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真核基因表达调控

作者:生命科学事业部时间:2019-12-14 20:06:48浏览157 次

信息摘要:

真核生物启动子和增强子是由若干可以区分的DNA序列组成的,由于它们和特定的功能基因连锁在一起,因此称为顺式作用元件。真核生物转录调控大多是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用而实现的,下面介绍的是与顺式作用成分专一性结合的一些转录因子。一般认为,如果某个蛋白是体外转录系统中起始RNA合成所必需的,它就是转录复合体的一部分。

真核基因组的一般构造特点
①在真核细胞中,一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链,不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。
②真核细胞DNA都与组蛋白和大量非组蛋白相结合,只有一小部分DNA是裸露的。
③高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的,大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。
④真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排,还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。
⑤在真核生物中,基因转录的调节区相对较大,它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对,这些调节区一般通过改变整个所控制基因5'上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。在原核生物中,转录的调节区都很小,大都位于启动子上游不远处,调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑RNA聚合酶与它的结合。
⑥真核生物的RNA在细胞核中合成,只有经转运穿过核膜,到达细胞质后,才能被翻译成蛋白质,原核生物中不存在这样严格的空间间隔。
⑦许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程(maturation and splicing),才能顺利地翻译成蛋白质。

二、真核基因的启动子
启动子是一段特定的直接与RNA聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的DNA序列。不同的启动子对RNA聚合酶的亲和力不同,所结合的反式作用因子(trans-acting factors)也不同,因此,基因转录活性也很不相同。
Ⅰ.典型的原核启动子有四大要素
转录起始位点,-10区,-35区和-10区与-35区之间的间隔。
原核基因转录起始位点通常是嘌呤,其序列为CAT(A为起始位点)。
-10区是一个6碱基保守序列(常以-10为中心)。T80A95t45A60A50T96,有助于DNA的解链。
-35区是另一个6碱基保守序列(常以-35为中心)。T82T84G78A65C54a45
研究表明,当-10区和-35区中心位置相距16-18bp时,该启动子的功能较强;相距较近或较远时,起始转录的功能都相应减弱。
Ⅱ.真核基因启动子
真核生物有3类RNA聚合酶,负责转录3类不同的启动子。
 由RNA聚合酶I负责转录的rRNA基因,启动子(I类)比较单一,由转录起始位点附近的两部分序列构成。部分是核心启动子(core promoter),由-45—+20位核苷酸组成,单独存在时就足以起始转录。另一部分由-170—-107位序列组成,称为上游调控元件,能有效地增强转录效率。
由RNA聚合酶Ⅲ负责转录的是5SrRNA、tRNA和某些核内小分子RNA(snRNA),其启动子(Ⅲ类)组成较复杂,又可被分为三个亚类。两类5S rRNA和tRNA基因的启动子是内部启动子(internal promoter),位于转录起始位点的下游,都由两部分组成。第三类启动子由三个部分组成,位于转录起始位点上游。

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由RNA聚合酶II负责转录的II类基因包括所有蛋白质编码基因和部分snRNA基因,后者的启动子结构与III类基因启动子中的第三种类型相似,编码蛋白质的II类基因启动子在结构上有共同的保守序列。
转录起始位点没有广泛的序列同源性,但个碱基为腺嘌呤,而两侧是嘧啶碱基。这个区域被称为起始子(initiator, Inr),序列可表示为Py2CAPy5。Inr元件位于-3—+5。仅由Inr元件组成的启动子是具有可被RNA聚合酶II识别的最简单启动子形式。
多数II类启动子有一个被称为TATA盒的共有序列,通常处于-30区,相对于转录起始位点的位置比较固定。

三、增强子及其对转录的影响
增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。作为基因表达的重要调节元件,增强子通常具有下列性质:
1、增强效应十分明显,一般能使基因转录频率增加10-200倍。经人巨大细胞病毒增强子增强后的珠蛋白基因表达频率比该基因正常转录高600-1000倍!
2、增强效应与其位置和取向无关,不论增强子以什么方向排列(5'→3'或3'→5'),甚至和基因相距3 kp,或在基因下游,均表现出增强效应;
3、大多为重复序列,一般长约50bp,适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列:(G)TGGA/TA/TA/T(G),是产生增强效应时所必需的;
4、增强效应有严密的组织和细胞特异性,说明只有特定的蛋白质(转录因子)参与才能发挥其功能;
5、没有基因专一性,可以在不同的基因组合上表现增强效应;
6、许多增强子还受外部信号的调控,如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子,就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。
增强子的作用原理是什么呢?一种观点认为,增强子为转录因子提供进入启动子区的位点。第二种认为,增强子能改变染色质的构象。因为增强子区域容易发生从B-DNA到Z-DNA的构象变化。增强子的功能是可以累加的。SV40增强子序列可以被分为两半,每一半序列本身作为增强子功能很弱,但合在一起,即使其中间插入一些别的序列,仍然是一个有效的增强子。因此,要使一个增强子失活必须在多个位点上造成突变。对SV40增强子而言,没有任何单个的突变可以使其活力降低10倍。

四、反式作用因子对转录的影响
真核生物启动子和增强子是由若干可以区分的DNA序列组成的,由于它们和特定的功能基因连锁在一起,因此称为顺式作用元件。真核生物转录调控大多是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用而实现的,下面介绍的是与顺式作用成分专一性结合的一些转录因子。一般认为,如果某个蛋白是体外转录系统中起始RNA合成所必需的,它就是转录复合体的一部分。根据各个蛋白质成分在转录中的作用,能将整个复合体分为3部分:
①参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基,不具有基因特异性。
②与转录的起始或终止有关的辅助因子,也不具有基因特异性。
③ 与特异调控序列结合的转录因子。它们中有些被认为是转录复合体的一部分,因为所有或大部分基因的启动子区含有这一特异序列,如TATA区和TFIID,更多的则是基因或启动子特异性结合调控蛋白,它们是起始某个(类)基因转录所必需的。

1.DNA结合结构域基序
a. Helix-turn-helix(螺旋-转角-螺旋)。是最早发现于原核生物中的一个关键因子,该结构域长约20个aa,主要是两个α-螺旋区和将其隔开的β转角。其中的一个被称为识别螺旋区,因为它常常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸。
b. Zinc finger(锌指)。长约30个aa,其中4个氨基酸(Cys或2个Cys,两个His)与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较稳定。
c. Homeodomain(同源域),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 helix-turn-helix motif相似,人们把该DNA序列称为homeobox。主要与DNA大沟相结合。
d. Leucine zippers(亮氨酸拉链)
是亲脂性(amphipathic)的α螺旋,包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸,两条多肽链以此形成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)组成DNA结合区。
e.碱性螺旋--环--螺旋(basic helix-loop-helix)
该调控区长约50个aa残基,同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能,其主要特点是可形成两个亲脂性α-螺旋,两个螺旋之间由环状结构相连,其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。



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