分子生物學(xué)：Section N 真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

SectionN真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控Transcriptionofasinglegenemayberegulatedbymanydifferentfactorsinteractingwithregulatoryelementsupstreamordownstreamofthetranscribedsequence.GeneXStartsite+1Regulatoryelements

tobindtranscriptionfactorsExample:Themetallothionein(MT,金屬硫蛋白)geneThemetallothioneinproteinprotectsthecellagainstexcessconcentrationsofheavymetals,bybindingthemetalandremovingitfromthecell.Thegeneisexpressedatabasallevel,butisinducedtogreaterlevelsofexpressionbyheavymetalions(suchascadmium鎘)orbyglucocorticoids(糖皮質(zhì)激素).N1真核生物的轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)

DNA-bindingdomainsDNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域Dimerizationdomains二聚體結(jié)構(gòu)域Transcriptionactivationdomains激活結(jié)構(gòu)域Repressordomains阻抑結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄調(diào)控的對(duì)象Dimerizationdomains.

二聚體結(jié)構(gòu)域

許多轉(zhuǎn)錄因子以同型或異型的二集體形式存在.Ligand-bindingdomains.

配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域

允許與附加的小分子結(jié)合來(lái)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子自身的活性.類固醇激素收體是包含所有這四種結(jié)構(gòu)域的一個(gè)例子.轉(zhuǎn)錄因子的活性可以獨(dú)立分配給特定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域activationdomains.激活結(jié)構(gòu)域DNA-bindingdomains.DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域Domainswapexperiments結(jié)構(gòu)域交換實(shí)驗(yàn)

Movingdomainsamongproteins,provingthatdomainscanbedissected分開(kāi)

intoseparatepartsoftheproteins.YeasttranscriptionfactorsGal4andGcn4:withseparateDNAbindingdomainandactivationdomain.BacterialLexArepressorlexAoperatorDomainswap結(jié)構(gòu)域交換功能

結(jié)構(gòu)域N1-2:DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域Thehelix-turn-helixdomain螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋結(jié)構(gòu)域2.Thezincfingerdomain鋅指結(jié)構(gòu)域3.Thebasicdomain堿性結(jié)構(gòu)域

1.螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋結(jié)構(gòu)域Majorgroove1.Homeodomain同源域:被一個(gè)稱為同源框(homeobox)的序列編碼,包含60個(gè)氨基酸.在果蠅(Drosophila)的觸角足轉(zhuǎn)錄因子中,該結(jié)構(gòu)域由4個(gè)α-螺旋組成，螺旋Ⅱ和Ⅲ之間保持直角度，并一個(gè)頗具特征的β-轉(zhuǎn)角所分隔.

螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋結(jié)構(gòu)域的例子螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋HomeodomainboundtoitsspecificDNAsequence2.噬菌體DNA結(jié)合蛋白:

λ噬菌體cro阻抑物、乳糖和色氨酸阻抑物、cAMP受體蛋白（CRP）

結(jié)構(gòu)域的識(shí)別螺旋結(jié)構(gòu)躺在DNA大溝中，并與DNA發(fā)生作用.兩個(gè)同源域因子Bicoid和Antennapedia的識(shí)別螺旋可以互換,這樣也交換了它們的DNA結(jié)合特性.

不同DNA結(jié)合蛋白的螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋結(jié)構(gòu)域2.鋅指結(jié)構(gòu)域鋅指結(jié)構(gòu)存在不同形式C2H2型鋅指:

有一個(gè)12氨基酸的環(huán)通過(guò)2個(gè)半胱氨酸和2個(gè)組氨酸殘基固定，這四個(gè)殘基與鋅離子在空間上形成一個(gè)四面體結(jié)構(gòu)。這種鋅指折疊形成一個(gè)緊密的結(jié)構(gòu)，由2條β鏈和一個(gè)α螺旋組成，α螺旋區(qū)域上含有保守的堿性氨基酸序列，負(fù)責(zé)與DNA大溝的結(jié)合。C2H2Examples:

(1)TFIIIA,theRNAPolIIItranscriptionfactor,withC2H2zincfingerrepeated9times.(2)

SP1,with3copiesofC2H2zincfinger. Usually,threeormoreC2H2zincfingersarerequiredforDNAbinding.2.C4型鋅指:

鋅離子與4個(gè)半胱氨酸結(jié)合.Example:

類固醇激素受體轉(zhuǎn)錄因子.由同型或異型的二聚體組成,每個(gè)單體包含2個(gè)

C4鋅指.

