近几年来,随着分子生物学、遗传学及其新技术的迅速发展,真核生物基因表达(geexprc~ioB)的问题已有了突破性的进展。认为真核细胞基因的表达,受到多层次的调控,诸如转录,转录后,翻译、翻译后等水平。而不同基因的表达受到不同水平的调控,其中最为主要的就是转录水平的调控。
转录水平的调控涉及到顺式作用元件(cls acting elemeat)、反式作用因子(trans acting factor)和“基本转录单位”等。顺式元件是指对基因转录有调控作用的DNA序列,反式作用因子是指能直接或间接与DNA调控元件结合而发挥调控作用的蛋白质因子。转录单位包括转录模板和5近端调控序列。转录的起始具有严格而精密的调控机制,而转录链的延伸则没有严格的选择性和明确的终止信号。
真核细胞的三种RNA聚合酶(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)中,只有RNA聚合酶Ⅱ能转录生成mRNA,以下主要讨论RNA聚合酶Ⅱ的转录调控。
1、真核基因转录的顺式调控
真核基因的顺式元件按功能可以分为启动子(promote r)、增强子(enhancer)以及负调控元件-沉寂子(silencer)。从总体看,启动子较增强子更靠近转录起始点,因此是近端的元件。但在启动子区本身又有近端的(转录起始点和TATA盒等)以及远端(上游)启动子之分。
(1)启动子的结构与功能
启动子 与原核启动子的含义相同,是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列,但真核不同启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列,而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录,而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用,不同蛋白质因子又能与不同DNA序列相互作用,不同基因转录起始及其调控所需的蛋白因子也完全相同,因而不同启动子序列也很不相同,要比原核更复杂、序列也更长。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100-200bp序列,包含有若干具有独立功能的DNA序列元件,每个元件约长7-30bp。最常见的哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中的元件序列见表。
启动子中的元件可以分为两种
①核心启动子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列,包括转录起始点及其上游-25/-30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。
②上游启动子元件(upstream promoter elements) 包括通常位于-70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件组成,其位置也不相同,就使得不同的基因表达分别有不同的调控。
1)典型的启动子结构
真核细胞典型启动子或者启动子区通常是由转录起始点(+1)的5上游100个碱基对以内的一些具有独立功能的序列所组成,每组约有7~20个bp。其中至少有一个位于转录起始点上游-25~-30bp处的“TATA盒”;它是借助于转录辅助因子而参与决定RNA聚合酶Ⅱ转录起始点的关键元件,但它的单独作用只能产生基础水平的转录。其它的上游启动子元件 (UPE)包括位于-70bp附近的CCAAT(CAT盒)和富含GC~GGGCGG序列(GC盒)等则调节转录起始的频率,可以提高转录效率。
