第七章基因的转录调控

第7章基因的转录调控真核生物基因的转录

RNA聚合酶和转录因子RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III18S,5.8S,28SrRNAmRNA,snRNAtRNA,5SrRNA,U6-snRNA,snoRNA,scRNARNA聚合酶：负责将DNA转录为RNA的酶，也称为依赖DNA的RNA聚合酶。各种RNA的用途rRNA与蛋白质结合而形成核糖体，其功能是作为mRNA的支架，使mRNA分子在其上展开，形成肽链

。信使RNA是由DNA的一条链作为模板转录而来的、携带遗传信息的能指导蛋白质合成的一类单链核糖核酸。转运RNA（TransferRibonucleicAcid，tRNA）是具有携带并转运氨基酸功能的类小分子核糖核酸snRNA是细胞内有小核RNA，参与mRNA前体的加工过程。核仁小RNA与rRNA的高级结构形成相关转录因子

（transcriptionfactors,TF）也称为反式作用因子（trans-actingfactor）。是一类细胞核内蛋白质因子，通过与顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来起始、调控转录的活性。真

核

生

物

rRNA

基

因

的

结

构Ferna´ndez-Torneroetal.,2013,naturePolI的误调控已被与几种类型的癌症联系了起来，而且PolI也在成为抗癌药物的一个目标。小分子BMH-21能够破坏RNA聚合酶POLI转录通路，阻断癌细胞相互交流和复制。RNA聚合酶I的蛋白质三维结构

PolI功能异常会导致细胞的死亡或支持像癌细胞那样无限制性的增殖14个亚基组成的完整酵母的PolI的晶体结构PolI是真核性聚合酶中最多产的。为了完成高通量的转录作用，多个PolI复合物转录核糖体DNA，这些酶高密度地包裹在每个模板上并具有高度前行性（可能会贯穿整个模版）。新的结构预示DNA模板一定要装载在有一个关闭的钳状结构的PolI中，因此也许狭缝的开放或关闭的状态对DNA的装载有效性起作用。RNA聚合酶I启动子RNAPolIpromoter(ClassIpromoter)由2部分保守序列组成：核心启动子（corepromoter）或核心元件（coreelement），位于-45到+20，负责转录的起始。上游控制元件（uptreamcontrolelement,UCE），从-180延伸到-107，可增加核心元件的转录起始效率。RNA聚合酶I的转录因子需要两种转录因子上游结合因子（upstreambindingfactor,UBF）选择因子1（SL1）4种蛋白质组成，包括TATA框结合蛋白（TATA-bindingprotein，TBP）和3个TBP结合因子（TBP-associatedfactor,TAF）

UBF：特异地识别核心启动子和上游调控元件（UCE）中富含GC对的区域。

SL1：单独并没有识别特异DNA序列的功能，在UBF和DNA结合后，SL1才可结合上来。只有当两种辅助因子与DNA结合后，RNA聚合酶I才能与核心启动子结合，从而起始转录。RNA聚合酶I起始复合物组装PromotersofSomePolymeraseIIIGenesTypeI(5SrRNA)has3regions:BoxAShortintermediateelementBoxCTypeII(tRNA)has2regions:BoxABoxBTypeIII(nonclassical)U6snRNA基因

(DSE:distalsequenceelement;PSE:proxiamlsequenceelement)RNApolⅢ的转录因子两种内部启动子的转录起始需要三种辅助因子

TFⅢA一种含9个锌指结构的蛋白

TFⅢB

由TBP和BRT、B等蛋白构成

TFⅢC至少5个亚基以上

TFⅢB和TFⅢC是几类RNApolⅢ共同需要的转录因子

TFIIIA因子主要是针对5SrRNA的转录来讲常用。

TFⅢB是真正的转录起始因子，A和C仅仅是组装因子，作用是协助TFIIIB的定位。tRNA基因的转录起始复合物组装PolII的转录起始PromotersrecognizedbyRNApolymeraseII(classIIpromoters)aresimilartoprokaryoticpromotershavetwoparts:Corepromoterhaving4elementsUpstreampromoterelementUPE核酸聚合酶Ⅱ（第二类启动子）的启动子识别类似于原核启动子有2个部分：核心启动子有4个元素上游启动子元件PolII转录起始所识别的启动子启动子：位于结构基因5’端上游、能够指导RNA聚合酶同模板正确结合、启动基因转录的一段DNA序列。真核启动子比原核更复杂、序列也更长，它不像原核启动子那样有明显共同一致的序列，而且单靠RNA聚合酶难以起动转录，而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用。不同真核启动子之间大小、序列很不相同。不同物种的启动子有时不能互用，如动物和植物之间。真核启动子中包含了许多调节基因转录的元件，它们控制着基因表达的强弱或者时空差异。根据对基因表达的必须性，这些元件分为2类：核心启动子元件和上游启动子元件