Zincfinger:C4type3.堿性結(jié)構(gòu)域富含堿性氨基酸出現(xiàn)在許多的DNA結(jié)合蛋白中通常與二聚體結(jié)構(gòu)域（

亮氨酸拉鏈

或HLH，螺旋－環(huán)－螺旋)中的一個(gè)聯(lián)合在一起,導(dǎo)致形成堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)或堿性HLH

蛋白。蛋白的二聚化作用使兩個(gè)堿性結(jié)構(gòu)域（靠近）相鄰，進(jìn)而可與DNA發(fā)生作用。

二聚體結(jié)構(gòu)域Leucinezippers亮氨酸拉鏈Thehelix-loop-helixdomain(HLH)螺旋－環(huán)－螺旋亮氨酸拉鏈蛋白每相隔7個(gè)殘基就有一個(gè)疏水的亮氨酸殘基，這些殘基位于DNA結(jié)合域的C端α-螺旋上。α-螺旋的側(cè)面每?jī)扇蜁?huì)出現(xiàn)一個(gè)亮氨酸，形成一個(gè)疏水的表面，

通過(guò)α-螺旋的疏水表面間的互相作用，形成二聚體。這種相互作用形成一個(gè)卷曲結(jié)構(gòu)（卷曲螺旋）。

堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）包含一個(gè)堿性的DNA結(jié)合區(qū)域，其N(xiāo)端與亮氨酸拉鏈相連，也可看作是α-螺旋C端的延伸。每個(gè)α-螺旋相連的堿性結(jié)構(gòu)域形成一個(gè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，最終像一個(gè)夾子夾在DNA上。Leucinezipper亮氨酸拉鏈TheNterminaldomainofeachhelixformasymmetrical對(duì)稱

structureinwhicheachbasicdomainliesalongtheDNAinoppositedirectionsinteractingwithsymmetricalDNArecognitionsitesothatproteinineffectformaclamp夾住

aroundDNA亮氨酸拉鏈(leucinezipper)亮氨酸拉鏈在一些利用DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的蛋白中也可以不通過(guò)堿性結(jié)構(gòu)域而作為二聚體結(jié)構(gòu)域使用，包括一些同源域蛋白。HLH在結(jié)構(gòu)上與亮氨酸拉鏈相似，只是它的2個(gè)α-螺旋被一個(gè)非螺旋的多肽環(huán)分成兩個(gè)單體蛋白，C端α-螺旋一側(cè)的疏水殘基可以二聚化.

HLH結(jié)構(gòu)也經(jīng)常與堿性結(jié)構(gòu)域相鄰，以形成DNA結(jié)合所需的二聚體。

螺旋－環(huán)－螺旋結(jié)構(gòu)域(HLH)Hydrophobicresidues殘基

ononesideoftheC-terminalα-helixallowdimerization.Similartoleucinezipper,theHLHmotifisoftenfoundadjacent鄰近

toabasicdomainthatrequiresdimerizationforDNAbinding.堿性HLH蛋白和bZIP蛋白能夠形成異型二聚體，這種異型二聚體的形成增加了轉(zhuǎn)錄因子所有組成成分的多樣性和復(fù)雜性.轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域Acidicactivationdomains

酸性激活結(jié)構(gòu)域Glutamine-richdomains

富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域Proline-richdomains

富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域酸性激活結(jié)構(gòu)域

也稱為“acidblobs”or

“negativenoodles”

富含酸性氨基酸

出現(xiàn)在許多轉(zhuǎn)錄因子的激活結(jié)構(gòu)域

yeast酵母Gcn4and

Gal4,mammalian哺乳動(dòng)物

glucocorticoidreceptor糖皮質(zhì)激素受體herpesvirusactivator皰疹病毒激活子VP16domains.

酸性α-螺旋(acidicα-helix)

該結(jié)構(gòu)域含有由酸性氨基酸殘基組成的保守序列，多呈帶負(fù)電荷的親脂性α-螺旋，包含這種結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子有GAL4、GCN4、糖皮質(zhì)激素受體和AP-1/Jun等。

增加激活區(qū)的負(fù)電荷數(shù)能提高激活轉(zhuǎn)錄的水平?？赡苁峭ㄟ^(guò)非特異性的相互作用與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物上的TFIID等因子結(jié)合生成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。

富含谷氨酰氨結(jié)構(gòu)域富含谷氨酰胺與酸性結(jié)構(gòu)域一樣，谷氨酰氨殘基所占比例似乎比總體結(jié)構(gòu)更重要.