(1)有TATA盒的典型启动子是上游启动子和增强子产生诱导性效应所必需的。有时一个基因上有串联着的两个TATA盒,它们可分别地或有侧重地对不同的诱导物做出应答;在某些情况下也参与组织特异性的选择。淀粉酶基因在唾液腺和肝脏两种组织中分别选择了相距2.8kb、转录效率不同的两个转录起始点,以保证唾液中酶的活性远高于肝脏组织。另一个证据是当用金属诱导小鼠体内的金属硫蛋白基因表达时,在大多数细胞中都是通过TATA盒进行诱导,产生出从单一位点起始的转录予;然而在睾丸组织中TATA盒尽管存在 却不接受金属诱导,而只表现为睾丸特殊形式的多起点基础水平的表达。
近几年来,随着分子生物学、遗传学及其新技术的迅速发展,真核生物基因表达(geexprc~ioB)的问题已有了突破性的进展。认为真核细胞基因的表达,受到多层次的调控,诸如转录,转录后,翻译、翻译后等水平。而不同基因的表达受到不同水平的调控,其中最为主要的就是转录水平的调控。
转录水平的调控涉及到顺式作用元件(cls acting elemeat)、反式作用因子(trans acting factor)和“基本转录单位”等。顺式元件是指对基因转录有调控作用的DNA序列,反式作用因子是指能直接或间接与DNA调控元件结合而发挥调控作用的蛋白质因子。转录单位包括转录模板和5近端调控序列。转录的起始具有严格而精密的调控机制,而转录链的延伸则没有严格的选择性和明确的终止信号。
真核细胞的三种RNA聚合酶(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)中,只有RNA聚合酶Ⅱ能转录生成mRNA,以下主要讨论RNA聚合酶Ⅱ的转录调控。
1、真核基因转录的顺式调控
真核基因的顺式元件按功能可以分为启动子(promote r)、增强子(enhancer)以及负调控元件-沉寂子(silencer)。从总体看,启动子较增强子更靠近转录起始点,因此是近端的元件。但在启动子区本身又有近端的(转录起始点和TATA盒等)以及远端(上游)启动子之分。
(1)启动子的结构与功能
启动子 与原核启动子的含义相同,是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列,但真核不同启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列,而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录,而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用,不同蛋白质因子又能与不同DNA序列相互作用,不同基因转录起始及其调控所需的蛋白因子也完全相同,因而不同启动子序列也很不相同,要比原核更复杂、序列也更长。真核启动子一般包括转录起始点及其上游约100-200bp序列,包含有若干具有独立功能的DNA序列元件,每个元件约长7-30bp。最常见的哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中的元件序列见表。
启动子中的元件可以分为两种
①核心启动子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列,包括转录起始点及其上游-25/-30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。
②上游启动子元件(upstream promoter elements) 包括通常位于-70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件组成,其位置也不相同,就使得不同的基因表达分别有不同的调控。
1)典型的启动子结构
真核细胞典型启动子或者启动子区通常是由转录起始点(+1)的5上游100个碱基对以内的一些具有独立功能的序列所组成,每组约有7~20个bp。其中至少有一个位于转录起始点上游-25~-30bp处的“TATA盒”;它是借助于转录辅助因子而参与决定RNA聚合酶Ⅱ转录起始点的关键元件,但它的单独作用只能产生基础水平的转录。其它的上游启动子元件 (UPE)包括位于-70bp附近的CCAAT(CAT盒)和富含GC~GGGCGG序列(GC盒)等则调节转录起始的频率,可以提高转录效率。
