基因表达转录水平调控-转录激活

基因转录调控——转录激活在高等真核生物中，各种细胞的表型的差异很大程度上取决于那些有RNA聚合酶Ⅱ转录的可编码蛋白质的基因表达上的不同。原则上，这些基因的表达可以在任何一段上被调控。我们至少可以将它们分为5个调控位点，这一系列的过程如下所示：基因结构的激活转录起始转录加工向细胞转运mRNA的翻译。在真核生物中基因表达常在转录起始时受到调控。对于大多数基因来说这是主要调控点，它包挎启动子中染色质的结构改变，同时，基本转录复合体也结合到启动子上。组织特异性基因表达调控也是在转录过程中进行的，那么生物体通过什么样的调控方式进行呢？转录因子的参与或许可能很好的解释这些调控机制。一、转录因子转录因子：一群能与基因5`端上游特定序列专一性结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的质蛋白分子。主要包挎三类：基本转录因子：和RNA聚合酶一起结合于起始点和TATA盒激活剂：是特异性识别短共有序列元件的转录因子，他们通过增加基本转录复合体结合于启动子的效率而起作用，因此增加转录频率，是启动子充分起作用所必须的。辅激活剂：与转录效率有关的另一组因子自身并不与DNA结合，而是通过连接激活剂和基本转录复合体。它们通过蛋白质-蛋白质相互作用起来反应。其他：此外一些调节因子可使染色质结构改变。激活剂结构：激活剂有着独立的DNA结合域和转录激活域。两者有着功能的独立性，DNA结合域负责结合DNA，并将转录激活域带到启动子的邻近区域；转录激活域则负责激活转录，转录激活域和基本转录复合体相互作用，这种作用与DNA结合域的取向和具体定位无关。在研究蛋白质相互作用时候，可以利用激活剂的两个结构域独立性的特点进行研究。二、结合域与DNA结合激活剂要发挥激活作用，首先是它能够识别DNA上的特异序列，如识别启动子（或增强子）元件。能够引起基因对这种因子产生反应的元件称为“应答元件”。常见的应答元件有热激应答元件（HSE）糖皮质激素应答元件（GRE）血清应答元件（SRE)等。在激活剂与DNA结合过程中，转录因子的应答元件可能位于启动子或者增强子中，而且，每个应答元件能被特异的激活剂所识别。由单一因子调控多条基因的例子是热激反应，这种反应是很多原核与真核生物所共有的，它包括基因表达的多种调控：温度升高会关闭某些基因的转录，而开启热激基因的转录，从而导致mRNA翻译的变化。金属硫蛋白（MT）基因提供了单一基因受多种不同机制调控的例子。金属硫蛋白保护细胞免受过多的金属损伤，它能与重金属结合，并将其排出体外。此基因仅表达基础水平，可被金属离子（如镉例子）或糖皮质激素（GR）诱导出很高的水平。正如前面所说，激活剂具有DNA结合域和转录激活域，不同的转录因子其DNA结合域也是有所差别的，因此可以根据DNA结合域将激活剂进行分型。这些分型包括：锌指基序、类固醇受体、螺旋-转角-螺旋、螺旋-环-螺旋以及亮氨酸拉链结构。1.锌指基序锌指包含约由23个氨基酸残基组成的环，它伸出锌结合位点，而锌结合位点由2个半胱氨酸和2个组氨酸组成。锌指蛋白通常含有多个锌指，典型“锌指蛋白”含有一连串锌指。锌指蛋白中，每一个锌指形成两个螺旋，N端形成β折叠，C端形成α-螺旋。在与DNA结合过程中，三个α-螺旋正好与DNA一个大沟结合，每一个α-螺旋中，都有两个特异性序列与DNA结合。锌指存在于辅助RNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ的转录因子中因此，当蛋白质含有多个锌指，至少我们可以将它作为转录因子去研究其作用。当蛋白质仅含有单个锌指时，锌指可能参与RNA的结合而不与DNA结合，或它与任何核酸结合活性均无关。如原型锌指蛋白TFⅡA，它既结合5SrRNA基因又结合其产物5SrRNA。2、类固醇受体类固醇激素是在一系列神经内分泌的刺激下合成的，它主要影响生长、组织发育和动物世界的躯体稳态。类固醇激素发挥作用的中介就是类固醇受体。类固醇受体蛋白质的中心部分是DNA结合域，它在各种固醇受体都有较强的相关性。受体的N端显示了最低的保守性，他们包含转录激活的其他区域。C端结构域结合激素，它们在类固醇受体家族中有30%-57%的相关性，反应了各种激素的特异性。类固醇受体的DNA结合域也是一类锌指，但是它只含有Cys而没有His残基。在与DNA结合过程中，它所发挥的功能仅仅是识别DNA序列以及提供DNA结合空间。类固醇的应答元件是含有两个半位点的回文结构或者同向重复结构。在转录激活过程中，类固醇受体通过与配体的结合而被激活，激活的类固醇受体的第一个锌指识别应答元件的半位点序列，而第二个锌指则负责二聚化，决定亚基之间的距离。最后各个亚基在第二锌指处形成二聚体，通过形成二聚体的方式而结合DNA。对DNA的结合调节也是通过不同亚基之间形成亲和力不同的二聚体进行调节。