真核生物轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控

1、真核生物轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控許多真核生物基因編碼關(guān)鍵代謝酶或細(xì)胞組成成分，這些基因常在所有細(xì)胞中都處于活躍狀態(tài)。這種組成型表達(dá)的基因稱為持家基因。而另一些基因的表達(dá)則因細(xì)胞或組織不同而異，受到一定的調(diào)控，只在某些特定的發(fā)育時(shí)期或細(xì)胞中才高效表達(dá)，稱為特異表達(dá)基因，其表達(dá)調(diào)控通常發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。一、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的順式作用元件真核基因的順式調(diào)控元件是指基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列。其中主要有起正調(diào)控作用的順式作用元件，包括啟動(dòng)子、增強(qiáng)子以及負(fù)調(diào)控作用元件沉默子。如圖所示（一）啟動(dòng)子 真核啟動(dòng)子是指與RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列，是轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)，

2、它位于受其調(diào)控的基因上游某一固定位置，緊鄰轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，是基因的一部分。真核生物基因的啟動(dòng)子必須與一系列轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，才能在RNA聚合酶的作用下起始轉(zhuǎn)錄。所謂轉(zhuǎn)錄因子(TF)是激活真核生物基因轉(zhuǎn)錄的一系列蛋白質(zhì)。不同轉(zhuǎn)錄因子又能與不同DNA序列相互作用，不同基因轉(zhuǎn)錄起始及其調(diào)控所需的轉(zhuǎn)錄因子也不完全相同，因而不同啟動(dòng)子序列也很不相同。在真核細(xì)胞中RNA聚合酶通常不能單獨(dú)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用，而需要與其他轉(zhuǎn)錄因子共同協(xié)作。與RNA聚合酶、相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子分別稱為TF、TF、TF。其中對(duì)TF的研究最多：TF一共有六個(gè)亞類，TFD是唯一能識(shí)別啟動(dòng)子TATA框并與之結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，而TFB則可促進(jìn)聚合酶與啟動(dòng)子的

3、結(jié)合。轉(zhuǎn)錄因子根據(jù)其結(jié)合特點(diǎn)可分為兩類，即基本轉(zhuǎn)錄因子和特異轉(zhuǎn)錄因子?；巨D(zhuǎn)錄因子是RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組蛋白因子。如TF-A、TF-B、TF-D、TF-E等；而特異轉(zhuǎn)錄因子是個(gè)別基因轉(zhuǎn)錄所必需的轉(zhuǎn)錄因子。通過(guò)對(duì)大量的啟動(dòng)子分析發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)基因啟動(dòng)子的一般模式是：大多數(shù)啟動(dòng)子在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游25bp附近都有一個(gè)TATA框。除此之外，還有各種因基因而異的上游啟動(dòng)子元件(UPE)，如CAAT框和GC框等?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，TATA框是控制轉(zhuǎn)錄精確性的序列，而UPE則控制轉(zhuǎn)錄起始的頻率。啟動(dòng)子的強(qiáng)度就決定于UPE的數(shù)目和種類。真核啟動(dòng)子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游約100200bp序列，其中包含

4、有若干具有獨(dú)立功能的DNA序列元件，每個(gè)元件約長(zhǎng)730bp。（二）增強(qiáng)子 是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件，最早在SV40病毒中發(fā)現(xiàn)，它是一段長(zhǎng)約200bp的DNA，可使旁側(cè)的基因轉(zhuǎn)錄提高100倍。其后在多種真核生物，甚至在原核生物中都發(fā)現(xiàn)了增強(qiáng)子。增強(qiáng)子通常占100200bp長(zhǎng)度，也和啟動(dòng)子一樣由若干組件構(gòu)成，基本核心組件常為812bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。增強(qiáng)子的作用有以下特點(diǎn)：（1）增強(qiáng)子提高同一條DNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠(yuǎn)距離作用，通?？删嚯x14kb、個(gè)別情況下離開(kāi)所調(diào)控的基因30kb仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。（2）增強(qiáng)子作用與其序列的正反方向

5、無(wú)關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒置就不能起作用，可見(jiàn)增強(qiáng)子與啟動(dòng)子是很不相同的。（3）增強(qiáng)子要有啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用，沒(méi)有啟動(dòng)子存在，增強(qiáng)子不能表現(xiàn)活性。但增強(qiáng)子對(duì)啟動(dòng)子沒(méi)有嚴(yán)格的專一性，同一增強(qiáng)子可以影響不同類型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。增強(qiáng)子可使某些癌基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)增強(qiáng)，這可能是腫瘤發(fā)生的因素之一。（4）增強(qiáng)子的作用機(jī)理雖然還不明確，但與其他順式調(diào)控元件一樣，必須與特定的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合后才能發(fā)揮增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的作用。增強(qiáng)子一般具有組織或細(xì)胞特異性，許多增強(qiáng)子只在某些細(xì)胞或組織中表現(xiàn)活性，是由這些細(xì)胞或組織中具有的特異性蛋白質(zhì)因子所決定的。（三）沉默子 最早在酵母中發(fā)現(xiàn)，以后在T淋巴細(xì)胞的T抗原受體