(1)有TATA盒的典型启动子是上游启动子和增强子产生诱导性效应所必需的。有时一个基因上有串联着的两个TATA盒,它们可分别地或有侧重地对不同的诱导物做出应答;在某些情况下也参与组织特异性的选择。淀粉酶基因在唾液腺和肝脏两种组织中分别选择了相距2.8kb、转录效率不同的两个转录起始点,以保证唾液中酶的活性远高于肝脏组织。另一个证据是当用金属诱导小鼠体内的金属硫蛋白基因表达时,在大多数细胞中都是通过TATA盒进行诱导,产生出从单一位点起始的转录予;然而在睾丸组织中TATA盒尽管存在 却不接受金属诱导,而只表现为睾丸特殊形式的多起点基础水平的表达。
(2)上游启动子的组织特异性调控
除TATA盒外,5上游的近端启动元件对决定组织特舁性表达有重要作刚。如白蛋白基因上游-64/-55bp处为肝细胞专一性表达的必要序列 (HNF1结合位点),它在脊椎动物进化中是保守的。此序列诱变衍,含有HNF-1的肝细胞提取物在体外转录体系中的活性降低至原来的1/50(与脾提取物相当),即丧失了肝脏的组织特异性。此外一直被认为是主导组蛋白H2B表达没有细胞特异性的8核苷酸序列(Oct1)也存在于在自细胞介素2(IL2) 基因5上游近端,最近发现该元件能参与决定IL 2在T淋巴细胞中的特异性表达。
2)不典型启动予
(1)无TATA盒或不通过TATA盒的基因转录
不依赖或缺少典型启动子结构的基因转录起始是不规则的,一般只确基础水平表达:如上述小鼠的金属硫蛋白基因在睾丸组织中低表达,其特点还表现在转录起始点散布在-160/+l之问,其中60%的转录起始于-50/-150 ;在L细胞和肾脏则与此有明显差异,RNA转录较活跃但很少起始于-50以上。某些必须在细胞中持续表达以维持细胞正常结构、运动,以及参与细胞新陈代谢等生命活动的蛋白质、酶类基因,又被称为管家基因(Hous ekeeping Gene) 如二氢叶酸还原酶(dhfr)和人表皮生长因子受体基因等的转录,由于没有TATA盒只有富含GC的上游序列,转录起始点常有许多个且分布跨度较大,其中还可有多个SPl结合位点。对持续表达人IL2受体a链基因的成年人T淋巴细胞白血病HUT102等细胞系中,转录起始点也可以出现在-l90bp处。另外一些组成性表达的基因如组蛋H2B、U系列SnRNA等,在其近侧启动子区有Oct存在。若将H2B启动子区中的Oct序列删除,H2B转录不再具有细胞周期特异性。由此可见基因的转录元件对起始方式与表达性质有密切的关系。
(2)无TATA盒或Gc盒的基因转录
这类基因的转录起始于“起始子(Inr)”,它由一个或数个紧密成簇的起始位点组成。这类基因包括:果蝇发育时的同源转换基因ubx和antp、T 淋巴细胞专一性的T细胞抗原受体(TcR)β链,原癌基因lek等。其中末端脱氧核糖核苷转移酶(TdT)基因中-6~+11这17个P的起始子是在前B 和前T淋巴细胞分化中特异表达时准确转录所必需的。若Inr存在于有其它典型转录结构的基因中,SV40的TATA盒或富含Gc的21p重复序列等都可明显提高Inr的转录效率。Inr只有较弱的保守序列:5 -PyPyCAPyPyPyPyPy-3。最近发现小鼠外源的糖皮质激素应答元件(GRE)在激素诱导下可以不通过TATA盒,而以Inr的形式从距离活化的GRE大约50bp处起始转录。
“下游起始子”发现于胶质细胞中编码胶质纤维酸性蛋白的gfa基因,它的转录起始点下游+10~+50处是TFⅡD结合TATA盒时所必需的序列。因此,这是一个在转录起始3下游的调控序列,叫做“下游起始子”。
在没有TATA盒的基因上游如果仍有Gc盒存在,则有特异的反式作用因子的参与,这将在反式作用因子部分进行讨论。
(2)增强子的结构和功能
