DNA與蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)特征

1、DNA與蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)特征Section 7 Structural Characteristics of Interaction between DNA and Protein反式作用因子必須與順式作用元件相結(jié)合，才能發(fā)揮其調(diào)節(jié)基因表達(dá)的作用。反式作用因子至少含有三個(gè)功能域，即DNA結(jié)合功能域，轉(zhuǎn)錄活性功能域和其它轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合功能域。反式作用因子的DNA結(jié)合功能域具有一些帶共性的結(jié)構(gòu)特征，猶如源結(jié)構(gòu)域、堿性亮氨酸拉鏈模體、鋅指模體等。1. 螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋模體Helix-Turn-HelixHTHMotif1.1 原核生物HTH模體Prokaryotic HTH Motif色氨酸阻遏因子

2、和分解產(chǎn)物基因激活蛋白CAP均為同二聚體，分子結(jié)構(gòu)中含HTH模體，該模體由兩段-螺旋和一段-轉(zhuǎn)角構(gòu)成但需要另外伸出的第三個(gè)-螺旋才能穩(wěn)定，其次個(gè)-螺旋負(fù)責(zé)識(shí)別DNA大溝序列，故稱為識(shí)別螺旋圖103。圖103 HTH模體的分子結(jié)構(gòu)Fig 103 Molecular Structure of HTH Motif1.2 真核生物HTH模體Eukaryotic HTH Motif 同源異型結(jié)構(gòu)域Homeodomain同源異型結(jié)構(gòu)域的氨基酸殘基序列與原核細(xì)胞類似，由三段-螺旋，環(huán)繞一個(gè)疏水核心折疊而成。所不同的是識(shí)別螺旋較長(zhǎng)，在DNA大溝中的定向有所不同，其典型的結(jié)合位點(diǎn)是TATA盒圖104。圖104

3、同源異型結(jié)構(gòu)域的分子結(jié)構(gòu)Fig 104 Molecular Structure of Homeodomain MYB HTH模體MYB HTH Motif為HTH模體的變體，其結(jié)構(gòu)類似于同源結(jié)構(gòu)域，但其-轉(zhuǎn)角由5個(gè)殘基構(gòu)成，識(shí)別螺旋與DNA有較長(zhǎng)的接觸面圖105。圖105 MYB HTH模體的分子結(jié)構(gòu)Fig 105 Molecular Structure of MYB HTH Motif1.2.3 側(cè)翼HTH模體Winged HTH Motif側(cè)翼HTH模體是/ HTH變體，由110個(gè)保守的氨基酸殘基構(gòu)成/識(shí)別螺旋，另外兩個(gè)翼狀環(huán)結(jié)構(gòu)與相鄰的DNA骨架和小溝相互作用。典型的例子是肝細(xì)胞核因子-

4、3HNF-3圖106。圖106 側(cè)翼HTH模體的分子結(jié)構(gòu)Fig 106 Molecular Structure of Winged HTH Motif 分解產(chǎn)物基因激活蛋白樣結(jié)構(gòu)域CAP-like Domain真核生物多種轉(zhuǎn)錄激活因子均具有此DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，但與CAP不同，該結(jié)構(gòu)域是以單體形式與DNA大溝結(jié)合，其結(jié)合靠水介導(dǎo)。典型的例子如轉(zhuǎn)錄因子PU.1的ETS結(jié)構(gòu)域圖107。圖107 轉(zhuǎn)錄因子PU.1的ETS結(jié)構(gòu)域Fig 107 ETS Domain in Transcription factor PU.11.2.5 POU結(jié)構(gòu)域POU Domain該結(jié)構(gòu)域由155162個(gè)氨基酸殘基組成，