6、基因的轉(zhuǎn)錄和重排中證實(shí)這種負(fù)調(diào)控順式元件的存在。目前對(duì)這種在基因轉(zhuǎn)錄降低或關(guān)閉中起作用的序列研究還不多，但從已有的例子看到：沉默子的作用可不受序列方向的影響，也能遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用，并可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用。二、反式作用因子以反式作用影響轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子可統(tǒng)稱為反式作用因子。它是通過(guò)識(shí)別和結(jié)合順式調(diào)控元件的核心序列而調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的一組蛋白質(zhì)。反式作用因子對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控可正(激活)可負(fù)(阻遏)。反式作用因子主要由三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，即DNA識(shí)別結(jié)合域(DNA-binding domain)、轉(zhuǎn)錄活性域和結(jié)合其他蛋白的結(jié)合域。它們的具體組成在此就不詳述。三、真核基因轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控下面以真核生物R

7、NA聚合酶的基因轉(zhuǎn)錄為例說(shuō)明。真核基因的轉(zhuǎn)錄需要有基本轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。以前認(rèn)為與TATA框結(jié)合的是TFD，后來(lái)發(fā)現(xiàn)TFD實(shí)際包括兩類成分：與TATA框結(jié)合的稱TATA框結(jié)合蛋白(TBP)，是唯一能識(shí)別TATA框并與其結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，是三種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄時(shí)都需要的；其它的稱為TBP相關(guān)因子(TAF)，至少包括8種能與TBP緊密結(jié)合的因子。轉(zhuǎn)錄前先是TFD與TATA框結(jié)合，繼而TFB與TBPDNA復(fù)合體結(jié)合，接著TFF加入裝配，TFF能與RNA聚合酶形成復(fù)合體，還具有依賴于ATP供給能量的DNA解旋酶活性，能解開(kāi)前方的DNA雙螺旋，在轉(zhuǎn)錄鏈延伸中起作用。這樣，啟動(dòng)子序列就與TFD、B、F及RNA聚

8、合酶結(jié)合形成一個(gè)“最低限度”能有轉(zhuǎn)錄功能基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物(PIC)。TFH是多亞基蛋白復(fù)合體，具有依賴于ATP供給能量的DNA解旋酶活性，在轉(zhuǎn)錄鏈延伸中發(fā)揮作用；TFE是兩個(gè)亞基組成的四聚體，不直接與DNA結(jié)合而可能是與TFB聯(lián)系，能提高ATP酶的活性；TFE和TFH的加入就形成完整的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，能轉(zhuǎn)錄延伸生成長(zhǎng)鏈RNA，TFA能穩(wěn)定TFD與TATA框的結(jié)合，提高轉(zhuǎn)錄效率，但不是轉(zhuǎn)錄復(fù)合體一定需要的。如圖所示：以上所述的是典型的啟動(dòng)子上轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成。但有的真核啟動(dòng)子不含TATA框或不通過(guò)TATA框開(kāi)始轉(zhuǎn)錄，例如有的無(wú)TATA框的啟動(dòng)子是靠TFI和TFD共同組成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體開(kāi)始

9、轉(zhuǎn)錄的。由此可以看到真核轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)雜性。四、真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的模型（一）順式作用元件與反式作用因子的相互作用 基因的所有順式作用元件，包括上游啟動(dòng)子成分（UPE）和增強(qiáng)子，都要與反式作用因子結(jié)合。反式作用因子與順式作用元件成分結(jié)合以后，還要通過(guò)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用（包括反式作用因子之間的相互作用和反式作用因子與RNA聚合酶之間的相互作用），才能實(shí)現(xiàn)它們對(duì)于基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。（二）可誘導(dǎo)的順式作用元件 可誘導(dǎo)的順式作用元件主要指那些對(duì)熱震驚、重金屬、病毒感染、生長(zhǎng)因子、固醇類激素等能作出反應(yīng)的調(diào)控元件。這些元件中有的與基因相距很遠(yuǎn)（增強(qiáng)子），有的就成為UPE成分。順式作用元件對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的激活作用可以通過(guò)不同的途徑，可能是一種正調(diào)控因子的激活，可能是使阻遏蛋白失活，也可能是兩種作用同時(shí)發(fā)生。目前研究比較清楚的是許多固醇類激素可誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄，具體的調(diào)控機(jī)制尚不可清楚。但激素對(duì)基因調(diào)控作用的輪廓是清楚的，即激素受體作用位點(diǎn)，三者缺