是一种能够提高转录效率的顺式调控元件,最早是在SV40病毒中发现长约200bp的一段DNA,可使旁侧的基因转录提高100倍,其后在多种真核生物、甚至在原核生物中都发现了增强子。增强子在真核细胞中是通过启动子来增强转录的一种远端遗传性调控元件。增强子区在真核细胞中一般跨度为 100~200bp。它和启动子同样是由多个独立的、具有特征性的核苷酸序列所组成的。其基本的“核心”结构(motif,module或 element)常由8~12个bp组成;可以有完整的或部分的回文结构,并以单拷贝或多拷贝串联的形式存在。一般认为彼此间隔50bp以内的各个独立序列至少有2~3个同时存在,就能有效的协同以促进转录活性。Herr还将增强子划分为更短的Enhanson结构,每个Enhanson可以作为一个独立的转录调控因子结合的位点 。
增强子可位于基因的上游或下游,自身没有固定的方向性,可远离转录起始点达1~4kb作用。增强子的活性与其在DNA双螺旋结构中的空间方向性及一定蛋白质因子的参与有关3)。增强子首先发现于SV40病毒中。早期启动子5上游约200个碱基对的DNA片段连接在其它基因旁侧可促使该基因转录效率提高100倍,该片段可远离基因转录起始点达3000bp以上。SV40病毒基因增强子区有前后两个72bp的重复序列,其中的“核心”是 GGTGTGGAAAG。随后在免疫球蛋白重链J与C基因间的大内含子中发现了第一个基因的细胞增强子。它表明真核细胞中也有远距离调控的增强子存在;该增强子具有细胞特异性位于转录起始的“帽”点下游。
增强子的作用有以下特点:
①增强子提高同一条DNA链上基因转录效率,可以远距离起作用,通常可距离1-4kb、个别情况下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用,而且在基因的上游或下游都能起作用。
]②增强子的作用与其序列的正反方向无关,将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒置就不能起作用,可见增强子与启动子是很不相同的。
③增强子要有启动子才能发挥作用,没有启动子存在,增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性,同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。例如当含有增强子的病毒基因组整合入宿主细胞基因组时,可能够增强整合区附近宿主某些基因的转录;当增强子随某些染色体段落移位时,也能提高移到的新位置周围基因的转录。使某些癌基因转录表达增强,可能是肿瘤发生的因素之一。
④增强子的作用机理虽然还不明确,但与其他顺式调控元件一样,必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性,许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性,是由这些细胞或组织中具有特异性蛋白质因子所决定的。
1)细胞特异性的增强子
许多增强子的活性虽然只在个别的细胞或组织中出现,然而其中绝大部分组织特异性的 增强效应都是由于不同细胞或组织中含有特异的DNA调控蛋白的活性(反式调控机制)所决 定的。因此,病毒基因增强子对于细胞的选择性和细胞中固有基因增强子的组织特异性是有 区别的 。
免疫球蛋白JH与重链μ恒定区基因间最大的内含子中有很强的B细胞特异性增强子;轻链的J-C内含子中也有类似的增强子,称为Kb。只有当B淋巴细胞基因由胚系发育重排转变为体细胞系特征,JH与重链μ恒定区基因明显接近到2 kb以内时,这种B细胞的增强子才能对免疫球蛋白基因的转录起正调控作用。最近发现轻链H基因的3下游还有另一个与B无关的增强子,它可补偿B缺失时的表达,尤其是在B细胞分化较晚的阶段,它对轻链表达有重要的调控作用。
2)诱导性的增强子
