启动子的特异性。

 

TAF分子量变化范围为30~250kD,分别命名为TAFⅡ-30~TAFⅡ-250。

 

TAF的作用可将上游调控区和远端调控区结合的调控因子与转录前起始复合物(PIC)联系到一起,从而介导各种反式作用因子对基础转录的调控;

TAF与调控因子的结合有一定的特异性:广泛存在于UPE的GC盒元件上,Sp1与TAFⅡ-110结合,通过这两种蛋白分子中各自富含的谷氨酰胺结构域相互结合,从而激活PIC。

 

TAFⅡ可介导各种转录因子的作用

 

最小的TBP/TAF复合物不能支持激活

 

两种不同的三聚体复合物能支持Gal4-NTF1的激活作用,但不支持Sp1的激活

 

含有TAFⅡ-100的四聚体复合物能介导Sp1的激活作用

 

完整的含有TFⅡD能支持各种激活因子的作用

 

TBP结合于DNA的小沟,覆盖了-37~-25区,TAF的加入延伸了对DNA的覆盖,整个TFⅡD复合物可覆盖-45~-10区域。

 

 

TFⅡA的加入作用于TAF而使TBP活化,使TFⅡD保护更上游的区域。

TBP和TAF复合物可与聚合酶的CTD作用,同时也可与TFⅡB作用,对于TFⅡF和聚合酶的加入可能是重要的。

 

TFⅡB可结合在-10~+10的起始点附近。

 

TFⅡF是由2种亚基组成的四聚体,大亚基有解旋酶活性,小亚基可与聚合酶结合并将其携带至转录因子-启动子的复合体上。

此时TFⅡE也可结合。之后TFⅡH和TFⅡJ也结合到复合体上。

 

转录因子和RNA polⅡ与启动子序列结合形成一个基础的,有转录功能的转录前起始复合物(pre initiation complex, PIC)。

 

TFⅡH的解旋酶活性利用ATP水解释放出的能量解开双螺旋(熔链位置约从-10开始)。

 

TFⅡH有激酶活性,它可使RNA polⅡ的CTD尾巴磷酸化,导致RNA polⅡ与转录因子的分离,除TFⅡF(延伸时有解旋酶活性)与RNA pol结合外其它转录因子都离开,RNA polⅡ可进行转录延伸。

 

 

RNA polⅡ合成出RNA时,CTD也直接或间接地参与对RNA的加工过程,磷酸化的CTD可结合加帽酶、剪接和加尾装置。

 

④无TATA box启动子的转录起始

无TATA box的启动子,TFⅡD依赖一种或更多的TAF直接识别Inr(initiator,位于-3~+5)并与之结合,TFⅡD中的其它TAF识别DPE,之后就与有TATA box的启动相似。

TBP在无TATA box启动子中的功能类似于RNA polⅠ中的SL1和RNA polⅢ中的内部启动子的TFⅢB中的TBP的作用。

 

基础转录装置是转录任何基因所必需的,若只满足这个条件时转录效率是极低的。

 

含有TATA框和Inr核心启动子时,TBP本身能结合于启动子的TATA框;它也可同TFⅡD中的TAF Ⅱ亚基一起结合;并且TBP也能同几个TAFⅡ亚基(TAFⅡ-250和-150)一起结合于核心启动子。

 

在无TATA框,有Inr的启动子中,TBP不能结合于这个启动子;完整的TFⅡD通过TAFⅡ-250和TAFⅡ-150之间的相互作用,能结合于这种缺少TATA框的启动子上;TAFⅡ-250和TAFⅡ-150足以把TBP连接到Inr位点上。

 

在启动子无TATA和Inr,但含有GC框的情况,TBP本身不能结合于这种启动子;但通过同已结合于GC框的Sp1相互作用,完整的TFⅡD能结合于这个启动子;TAFⅡ-250,TAFⅡ-150和TAFⅡ-110足以把TBP锚定到已结合于GC框的Sp1蛋白上。

 

一个启动子要达到足够的转录效率和具有特异性,要依靠更多的元件(包括上游启动子元件、增强子和应答元件),这些元件由上游因子或诱导型因子所识别,当转录因子结合在这些序列上后,可在起始复合物形成的不同阶段发挥效应。

 

11.3.5与已知元件结合的转录因子

①TATA box结合蛋白

RNA polⅡ需与其他转录因子结合才能起始转录。把转录因子需要量最小的启动子称为通用启动子(generic promoter),具有组成型表达特性,这些启动子上游调控区及所需转录因子在绝大多数甚至全部基因中都是高度保守的。

 