在通用性轉(zhuǎn)錄因子SP1的兩個(gè)激活區(qū)域上首次發(fā)現(xiàn).

谷氨酰胺豐富區(qū)(glutamine-richdomain)

SP1的N末端含有2個(gè)主要的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，氨基酸組成中有25%的谷氨酰胺，很少有帶電荷的氨基酸殘基。酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳動(dòng)物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2和SRF也含有這種結(jié)構(gòu)域。富含脯氨酸結(jié)構(gòu)域富含脯氨酸Proline-rich

與谷氨酰胺相似，有一個(gè)能激活轉(zhuǎn)錄的連續(xù)脯氨酸殘基鏈

存在于轉(zhuǎn)錄因子c-Jun,AP2和Oct-2等.

脯氨酸豐富區(qū)(proline-richdomain)

CTF家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的C末端與其轉(zhuǎn)錄激活功能有關(guān)，含有20%-30%的脯氨酸殘基。

N1-5:阻抑物結(jié)構(gòu)域

轉(zhuǎn)錄的阻抑有可能是通過(guò)間接地對(duì)激活因子功能的干涉而實(shí)現(xiàn).1.阻斷激活因子的DNA結(jié)合位點(diǎn)（類似原核生物的阻抑蛋白）2.非DNA結(jié)合復(fù)合體的形成

(例如.Id蛋白阻斷了HLH蛋白與DNA的相互作用，因?yàn)樗鼈內(nèi)鄙倭薉NA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域.3. 并非阻礙DNA結(jié)合而是掩蓋了激活結(jié)構(gòu)域(e.g.Gal80

掩蓋了酵母轉(zhuǎn)錄因子Gal4的激活結(jié)構(gòu)域).阻抑蛋白的特定結(jié)構(gòu)域直接抑制轉(zhuǎn)錄.(e.g.原核生物的阻遏子)e.g.哺育動(dòng)物甲狀腺激素受體的結(jié)構(gòu)域在缺少甲狀腺激素的情況下可以阻抑轉(zhuǎn)錄.Repressordomains阻抑物結(jié)構(gòu)域N1-6:轉(zhuǎn)錄調(diào)控的對(duì)象染色質(zhì)結(jié)構(gòu);通過(guò)特定的TAFIIS與TFIID

相互作用;與TFIIB相互作用;對(duì)TFIIH復(fù)合體的相互作用或調(diào)整導(dǎo)致RNAPolII的CTD的特異性磷酸化.不同的激活結(jié)構(gòu)域似乎有著不同的調(diào)控對(duì)象，而且轉(zhuǎn)錄起始和延伸過(guò)程中的任何組分或階段都可能成為調(diào)控的對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄的多階段調(diào)控.N2轉(zhuǎn)錄調(diào)控舉例N2-1:組成性轉(zhuǎn)錄因子:SP1SP1與一段富含GC的保守序列GGGCGG結(jié)合.

其結(jié)合位點(diǎn)存在于許多持家基因的啟動(dòng)子中.SP1是一種組成性轉(zhuǎn)錄因子，存在于所有的細(xì)胞類型中.

包含3個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)和2個(gè)富含谷氨酰胺轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，SP1的富含谷氨酰胺結(jié)構(gòu)域與TAFII110發(fā)生特異性的相互作用，從而調(diào)控起始轉(zhuǎn)錄復(fù)合體.組成性轉(zhuǎn)錄因子:SP1N2-2:激素調(diào)控:類固醇激素受體

許多轉(zhuǎn)錄因子是由激素激活的，這些激素通常是由一類細(xì)胞分泌，然后將信號(hào)傳輸給另一類細(xì)胞.