金属硫蛋白基因MTⅡA可在多种组织中转录,叉可受类固酵激素、重金属和生长因子等多种因素诱导,其调控元件腺启动子外,还包括两个基础水平的元件 (BLE)、以及诱导性的类固醇激素应答元件(GRE)和金属应答(MRE)元件等。BLE中的部分序列可结合AP1,而其组成性(持续)表达的促进作用有助于SP1与GC盒的结合,GRE和MRE都可被相应因素诱导面促进转录。
原癌基因e-los的产物FOS是一种重要的反式作用因子。由于其mRNA半寿期短,FOS蛋白的效应主要依赖强诱导性的瞬时表达机制来控制。在造血细胞和外胚层组织中FOS表达较高。生长因子可在10~15分钟内诱导c-fos的mRNA达到峰值然后迅速降低。C-los基因的5上游有60bp的增强子(-270~-330bp)可充分诱导其表达,这一位置与DNA酶I超敏感位点相符处于括性染色质的松散结构中。基因内及其3下游也有参与诱导调控的元件。
升温时诱导休克蛋白基因增强子HSE与活性蛋白HSE结合,通过启动子高效诱导HSP 表达。
3)RNA增强子
RNA增强子是否存在的问题是在爱滋病研究中提出的:HIV病毒感染的T淋巴细胞活 化早期的转录子编码两个短调控蛋白Tat和Rev。Tat通过TAR元件对有关基因进行反式调 控。TAR定位于紧邻转录起始点下游且有方向性(若将TAR序列翻转使其互补链转录出 RNA时则其活性被消除)、同时它不受转录起始点上游序列的调控;由于消除TAR并不增强H1V启动子在无Tat所诱导的基础转录,因此它不是负调控元件。Tat也不可能通过抑制 TAR的负凋节(如终止转录等)而发挥其功能。
4)负调控元件
T淋巴细胞可由两种不同的T抗原受体α/β、 ?/v分为两大类。由于α和v基因在一个基因座位中,而α链恒定区Ca基因3下游的α增强子在各种T细胞均有潜在活性,因此在T细胞分化时需要通过多种正负调控机制进行精密的选择,才能使v基因保持静止而 只有基因在α/β型细胞中表达。已知的负调控元件一个紧接在Ca基因的3下游,另一个在Ca增强子的上游,对α特异沉寂子(silencer)可阻止Jα 口基因在?/v型细胞中参与重排,而相应的v增强子将促进8基因重排到位(4)。可见α沉寂子在TCR基因α/β座位的转录和重排中起着重要作用。这些负调控元件可不受距离和方向的限制,并可对异源基因的表达起作用,因此是第一个与1985年在酵母交配型座位中发现的典型沉寂子定义相符的高等真核细胞的沉寂子。 其它真核细胞的沉寂子还包括在β-珠蛋白基因中e基因5 的沉寂子,它可能直接参与e基因在出生后关闭的调控;此外阻止k基因在T细胞表达以及生长激素基因的表达都有负调控元件参与。
由于真核生物体内基因组DNA的组织结构在不同类型的细胞中是保守的。目前已知的体细胞基因重排仅限于B和T淋巴细胞成熟、分化的早期,而体细胞突变的频率也很低。同时,一个基因旁侧的调控序列在不同细胞中的差异也是有限的,因此顺式元件只是为千变万化的调控机制奠定了基础。
2、真接基因转录的反式调控
真核基因转录除分别需要三种RNA聚合酶 (I,Ⅱ、Ⅲ)外还必须有转录的辅助因子参与;RNA聚合酶需要相应的辅助因子先与起始点附近的DNA形成稳定的转录起始复合体,才能实现转录。这些因子分别按照其所辅助的聚合酶种类命名:例如参与RNA聚合酶Ⅱ转录的因子为TFⅡ类,并再以TFⅡa、TFⅡb等作为个别因子的名称。这些普遍存在于各种细胞中的因子可统称为“通用因子”。因此在体外用DNA酶I降解启动子区(起始位点)附近的DNA时出现了被蛋白质保护而不被酶降解的空白“足述”,这就是发现有DNA结合蛋白存在的最早证据和一直沿用至今的经典实验(DNase I“foot-print”analysis)。自从发现增强子 以来,对增强子结合蛋白的存在和认识也已经积累了极其丰富的实验资料。说明蛋白质因子在基因转录水平的调控中至关重要。
在讨论顺式调控元件时已经指出:仅仅依靠不同细胞中各结构基因调控元件上的有限变 异不可能提供如此多样的细胞表型的差别因此由其它基因所编码的反式作用因子的作用就愈来愈引起人们的极大兴趣和广泛重视 。
(1)反式作用因子的结构特征
