真核生物基因表达在转录水平上是如何调控的？
转录水平的调控是真核生物基因表达调控中最重要环节。调控作用主要是反式作用因子通过结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成。
(一)转录起始复合物的形成是转录的可调控环节
RNA聚合酶(RNA pol)与启动子的结合是形成转录起始复合物的关键环节。不同的是,细菌的RNA pol识别的是一段DNA序列。真核细胞的RNA pol.不能识别纯化的DNA上的启动子。只有当一个或多个转录因子(transcription factor, TF)结合到DNA上,形成功能性的启动子,才能被RNA pol识别结合。例： RNA pol II为,转录起始复合物的形成三个关键步骤:①TF II D结合TATA盒;②RNA pol识别并结合TFII D -DNA复合物,形成闭合的复合物③其他转录因子与RNA pol结合,转录起始部位的DNA解链,形成开放复合物(open complex) ,开始转录。
在转录调控过程中,反式作用因子的作用主要是促进或抑制TF II D与TATA盒结合、 RNA pol与TFIID-DNA复合物结合以及转录起始复合物的形成。
(二)反式作用因子是真核细胞内重要的基因表达调控蛋白
1.反式作用因子是调控基因表达的DNA结合蛋白 ( trans-act ing factor)
2.反式作用因子具有三个基本特征①三个功能结构域: DNA结合域,转录活性域,结合其他蛋白的结合域。②能识别并结合顺式作用元件;③对基因表达有正性和负性调控作用。
3.反式作用因子结构域具有多种结构模式
(1) DNA结合域有不同的结构模式
1)钵指结构
2)同源结构域具有螺旋-回折一螺旋结构。
3)亮氨酸拉链结构使两个单体结合并形成DNA结合域。
4)螺旋环-螺旋结构易于形成二聚体:螺旋区形成反式作用因子的二聚体,碱性氨基酸区结合DNA。
5)碱性α螺旋含较多的碱性氨基酸:转录复制因子CTF/NF-1的DNA结合区域具有碱性 α一螺旋结构(alkalineα-helix) ,并含有高密度的碱性氨基酸,但元辛辛指结构、同源结构域及亮氨 酸拉链结构。
(2)转录活化结构域是反式作用因子的转录激活区:反式作用因子的转录激活功能取决于其 DNA结合区域以外的由80到100个氨基酸组成的区域,此区即为转录活化结构域( transcriptional activation domain)。转录因子通常具有一个以上的转录活化区。转录活化结构模型有以下几种:
1)酸性α-螺旋结构域含有带负电荷的α-螺旋区:酸性α一螺旋结构域(acidic α-helix domain) 的结构特点是含有较多的负电荷,并能形成亲脂性α一螺旋（例：糖皮质激素受体；Apl/Jun转录因子。活化区可能是与那些启始复合物的成分(如TFII D因子或Pol II)相互作用而发挥其转录活化功能的。
2)富含谷氨酸胶结构域存在于多种转录因子中:转录因子Spl与转录活化相关的4个区域,都位于钵指DNA结合区之外,其中两个作用最强的含有约25个谷氨酸跤。另外,哺乳动物的Oct-I... Oct-2、 J un、Ap-2和CRF中也含有这种富含谷氨酸胶结构域 (glutamine-rich domain)。
3)富含脯氨酸结构域常与DNA结合结构域相连:富含脯氨酸结构域(proline-rich domain) 是在CTF NF-1中发现的。CTF竣基末端含脯氨酸(20%r-.-30%)的区域与包括Spl锌指结构在内 的各种DNA结合域相连,即可促进转录。脯氨酸是亚氨基酸,可妨碍α一螺旋的形成。
(三)转录起始是由多种激活的反式作用因子进行复合调控
真核基因表达的转录水平的调控机制涉及反式作用因子的激活以及反式作用因子的作用等。
1.反式作用因子的激活方式多样反式作用因子的激活通过以下几种方式进行。