3、同源域同源域是一个DNA结合域，它由60个氨基酸组成，形成3个α-螺旋。其中，C端的α-螺旋有17个氨基酸，负责结合DNA大沟，N端臂插入DNA小沟中。该结构存在许多甚至所有真核生物蛋白质中，其名称最早来源于在果蝇中所发现的同源异型基因座。在生物体内，同源域存在于与发育调节有关的许多基因中。同源域负责DNA的结合，在蛋白质之间交换同源域的实验表明，DNA识别特异性取决于同源盒。同源域的C端与原核生物阻抑物的螺旋-转角-螺旋结构有相关性。其结合DNA方式如右图。另一组包含同源域的蛋白质是一系列Hox蛋白，它们以相当低的序列特异性结合DNA。Hox蛋白与DNA结合时是作为异源二聚体以其偶合体结合DNA.同源域蛋白可以是转录激活剂或阻抑物，这些因子本质是依赖于其他结构域的，其本身仅负责结合DNA.4、螺旋-环-螺旋螺旋-环-螺旋蛋白质有一个由40-50个氨基酸残基组成的序列，含有两个两性α-螺旋。每一个α-螺旋由15-16个氨基酸残基组成，两个α-螺旋被环隔开。两个螺旋形成两个面，一面代表着疏水氨基酸，另一个面代表着带电氨基酸。这组蛋白质通过两个螺旋相应表面的疏水残基的相互作用，可以形成同源二聚体和异源二聚体。大多数HLH蛋白在HLH基序附近有一个强碱性的，对DNA结合非常重要的区域。一段由15个氨基酸组成的序列中约有6个保守残基，含有这类区域的蛋白质称为bHLH蛋白。bHLH蛋白包括广谱表达的蛋白质和组织特异性的bHLH蛋白。HLH蛋白在与DNA结合时候，是通过HLH蛋白质之间形成二聚体的方式结合DNA的。由bHLH蛋白组成的二聚体与DNA结合能力各有所不同。例如，E47同源二聚体、E47-E12异源二聚体和MyoD-FA7异源二聚体都能高效结合DNA；E12同源二聚体虽然容易形成但与DNA结合能力差，而MyoD的同源二聚化能力较弱。由此可知二聚化和DNA的结合可能都是重要的调控点。DNA结合能力不同取决于HLH基序内部或邻近区域的特性。在黑腹果蝇中emc基因是建立成体感觉器官正常立体模式所必需的，此作用是通过几条基因的功能来实现的，如da基因和Ac-J基因。Ac-S基因和da基因是bHLH型基因，抑制基因emc编码一个缺乏碱性区的HLH蛋白。当emc功能缺失时，da蛋白和Ac-S蛋白形成二聚体激活相应靶基因的转录，但emc蛋白的产生导致形成不能结合DNA的异源二聚体，所以在适当细胞内产生emc蛋白是抑制Ac-S/da功能所必需的。5、亮氨酸拉链结构在生物化学的研究中，发现某些DNA结合蛋白的一级结构C末端区段，亮氨酸总是有规律地每隔7个氨基酸就出现一次。蛋白质α-螺旋每绕一圈为3.6个氨基酸残基。这种一级结构形成α-螺旋时，亮氨酸必与螺旋轴平行而在外侧同一线上排布，每绕两圈出现一次，而且，亮氨酸R-基因上的分支侧链也露于螺旋之外成规律地相间，形成拉链式的结构。亮氨酸拉链是由伸展的氨基酸组成，每7个氨基酸中的第7个氨基酸是亮氨酸，亮氨酸是疏水性氨基酸，排列在螺旋的一侧，所有带电荷的氨基酸残基排在另一侧。当2个蛋白质分子平行排列时，亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成“拉链”。在“拉链”式的蛋白质分子中，亮氨酸以外带电荷的氨基酸形式同DNA结合。如下图：在每一个拉链蛋白质中，邻近亮氨酸重复序列的区域都是高度碱性的，能组成DNA结合的一个位点，两个碱性区对称地形成DNA结合臂与DNA结合，拉链还可以用于同源或异源二聚体的形成。三、转录激活域与激活当激活剂由DNA结合域与转录激活域组成时，激活剂可以直接起作用。而辅激活剂则须要与其他蛋白的结合，才可以与DNA结合行驶相应功能。尽管蛋白质组分组成不同，但是机制是相同的，一个和基本转录复合体直接接触的激活剂有一个转录激活域，它与DNA结合域共价连接，但激活剂通过辅激活剂作用时，它们的连接方法包挎蛋白质亚基间的非共价结合。1.基本转录复合物激活基本转录因子促进基本转录复合体的装配，而转录激活域是通过与基本转录因子的蛋白质之间的相互作用而发挥其功能的。典型的例子如TFⅡD、TFⅡB和TFⅡA,所有这些因子参与基本转录复合体装配的早起阶段。如图：TFⅡD可能是激活剂最普遍的靶标，他可能和TAF的任何一个相结合。TAF主要作用是提供基本转录复合体与激活剂的联系，是高水平转录所必需的，而它是由激活剂所刺激。2、酸性激活剂激活酵母激活剂GAL4和GCN4的转录激活域有许多负电荷，因此被称为酸性激活剂。酸性激活剂通过增强TFⅡB结合到基础起始转录复合体的能力来发挥作用。体外实验表面GAL4或VP16酸性激活剂的存在，能刺激TFⅡB结合到腺病毒启动子上的起始复合物上，VP16激活剂可以直接和TFⅡB结合。目前，激活剂激活转录有两种通用模型。征募模型：认为唯一的效果是提高了RNA聚合酶与启动子的结合。诱导模型：认为激活剂了转录复合体的某些改变，比如说酶构象上的改变，提高了效率。