5、有兩個(gè)獨(dú)立的球狀結(jié)構(gòu)域：POUS和POUH。POUS位于的POUH的N-端，含多個(gè)-螺旋。兩個(gè)球狀結(jié)構(gòu)域分別位于DNA雙螺旋兩側(cè)大溝內(nèi)，識(shí)別5-ATGCAAAT-3八聚堿基序列。其中，POUS結(jié)合5端ATGC序列，而POUH結(jié)合3端AAAT序列。典型的例子包括Pit-1，Oct-1、2、4等圖108。圖108 OCT-1和PIT-1中的POU結(jié)構(gòu)域Fig 108 POU Domain in OCT-1 and PIT-1 成對(duì)結(jié)構(gòu)域Paired Domain由兩個(gè)球形亞結(jié)構(gòu)域組成，與兩個(gè)同源異型結(jié)構(gòu)域相像，但不同于POU，僅N-端的亞結(jié)構(gòu)域?yàn)镈NA大溝的識(shí)別螺旋。該結(jié)構(gòu)域見(jiàn)于Pax蛋白pair

6、ed box protein圖109。2. 堿性亮氨酸拉鏈模體Basic Leucine Zipper Motif2.1 堿性區(qū)/亮氨酸拉鏈Basic Region/Leucine Zipper, bZIP該模體的C-末端重復(fù)序列形成左手卷曲螺旋，每間隔7個(gè)殘基消失一個(gè)亮氨酸，故稱之為亮氨酸拉鏈。模體的N-末端富含堿性氨基酸殘基堿性區(qū)，與DNA的大溝特異性結(jié)合。常見(jiàn)的反式作用因子有：CREB、Jun、Fos、GCN4等，它們通常以同二聚體或異二聚體的形式與DNA結(jié)合圖110。圖110 堿性區(qū)/亮氨酸拉鏈模體的分子結(jié)構(gòu)Fig 110 Molecular Structure of bZIP Mot

7、if2.2 堿性區(qū)/螺旋-環(huán)-螺旋/亮氨酸拉鏈Basic Region/Helix-Loop-Helix/Leucine Zipper, bHLH該模體由60100個(gè)保守的氨基酸殘基構(gòu)成，N-末端為15個(gè)殘基組成的堿性區(qū)，緊隨兩個(gè)-螺旋中間為環(huán)區(qū)。N-末端堿性區(qū)至第一個(gè)-螺旋段為DNA特異序列結(jié)合域。常見(jiàn)的反式作用因子有：Myc，Max，E12，E47，MyoD-1圖111。圖111 堿性區(qū)/螺旋-環(huán)-螺旋/亮氨酸拉鏈模體的分子結(jié)構(gòu)Fig 111 Molecular Structure of bHLH Motif3. 鋅指模體Zinc Finger Motif3.1 C2H2型鋅指C2H2 T

8、ype Zinc Finger由約30個(gè)氨基酸殘基組成，序列特征為：Cys-X2-5-Cys-X12-His-X2-5-His。由12個(gè)殘基構(gòu)成的-螺旋，靠Zn2+與相對(duì)的-折疊結(jié)構(gòu)相連。其連續(xù)存在的鋅指模體識(shí)別螺旋位于DNA的大溝圖112114。圖112 C2H2型鋅指模型Fig 112 Model of C2H2 Type Zinc Finger圖113 小鼠Zif268中的C2H2型鋅指模體Fig 113 C2H2 Type of Zinc Finger Motifs of Zif268 in Mus musculus圖114 爪蟾TFA中的C2H2型鋅指模體Fig 114 C2H2 T

9、ype of Zinc Finger Motifs of TFA in Xenopus laevis3.2 C4型核受體C4-type Nuclear ReceptorC4型核受體鋅指由7080個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，其中包含兩個(gè)串聯(lián)的鋅指模體變體；兩個(gè)模體之一為-識(shí)別螺旋，另一個(gè)模體那么是不規(guī)那么的環(huán)。C4型核受體鋅指結(jié)構(gòu)中含8個(gè)保守的Cys，每4個(gè)Cys與Zn2+配位結(jié)合，其特征為Cys4雙環(huán)-Zn2+螺旋DNA結(jié)合模體。核受體超家族的成員，如GR、ER等，具有C4型核受體鋅指模體。它們通常以同二聚體的形式與DNA相結(jié)合，兩個(gè)亞基的-識(shí)別螺旋分別與兩個(gè)DNA大溝相結(jié)合，兩個(gè)DNA結(jié)合半位點(diǎn)之間間