類固醇激素:脂溶性，可以穿過(guò)細(xì)胞膜與轉(zhuǎn)錄因子類固醇激素受體相互作用.在沒(méi)有類固醇激素存在時(shí)類固醇激素受體與抑制蛋白結(jié)合，游離在細(xì)胞質(zhì)中.在類固醇激素存在的條件下

1.類固醇激素與受體結(jié)合后,可以使受體從抑制蛋白上游離出來(lái).2.然后受體二聚化，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中.3.受體上的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與特定DNA序列或反應(yīng)元件作用，從而激活目標(biāo)基因.類固醇激素GRE糖皮質(zhì)激素受體抑制因子(HSP90)轉(zhuǎn)移至核內(nèi)解離并二聚化糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件Translocation遷移類固醇激素相關(guān)受體中的重要受體:

糖皮質(zhì)激素受體、雌性激素受體、視黃酸受體、甲狀腺激素受體.注意：上述一般模式并非對(duì)所有這些受體有效.甲狀腺激素受體：在沒(méi)有激素結(jié)合的情況下是與DNA結(jié)合的阻抑蛋白,但若與激素結(jié)合后又可以轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)錄激活因子.N2-3:磷酸化調(diào)節(jié):STAT蛋白許多激素并不穿過(guò)細(xì)胞（擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)）.這些激素與細(xì)胞表面的受體結(jié)合，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的過(guò)程將信號(hào)傳遞給細(xì)胞內(nèi)的蛋白.信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通常涉及到蛋白磷酸化.例如:γ-干擾素誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子STAT1α的磷酸化，是通過(guò)激活一種稱為JAK激酶Janusactivatedkinase(JAK)的細(xì)胞內(nèi)激酶來(lái)實(shí)現(xiàn).未磷酸化STAT1α蛋白:以單體的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中并且無(wú)轉(zhuǎn)錄活性.磷酸化STAT1α蛋白：在一個(gè)特定的酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化后，能夠形成同型二聚體，

并從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，進(jìn)而激活在啟動(dòng)子處含有一個(gè)保守DNA結(jié)合基序的目標(biāo)基因的表達(dá).ppPpγ-干擾素γ-干擾素受體JAK激酶未磷酸化的STAT

單體+2ATP+2ADP磷酸化的STAT

二聚體反應(yīng)元件轉(zhuǎn)移至核內(nèi)二聚化N2-4:轉(zhuǎn)錄延伸:HIVTatHumanimmunodeficiencyvirus(HIV)人類免疫缺陷病毒編碼一種激活蛋白Tat，該蛋白為HIV基因的大量表達(dá)所必需.Tat

與RNA的莖環(huán)結(jié)構(gòu)TAR

結(jié)合，TAR是HIVRNA5’端轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)后的一段不翻譯區(qū)域(UTR)，哺乳動(dòng)物細(xì)胞中Tat的主要作用是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的延伸過(guò)程.缺乏Tat，RNAPolⅡ復(fù)合體因?yàn)檫M(jìn)程過(guò)慢而使得HIV的轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止.

Tat與RNA結(jié)合因子(RNA-bindingfactors)一起以復(fù)合體的形式結(jié)合在轉(zhuǎn)錄物的TAR序列上.該蛋白-RNA復(fù)合體可以向后成環(huán)狀，并與裝配在啟動(dòng)子上的新形成的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體作用.

這種相互作用導(dǎo)致TFⅡH的激酶活性被激活，結(jié)果RNAPolⅡ的carboxyl-terminaldomain(CTD)實(shí)現(xiàn)磷酸化，使得RNA聚合酶前進(jìn)，使其完成HIV轉(zhuǎn)錄單元得閱讀，實(shí)現(xiàn)HIV蛋白得大量合成。HIVgenomeN2-5:Celldetermination:myoDmyoDwasidentifiedasagenetoregulategeneexpressionincelldetermination,commandingcellstoformmuscle.MyoDproteinhasbeenshowntoactivatemuscle-specificgeneexpressiondirectly.OverexpressionofmyoDcanturnfibroblastsintomuscle-likecellswhichexpressmuscle-specificgenesandresemblemyotomes.myoDalsoactivatesexpressionofp21waf1/cip1expression,asmallmoleculeinhibitorofCDKs,causingcellsarrestedattheG1-phaseofthecellcyclewhichischaracteristicofdifferentiatedcells.Fourgenes,myoD,myogenin,myf5andmrf4havetheabilitytoconvertfibroblastsintomuscle.Theencodedproteinsareallmembersofthehelix-loop-helix(HLHfordimerization)transcriptionfactorfamily.TheseproteinsareregulatedbyaninhibitorcalledIdthatlacksaDNA-bindingdomain,butcontainstheHLHdimerizationdomain.IdproteincanbindtoMyoDandrelatedproteins,buttheresultingheterodimersc