自从Tjlan实验室首先发现并成功的克隆了第一个反式作用因子SP1以来,通过对多种反式因子的结构与功能分析研究发现这类因子有一些共同特征;
1)基本结构中至少包含三个功能域;DNA识别或DNA结合域、转录活化域以及可用于结合其它调控蛋白的调节域。
2)结构特征基本有三大类,即螺旋/转折/螺旋 (H/T/H);锌指 (Zinc finger) 结构以及通常包括亮氨酸拉链(Leu elne zipper)在内的螺旋/环/螺旋 (H/L/H )结构。
3)转录调控的结构域内主要可有带负电荷的螺旋结构{富含谷氨酰胺或寓含腑氨酸的结构,以及其它不规则的含有双性a螺旋 及其外的酸性氨基酸残基等。
4)同(异)源二聚体形成的结构基础:在调控元件中的回文结构及串联序列的存在表明反式因子二聚化可能是蛋白质与DNA作用的重要方式,而反式因子结构上的亮氨酸拉链和螺旋/环/螺旋等则是因子间同源或异源二聚化的主要基本结构。
(2)转录调控因子中的主要“超家族”
1)类固醇激素受体超家族包括糖皮质激素受体、性激紊受体、甲状腺素受体、维甲酸受体、维生D3受体以及最近发现类似于鸡卵清蛋白基因上游启动子转录因子(COUP-TF)受体的视网膜细胞多巴胺受依等。由于它们的天然硭体都是脂溶性的小分子,这类受体多不存在于细胞膜上,而是定位于胞质或胞核内,它们都有共同的保守区,并有结合激素、结合DNA、结合细胞质内阻扼蛋白(HSP90、HSP70)等以及二聚化的主要结构域,并具有锌指的结构特征。这是参与类固醇激素诱导、细胞分化,神经递质传导等重要生理功能的转录调控因子。
2)“POU结构域蛋白”:这类转录调控因子是以促进垂体细胞分化的促乳素和生长激素基因的转录调控因子(Pitl/GHF1)、B淋巴细胞中与免疫球蛋白基因特异的8核苷酸序列结合的Oct2类因子:以及自由线虫体内与神经分化有关基因(Uric86)等类蛋白质的第一个字母命名的。它们都有高度保守的同源转换盒(Homeobox)以及POU蛋白所特异的DNA结合域(POU Specific Domain)。前者与控和果蝇早期发育的基因有关,是由60个氨甚酸残基组成的保守结构,POU蛋白都有螺旋/转折/螺旋的基本结构,并在细胞分化、细胞特异性和维持细胞基本功能上有重要作用。
其它如佛波酯类通过蛋白激酶c诱导的AP1家族。它们都具有亮氨酸拉链结构,并通常以此形成异源二聚体(JU,N/FOS)与许多基因上的API位点(佛波酯应答元件TRE)结合而在细胞发挥重要作用。
(3)反式作用因子的特异性
1)细胞特异性的调控因子
肝脏组织专一性因子:白蛋白上游-170bp到TATA盒间有个肝细胞专一性反式因子的结合位点,其中HNF I和C/EBP为最突出的组织专一性表达调控因子,前者只存在于肝细胞中。此外,OCTI与OCT2分子结构上存在相同的DNA结合域,识别完全相同的8 核苷酸序列,二者的亲和力也相同;但OCT2只存在于B淋巴细胞中,是诱导免疫球蛋白基因在B细胞表达的典型细胞特异调控因子。OCTI与其相反,普遍存在于各种细胞中井参与组蛋白H2B等基因的表选调控。在胸腺细胞中还有一种与染色质HMG蛋白有高度同源性的增强子结合蛋白(TCFI),能促使T细胞抗原受体a基因高效转录。
2)诱导活化的转录调控目子
(1)热休克基因转录调控因子(HSTF):真核细胞在升温下诱导热休克蛋白基因转录时,首先需要有转录活化因子HSTF与热休克蛋白基因上的热体克元件(HSE)相结合。 这种元件的基本单位是p的高度保守序列nGAAn,至少有两个基本元件以头-头(nGAAnnTTCn)或者 尾-尾(nTTCnnGAAn)的形式相联接才能产生对HSTF的高亲和力结合。HSE的基本结构尽管可多次重复,但是它们还要通过结合于DNA上的 HSTF间相互影响来提高效应。有证据表明当两个三聚结合于两对HSE时,DNA与蛋白间的解离常数较单个IISTF与HSE结合的相应数值低三个数量级。HSTF在溶液中能自发地形成三分子聚台体,在体内有可能形成更大的多分子聚合体起作用。然而,在任何复合体内总是每个分子结台一个HSE单位。