10、隔34bp圖115116。圖115 糖皮質(zhì)激素受體中的C4型鋅指模體Fig 115 C4-type of Zinc Finger Motifs in Glucocorticoid Receptor圖116 雌激素受體中的C4型鋅指模體Fig 116 C4-type of Zinc Finger Motifs in Estrogen Receptor核受體超家族的另一些成員，如THR，VDR、RAR等，也具有C4型核受體鋅指模體，但其DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域是不對(duì)稱異二聚體，與DNA的兩個(gè)無(wú)間隔的半位點(diǎn)結(jié)合圖117。圖117 RXR和THR中的C4型鋅指模體Fig 117 C4-type of Zinc

11、 Finger Motifs in RXR and THR鋅指模體超家族的成員總結(jié)如表6。表6 鋅指模體超家族Table 6 Zinc Finger Motif Superfamily4. 雙核鋅簇模體Binuclear Zinc Cluster Motif此雙核鋅簇模體家族成員至少包括45種酵母轉(zhuǎn)錄因子如GAL4，PPA1，含有28個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，序列特征為：Cys-X2-Cys-X6-Cys-X6-Cys-X2-Cys-X6-Cys。6個(gè)保守的Cys殘基與2個(gè)Zn2+以配位鍵結(jié)合形成兩個(gè)核簇，以同二聚體形式與DNA相結(jié)合圖118。圖118 GAL4中的雙核鋅簇模體Bin

12、uclear Zinc Cluster Motifs in GAL45. “溴結(jié)構(gòu)域Bromodomain在很多>100種轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)錄共激活/共阻遏因子中存在的螺旋束樣的結(jié)構(gòu)域，稱為“溴結(jié)構(gòu)域?！颁褰Y(jié)構(gòu)域可特異性識(shí)別組蛋白的乙?；嚢彼釟埢示哂小颁褰Y(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)/酶通常與組蛋白的乙?；?去乙?；揎椬饔孟嚓P(guān)圖119121。圖119 “溴結(jié)構(gòu)域中的全都性序列Fig 119 The Consensus Sequences of Bromodomain第八節(jié) 原核基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控Section 8 Transcriptional Regulation of Prokaryotic Gene

13、s1. 根本概念Basic Concepts1.1 RNA聚合酶對(duì)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控Regulation of Transcriptional Initiation by RNA PolymeraseRNA聚合酶對(duì)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)，就是指RNA聚合酶與啟動(dòng)子元件相互作用的調(diào)節(jié)。各啟動(dòng)子的堿基序列不同，與RNA聚合酶的親和力各異，故啟動(dòng)子存在強(qiáng)弱之分。基因的最大轉(zhuǎn)錄速率依靠于啟動(dòng)子的堿基序列。1.2 調(diào)節(jié)蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控Regulation of Transcriptional Initiation by Regulating Proteins至少有三種不同的調(diào)節(jié)蛋白通過(guò)作用于RNAP而參加轉(zhuǎn)錄起

14、始的調(diào)節(jié)。 特異性因子Specific Factors特異性因子通過(guò)轉(zhuǎn)變RNA聚合酶與一種或多種啟動(dòng)子結(jié)合的特異性來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的起始。例如，原核細(xì)胞中RNA聚合酶中的亞基。在E. coli中，至少存在7種不同的亞基。它們分別與不同的啟動(dòng)子識(shí)別并結(jié)合，啟動(dòng)特異的基因轉(zhuǎn)錄。70亞基與典型的啟動(dòng)子識(shí)別并結(jié)合；30亞基與熱休克應(yīng)答相關(guān)基因的啟動(dòng)子識(shí)別并結(jié)合；54亞基與氮代謝相關(guān)基因的啟動(dòng)子識(shí)別并結(jié)合圖122123。圖122 大腸桿菌中因子對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控Fig 122 Regulation of Gene Expression by Sigma Factors in E. coli圖123 在不同細(xì)菌中