RNA polⅡ的基本转录因子

 

②结合CAAT box的转录因子

CTF(CAAT box transcription factor)家族是能识别CAAT box的一组转录因子。它们是同一基因编码转录后剪接方式不同形成的一组mRNA产生的。

 

CAAT box可被多种转录因子识别,如CTF家族和CP家族等因子对不同基因的CAAT box有不同的亲和力。因此,在启动区的某个保守序列,并非同一蛋白因子参与了该基因的调控,这具有一定的调节意义。

 

10个球蛋白基因5’-调控区序列,几乎都具有CCAAT box(-80区)和TATA box(-30区)。

 

③GC box结合因子

GC box结合蛋白SP1可与GC box(约20bp)特异结合。

在SV40启动子区,从-70~-110的6个GC box全部与SP1结合。在胸苷酸激酶启动子区,SP1既与上游的CTF(CAAT区结合蛋白)相互作用,又与下游的TFⅡD紧密相关。

SP1的C端附近有含3个锌指的DNA结合结构域,另有2个富含Gln转录激活结构域。

 

④八碱基对元件激活蛋白

八碱基对元件可被多个转录因子识别。Oct-1是非淋巴样细胞中结合八碱基对元件的转录激活因子,无组织特异性。Oct-2在淋巴细胞中可活化免疫球蛋白κ轻链基因,是组织特异的激活因子。

⑤GAL4是酵母的转录因子,结合区为UAS(upstream activation sequence)元件(类似于高等真核的增强子),在C末端附近含有几个锌指。

 

真核基因活化具有一定的特异性。由于不同基因的调控位点对同种调控因子有不同的亲和性,因此,不同的基因可被同种转录调控因子激活。真核中转录调控往往是多因子协同作用的,多个转录因子共同作用于一个靶基因,启动该基因的特异性表达。某些蛋白因子可以是转录激活因子,也可以是转录抑制因子。

 

特定的共有序列元件能被相应的转录因子或一个转录因子家族的成员识别,而相同的元件也能被不同的转录因子所识别。

虽然能直接结合DNA序列的转录因子是少数,而多数转录因子是通过蛋白与蛋白间作用而影响转录的。

不同基因的启动子有不同的上游元件,能与不同的转录因子结合,从而影响转录效率。

 

11.3.6 增强子在转录中的作用

增强子(enhancer)是一段能提高转录效率的DNA序列。

增强子是由若干短的元件组成,其中许多元件与启动子中的元件相同,但元件密度较大。因距启动子很远,故启动子中不包含增强子。

 

增强子序列突变可使增强子功能降低

 

①增强子的作用的特点

增强子提高同一条DNA链上基因转录效率,可远距离起作用(一般距离1~4kb)。在基因的上游、下游或内部都能起作用。

增强子的作用与其序列的正反方向无关,将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒置就不能起作用,即增强子与启动子不同。

 

增强子要有启动子存在才能发挥作用。但增强子对启动子无严格的专一性。

增强子与其它顺式作用元件相同,必须与特定的蛋白因子结合后才能发挥作用。

增强子一般具有组织或细胞特异性,许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性,是由这些细胞或组织中具有特异蛋白因子所决定的。

 

增强子是DNA上的特定序列,本身无增强转录作用,只能在与特异激活物蛋白结合后才能促进转录。而激活物蛋白仅在一定的细胞(分化的)才有。如免疫球蛋白增强子,仅在B淋巴细胞中有效,从而使免疫球蛋白仅在B淋巴细胞中表达。

 

例如,糖皮质激素效应增强子,在糖皮质激素进入细胞后,首先与胞液中的特异受体作用形成激素-受体复合物,后者进入细胞核,结合于糖皮质激素的增强子上,从而引发特定的一套基因表达。其结果表现出糖皮质激素的生理效应。因此糖皮质激素增强子仅在具有糖皮质激素受体的细胞中才能发挥作用。

 

人类IFN(干扰素)基因上形成的增强体模型

 

②增强子的可能作用机理

增强子通过增强子激活蛋白与基础装置上的蛋白相互作用,使增强子靠近启动子而发挥作用。

 

增强子与启动子之间形成环,使增强子处的转录因子与启动子处的基础转录因子复合物作用,增强转录。

 

增强子和启动子分属于两个环状DNA上无作用,当两个环状DNA连环化后可起作用。

11.3.7 转录的调控
(由特异因子激活的基因转录)

在不同细胞、时间和环境下基因表达不同,这是由转录因子与顺式作用元件之间以及转录因子之间的相互作用决定的。

转录调控实质是通过生物大分子间的辨认、相互作用及结构上的变化实现的。即蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用。