动物体内HSTF诱导活化有两个阶段 热休克首先使原来存在于细胞中没有活性 (可能与阻扼蛋白结合)的HSTF活化,而能与热体克基因启动子上的DNA元件形成复合体;然后是将结合于DNA上的HSTF磷酸化以产生具有高转录活性的HSTF。HSPT0、HSP90等都是HSTF的阻扼蛋白,它们可能封闭了HSTF三聚化的结构域或通过磷酸激酶和磷酸酶机制来影晌HSTF的活性。由此可见HSTF与HSP之间有着一种与热体克有关的“自调控机制”。
(2)类固醇激素受体的诱导活化:类固醇激素受体普遍存在于多种细胞中;它们的识别序列HRE也存在于多种细胞(金属硫蛋白)和病毒(小鼠乳腺瘤) 的基因上。在糖皮质激素或孕酮作用下,诱导其受体与其阻扼蛋白复合体的解离并以二聚体的形式在核内与HRE结合,并皤化其靶基因的表达。最近发现类固醇激素受体超家族中,孕酮受体与其阻扼蛋白(分子量分别为9 0,70和56kD的热休克蛋白)解离后并不足以产生有功能的转录活性分子,此时仍然需要孕酮的活化作用才能把游离的受体最终以很高的亲和力结台于靶基因的PRE上并诱导其转录。
3、真核细胞中多因子作用的复杂性
真核细胞基因的反式作用因子对DNA序列的识别远较原核基因复杂。原核基因DNA与蛋白质的结合具有高度的特异性,其解离常数一般在10-11 M左右;而真核细胞中的DNA/蛋白质相互作用常不局限在两个分子间,经常有很多因子参与并可相互促进或干扰,以及共同形成复合体等情况发生。
真核基因启动子的基础转录活性就可受到因子间的竞争,淬灭(抑制因子结合于DNA上,阻止巳结合的转录因子发挥效应)、直接作用于转录起始复合体或 “迫离 (Squelching)”即由于另一种不需与DNA结合的转录因子过度表达而将原有的活化因子隔离于启动子区外等四种抑制方式的影响。
此Schaffner实验室用删切突变后不能结合糖皮质激素的GR作用于组装在外源基因的5或8旁侧单个或多至4个串联的GRE上,发现有TATA 盒时诱导活性可提高10~1000倍;没有TATA盒时也有诱导作用,但起始点分散。结果表明同样一种通用因子GR(包 括SPI、OCT等)结合于多个位置的顺式元件上就可诱导转录活性。
(1)通用因子的调控机制
多种细胞中普遍存在的“通用因子”具有特异性的原因在于不同细胞中转录因子的有效浓度或与顺式元件的亲合力不周;
作为诱导性和细胞专一性表达的介导因子NFkB在表达k链的B细胞质中游离存在并可进入细胞核内;而在其它细胞质中与抑制因子IkB形成复合体。佛波酯(TPA)等诱导IkB的磷酸化可促使复合体的解离,NFkB即成为活化形式,使其在细胞核内达到足够的有效浓度。此外,果蝇发育过程中含有同源转换域的多种蛋白质因子氯基酸顺序虽不相同,但可在不同情况下结合于同一个顺式元件-“向源转换域结合序列”上,这可能是由于各种因子借助于相对限度,和与 DNA的相对亲合力不同而表现出按照时空调控“程序”进行各发育阶段特异的基因有序表达。
2) 辅助活化因子的存在和参与
广泛存在的OCT1和B淋巴细胞特异因子OCT2识别相同的8核苷酸序列ATGCAAAT,二者对该序列的亲合力也完垒相因。它们虽同属于含 H/T/H的POu结构域蛋白,但Oct在DNA结合域以外有亮氨酸拉链,从而有可能与其它蛋白质结合为二聚体或有特异的“衔接子”将OCT2和B细胞中具有专一性的IgH增强子及其启动子相联系从而诱导组织专一性的表达。与此相反,过去一直认为OCT1只活化无细胞特异性的组蛋白H2B和snRNA基 因表达,并与促进腺病毒DNA复制的因子NFI性质相同(在腺病毒的复制起始位点上电有OCT周潦序列),且能与疱疹病毒构活化因子VP16形成稳定的复合体,因此可能在病毒感染中起作用。近年束发现T淋巴细胞因子IL2基因的转录起始点上游-70bp附近有Oct序列,最近才发OZT1是这一序列的结合蛋白并可通过另一个40kd的OCT相关 蛋白(OAP)共同诱导IL2的特导性表达。因此,OCT1在T淋巴细胞中参与IL2基因诱导表达的调挖,而在非T细胞中则只能活化普遍表达的基因 。