15、因子的數(shù)目不同F(xiàn)ig 123 The Number of Sigma Factors Varies Dramatically among Bacteria 阻遏因子Repressor阻遏因子與其特異的操作子元件O識(shí)別、結(jié)合并阻斷轉(zhuǎn)錄過(guò)程，如Lac阻遏因子。1.2.3 激活因子Activator激活因子與其特異的DNA元件識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄過(guò)程，如CAP。1.3 操縱子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的一般模式Operon is a General Model of Transcriptional Regulation在原核生物中，功能相關(guān)的假設(shè)干結(jié)構(gòu)基因成串排列，由同一調(diào)控序列調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子o

16、peron。操縱子的調(diào)控序列通常由操作子operator，O、啟動(dòng)子promoter，P和阻遏基因i等組成圖124。圖124 乳糖操縱子的組織結(jié)構(gòu)Fig 124 Organization Structure of Lac Operon2. 乳糖操縱子Lac Operon2.1 乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控Negative Regulation of Lac Operon介質(zhì)中葡萄糖量增高Lac阻遏因子i與操作子O結(jié)合阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄圖125。圖125 乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控Fig 125 Negative Regulation of Lac OperonLac阻遏因子為同四聚體，其DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域含HTH模

17、體，能識(shí)別并結(jié)合操作子O的回文序列圖126。圖126 Lac阻遏因子的分子結(jié)構(gòu)Fig 126 Molecular Structure of Lac Repressor2.2 乳糖操縱子的正調(diào)控Positive Regulation of Lac Operon當(dāng)介質(zhì)中乳糖濃度增高而葡萄糖濃度降低時(shí)，可對(duì)Lac操縱子產(chǎn)生正調(diào)控。 由異半乳糖誘導(dǎo)Inducing by Allolactose乳糖經(jīng)半乳糖苷酶催化產(chǎn)生異半乳糖與Lac阻遏因子結(jié)合并誘導(dǎo)其構(gòu)象轉(zhuǎn)變Lac阻遏因子與操作子O解離促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。 由cAMP-CAP激活A(yù)ctivating by cAMP-CAP葡萄糖濃度降低cAMP增高cAMP

18、與CAP結(jié)合而使之激活激活的CAP與操縱子上的CAP反響元件結(jié)合使DNA雙螺旋穩(wěn)定性降低促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合圖127。圖127 乳糖操縱子的正調(diào)控Fig 127 Positive Regulation of Lac Operon3. 阿拉伯糖操縱子Arabinose Operon阿拉伯糖操縱子由調(diào)節(jié)序列和結(jié)構(gòu)基因組成：結(jié)構(gòu)基因araBAD編碼三個(gè)與阿拉伯糖代謝有關(guān)的酶。調(diào)節(jié)序列包括：araC基因編碼C蛋白；PCaraC基因的啟動(dòng)子；PBAD結(jié)構(gòu)基因的啟動(dòng)子；CAP結(jié)合位點(diǎn)；4個(gè)C蛋白結(jié)合位點(diǎn)araI1、araI2、araO1和araO2圖128。圖128 阿拉伯糖操縱子的結(jié)構(gòu)Fig 128 Structure of Arabinose Operon3.1 araC蛋白的自身調(diào)節(jié)Auto-regulation by araC Protein當(dāng)C蛋白缺乏時(shí)，C蛋白與PC結(jié)合而啟動(dòng)自身基因araC的轉(zhuǎn)錄，合成C蛋白；當(dāng)C蛋白充足時(shí)，C蛋白與araO1結(jié)合而阻遏自身基因araC的轉(zhuǎn)錄圖129。圖129 AraC蛋白的自身調(diào)節(jié)Fig 129 Auto-regulation of AraC Protein3.2 葡萄糖濃度的調(diào)節(jié)Regulation by Glucose Concentration圖130 啟動(dòng)子和的阻遏Fig 130 Repres