 

转录激活因子(诱导因子)以两种方式间接募集聚合酶:①与转录复合体上除聚合酶外的其它部分相互作用,通过募集这些部分来募集聚合酶。②募集核小体修饰成分来改变基因附近染色体的性质,方便聚合酶结合。

 

转录复合体上除了聚合酶外,还包括其它许多蛋白,如中介蛋白(mediator)和TFⅡD复合物等。转录激活因子与这些复合物相互作用,将它们募集到基因上。

 

 

诱导型转录因子与其相应的应答元件结合可使该基因表达。

应答元件是能与某类/种专一蛋白因子结合,从而调控基因特异表达的DNA上游元件。

 

如糖皮质激素应答元件GRE(glucocorticoid response element)、热休克应答元件HSE(heat shock response element)和血清应答元件SRE(serum response element)。

这些应答元件与细胞内高度专一的转录因子(诱导型转录因子)相互作用调控基因表达。

 

应答元件的共同特点:是启动子上游元件或增强子元件。有短的保守序列,在不同基因中均有保守性,但不完全相同。元件通常在上游小于200bp处。一个元件可引起应答调节,但有时有多拷贝。

 

应答元件的作用机理:当某一基因需要表达时,则与应答元件结合的转录因子合成或活化,与应答元件结合。此转录因子是RNA pol启动转录的必需因子,它的存在则表现出调节物效应,即加速或启动某一代谢过程,表现为生理效应。

 

①热休克应答

在真核生物中,在热休克条件下,HSTF(热休克应答转录因子)活化,与热休克基因上游的热休克应答元件(heat shock response element, HSE)结合,使热休克蛋白基因活化转录,表现出生理效应。

(在原核生物中,是通过合成热休克σ32使RNA pol启动热休克蛋白基因的)。

 

果蝇的HSE为多拷贝,而且HSE和HSTF在进化中是保守的。果蝇的热休克基因可在哺乳动物和海胆细胞中表达,说明其在进化中的保守性。

正常细胞中HSF以单体存在,Hsp70可能维持了HSF的单体形式,热击使细胞中变性蛋白增加,竞争与Hsp70结合而使HSF失去保护结合为有DNA结合能力的三体,HSF与HSE结合使热休克蛋白基因活化,表达产生Hsp70。

 

去热击条件后,细胞内大量游离的Hsp70维持了HSF的单体状态,使HSF失去与DNA结合能力。

 

②金属硫蛋白(metallathionein,MT)基因的多途径调节

金属硫蛋白在金属离子浓度过高时,可结合重金属并将其移去。

金属硫蛋白的基因可受重金属(如镉)、糖皮质激素(GRE)和佛波酯(phorbol esters,TPA,应答元件TRE)等因子调控,此基因的调控区有多个相应的应答元件。

有多个调控元件的基因,其中任一个上的转录因子活化都可引起表达。

 

每种因子都可活化其特异的蛋白因子,结合于调控区各自的应答元件上,使金属硫蛋白基因活化而转录,因此金属硫蛋白基因可受多种因素诱导而表达。

GRE:糖皮质激素元件;MRE:重金属元件

TRE:佛波酯元件(TPA);BLE:基础水平元件

 

类固醇激素受体与GRE结合诱导基因表达

 

11.3.8 诱导型转录因子活性的调控

调控基因表达的关键是调控诱导型转录因子的活性。

当特异的诱导型转录因子结合在其启动子或增强子中的应答元件上时,即可启动转录。因此,调控的关键是当需要某一基因表达时,则提供有活性的特异转录因子,当不需要其表达时,则灭活此因子。

 

诱导型转录因子活性的调控

①调控转录因子的合成

②化学修饰改变转录因子的活性

 

③由配体的结合活化或灭活转录因子

④抑制因子的解除

 

⑤二聚体伙伴的改变

⑥分解释放激活因子

 

多种蛋白因子对基因特异性表达的意义

真核生物基因组庞大,基因种类繁多,要准确地选择使其中的某一些基因表达,必然需要一个十分精细的过程。

转录因子中基础转录因子有较强的保守性,单靠这些因子难以选择特异性表达基因的启动子。

 

一个有功能的转录过程必需由多个转录因子的顺序性特异性结合,同时受具有一定顺序的DNA元件匹配结合,才能正确选择靶基因。

在高度分化的真核细胞中,只有少数基因表达,多个因子形成正调控。

若为负调控,则为了阻遏大多数基因表达,细胞要合成很多个阻遏蛋白,必然给细胞造成大量的物质和能量消耗。

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