(1)通过基因表达产生反式作用因子是激活方式之一:这种方式也称为表达式调节,这类反式作用因子合成出来就具有活性,而它们只是在需要时才合成,并通过蛋白水解酶迅速降解,不能积累。
(2)共价修饰调节蛋白的活性:①磷酸化-去磷酸化。许多反式作用因子合成以后在细胞内持续存在。大多数是磷蛋白,其功能通过磷酸化、去磷酸化作用进行调节;②糖基化。糖基化也是反式作用因子活性调节的一种方式。细胞内的许多转录因子都是糖蛋白。其合成后的初级产物是无活性的,经糖基化的修饰就能转变成具有活性的糖蛋白。由于糖基化与磷酸化 的位点都是在丝氨酸和苏氨酸残基的瓷基上,故两种修饰可能是竞争性互相排斥的。
(3)与配体结合引起功能变化:许多激素受体也是反式作用因子,本身对基因转录元调节作 用。当激素进入细胞后,受体与激素结合,才能结合于DNA,调节基因的表达。
(4)蛋白质与蛋白质相互作用:蛋白质-蛋白质复合物的解离及形成,是许多细胞内反式作用因子活性调节的重要方式。有些反式作用因子与另一蛋白形成复合物后,才具有调节活性。如 c -myc蛋白,主要位于细胞核中,可与DNA结合。c -myc蛋白具有螺旋-环-螺旋和碱性亮氨酸拉链结构域。这两种结构都有利于二聚体的形成。单一的c-myc蛋白结合靶DNA的效率很低, 需要与其配对蛋白max构成异二聚体,才能调节基因表达。
2.反式作用因子与顺式元件结合发挥调节功能
反式作用因子被激活后,即可识别并结合上游启动子元件和增强子中的保守性序列,对基因转录发挥调节作用。大部分反式作用因子在激活以后与顺式元件结合,但也可能有一些反式作用因子是先结合DNA,被激活后才 发挥调节功能。增强子和上游启动子元件可以结合一些相同的蛋白质,在不同的基因中,存在着 同样的顺式作用元件,这表明一些数量有限的基因调控蛋白控制着真核细胞的基表达。
3.反式作用因子作用的方式有多种模式
反式作用因子结合的增强子元件通常与其所调控 的基因相距较远,上游启动子元件也与RNA聚合酶结合位点有一定距离。它们如何影响到远距 离RNA聚合酶结合位点,影响其转录活性的呢?目前提出的有以下几种作用模式:
(1)DNA成环使相应位点接近而发挥调节作用:反式作用因子结合于增强子后,利用DNA 的柔曲性,弯曲成环,使增强子区域与RNA聚合酶结合位点靠近,直接接触而发挥作用。
(2)反式作用因子扭曲改变DNA的构型发挥调节作用:反式作用因子结合DNA后,可使 DNA弯折或扭曲而发生构型改变,使之更适合与通用转录因子和RNA聚合酶结合,从而促进转录的起始。
(3)反式作用因子可沿DNA滑动到特定区域发挥作用:作为反式作用因子的蛋白质,先结合到特异的位点上,然后沿DNA滑动到另一特异的序列发挥作用。
(4)反式作用因子通过连锁反应而影响转录:一种反式作用因子与其顺式作用元件结合,促进另一种反式作用因子与邻近的顺式作用元件结合,后者又促进下一个反式作用因子与其顺式作用元件的结合,直到基因的转录起始点,进而影响基因的转录。
4.反式作用因子的组合式调控使调控更为精确
反式作用因子结合顺式元件后激活转录, 有时则抑制转录。每一种反式作用因子结合顺式作用元件后虽然可发挥促进或抑制作用,但反式作用因子对基因表达的调控不是由单一因子完成的,而是几种因子组合,发挥特定的作用,称为组合式调控(combinatorial regulation)。每一调节蛋白单独作用,对转录所产生的影响可以是正调控,也可以是负调控,不同因子的综合,决定一个基因的转录。实际上,净效应不是简单加合的结果,在某些情况下,两个调控蛋白结合到DNA上后,可以相互作用改变各自的活性。通常是几种不同的反式作用因子控制一个基因的表达,一种反式作用因子也可以参与调控不同的基因表达调控。反式作用因子的数量是有限的,反式作用因子的组合式作用方式使有限的反 式作用因子可以调控不同基因的表达。
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