(2)转录调控因子间的协同与“转录干扰”
1)聚合酶Ⅱ辅助活化因子的发现
真核细胞中有TATA盒结合蛋白(TBP,91年前称为TFⅡD)。通过对TBP的克隆发现酵母与果蝇TBP的C端有高度同源性并且是与TATA盒结合的结构域;N端则有很大的区别.删切果蝇TBP的N端,即使有RNA聚合酶Ⅱ和其它转录辅助因子存在也只能导致基础水平的转录。因此认为N端是通过辅助活化因子联接UPE结合蛋白SP1的部位。由此可见上游调控序列(GC盒等)及其结合蛋白SP1等对基础转录的促进需要其它辅 助活化因子“衔接子adaptor”,以及在没有TATA盒时的“Tethering factor”等的参与。换言之,结合于富含Gc序列的SP1可以通过多种辅助活化因子参与TFⅡD复合体并活化转录。实验证明有关因子是与TBP的N端作用,且具有种属特异性和与上游调控因子结合的双重特性。由于TF lID复合体的发现,也纠正了过去十余年来认为聚合酶Ⅱ转录体系没有种属特异性的错误看法。
2)酵母TFlID介导的“顺 (cis)”“反 (tr ai1)”式转录抑制
若在酵母基用上游活化序列(UAS)处分别馒置GAL4或dA:dT元件。酵母细胞抽提物可作用在TATA元:而产生基础水平的转录。将单纯疱疹病毒因子VP16(含酸性的强转录活 化结构)与GAL4蛋白构成的嵌合体作用在UAS的GAL4识别位点上,可提高转录效率101)倍。粗抽提物中含有的活化因子可作用于上游为dA:dT的体系,产生10倍于基础的转录活性;如果加入GAL4的嵌合体时,dA:dT体系中的基础转录就被完垒抑制。这是由于GAL4非特异地结合在DNA元件上,因此命名为顺式(cls)抑制。在此基础上,若再加GAL4蛋白所特异性识别的寡核苷酸序列,则该体系叉可恢复到基础水下的转录。此时的转录因子 GAL4嵌合体只结合于其相应DNA上,而不会影响到dA;dT中的顺式元件.所以称为反式 抑制(t r a rls ih;bhlon)。由此间接证明dA:dT与TATA盒之阔存在着辅助活化因子。
3)转录因子“超家族”之间的协同与干扰
90年代开始对上述类固醇激素受体、POU结构域蛋白和AP1三个“超家族”因子之间的相互影晌进行了报道:在AP1家族的JUN和类固醇激素受体 “超家族”的GR之中的任何一个在同一个宿主细胞中过度表达都会产生相互抑制的效应。其作用机制有些与DNA的结合有关,如维生素D3诱导骨钙素基因转录的活性可被AP1家族的JUN/FOS所抑制;但更多的情况下与蛋白质和蛋白质之问相互作用的结构域有关,如胶原蛋白基因的AP1位点是类固醇激素抑制所必需却不是直接作用的;GB与OCT2的作用受到宿主细胞类型的影响等,其中都可能涉及辅助活性因子的参与或耗竭。
(3)异源二聚体转录调控的多样性
1)原癌基因产物FOS、JUN二聚体的存在和重要性在此从略。
2)类固醇激素受体的结合位点(HRE)具有不同的反应性:如人的维生素A酸和甲状腺素受体的异源二聚体对维生素A酸的激素应答元件(RRE)起加合作用,但若在任何一个受体蛋白上的DNA结合域有突变或近C末端非保守序列的被删除则无此作用。若在低水平表达维生素A酸和甲状腺素受体的细胞中,甲状腺素与维生素A酸受体所构成异源二聚体可对几乎所有含有甲状腺素应答元件TRE回文结构的基因起转录的正调控作用。只有通过a肌红蛋白重链基因TRE的诱导性表达却被明显的抑制。
(4)“拼板 ”假说 (Jigsaw Puz zle)(17)
辅助因子与DNA结合蛋自结合后可能改变结合蛋白的构象或增加它与DNA的接触面,提高结合蛋白与DNA的亲合力,并可促进其它新的反式因子进入形成稳定的复合体。最典型的例子是RNA聚合酶 I转录起始复合体的形成 先是TFIA与5S RNA基因内的启动子以中等亲和力(10-9M)结台,随着另外一个TFI c因子的加入就形成了极稳定的起始复合体。此时若再加入更多的5S DNA也不会解离。
总之,真核细胞中基因转录水平上的调控机制是十分复杂而多变的,需要深入研究加以阐明。