（1）TATA框(TATAbox)：位于5′端转录起始点上游约20-30个核苷酸的地方。TATA框是一个短的核苷酸序列，其碱基顺序为TATAATAA。TATA框是RNA聚合酶的重要的接触点，它能够使酶准确地识别转录的起始点并开始转录。当TATA框中的碱基顺序有所改变时，mRNA的转录就会从不正常的位置开始。（2）CAAT框(CAATbox)：位于5′端转录起始点上游约70-80个核苷酸的地方。CAAT框是启动子中另一个短的核苷酸序列，其碱基顺序为GGCTCAATCT。CAAT框是RNA聚合酶的另一个结合点，一般认为它控制着转录的起始频率，而不影响转录的起始点。当这段顺序被改变后，mRNA的形成量会明显减少。核心启动子元件(corepromoterelement):

指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括TATA盒和CAAT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。CorePromoterElements–TATABox核心启动子元件

TATAbox5’-TATAWAWA-3’(WisA

orT)TherearefrequentlyTATA-lesspromotersHousekeepinggenesthatareconstitutivelyactiveinnearlyallcellsastheycontrolcommonbiochemicalpathwaysDevelopmentallyregulatedgenesTATA区主要作用是使转录精确起始，如果该区缺失或发生突变则导致转录起始位点不确定。在二类启动子里，TATAbox是转录起始复合体蛋白组装的位置。第一个结合在该位点的蛋白是TBP，当其结合后，会增加其他转录因子结合的几率。

11281tttcccgccttcagtttagcttcatggagtcaaagattcaaatagaggacctaacagaac11341tcgccgtaaagactggcgaacagttcatacagagtctcttacgactcaatgacaagaaga11401aaatcttcgtcaacatggtggagcacgacacacttgtctactccaaaaatatcaaagata11461cagtctcagaagaccaaagggcaattgagacttttcaacaaagggtaatatccggaaacc11521tcctcggattccattgcccagctatctgtcactttattgtgaagatagtggaaaaggaag11581gtggctcctacaaatgccatcattgcgataaaggaaaggccatcgttgaagatgcctctg11641ccgacagtggtcccaaagatggacccccacccacgaggagcatcgtggaaaaagaagacg11701ttccaaccacgtcttcaaagcaagtggattgatgtgatatctccactgacgtaagggatg

11761acgcacaatc

ccactatccttcgcaagacccttcctctat

ataaggaagt

tcatttcatt11821tggagagaacacgggggactcttgac花椰菜花叶病毒35S启动子=CaMV35S启动子TATA框(TATAbox)CAAT框(CAATbox)CorePromoterElements–InrInadditiontoTATAbox,corepromotersare:TFIIB

recognitionelement(BRE)Initiator(Inr)Downstreampromoterelement(DPE)AtleastoneofthefourcoreelementsismissinginmostpromotersTATA-lesspromoterstendtohaveDPEsandhaveGCboxtocompensateforthelackofTATAboxPromotersforhighlyspecialized(luxury)genestendtohaveTATAboxes

PromotersforhousekeepinggenestendtolackthemUpstreamElements上游元件Upstream

promoterelementsareusuallyfoundupstreamofclassIIcorepromotersGCboxesbindtranscriptionfactorSp1-110~-80CCAATboxesbindCTF(CCAAT-bindingtranscriptionfactor)-80~-70Upstreampromoterelementscanbeorientation-independent,yetarerelativelyposition-dependent上游启动子元件通常被发现的第二类核心启动子的上游GC盒结合转录因子Sp1--80~-110CCAAT盒结合CTF（CCAAT结合转录因子）-80~-70上游启动子元件可以独立的方向，但相对位置相关ATATAACCAATGCCACACCC

或GGGCGGG+1转录起点TATAboxCAATboxGCbox增强子-35~-25-80~-70-110~-80promotermodel(RNAPolII)GCbox可能有多个，如果发生突变或者缺失，则会对活性有很大影响，比如SV40earlygene具有6个GCbox，丢失1个活性只有33%，丢2个则有13%，3个则无活性GCbox具有位置依赖性，但没有方向依赖性。如果离开TATAbox太远则不起作用CCAAT区和GC区主要控制转录起始频率，基本不参与起始位点的确定。CAAT区域任何碱基改变对转率起始频率和强度影响都很大。另外在TATA区和UPE区域插入核苷酸序列也会降低活性。这2个区域方向对于转录的影响不大。RNA聚合酶II的转录因子普遍转录因子（generaltranscriptionfactor,GTF）：与RNA聚合酶Ⅱ共同组成转录起始复合体时，转录才能在正确的位置开始（TFⅡA，TFⅡF，TFⅡE，TFⅡH，TFⅡD）。特异性转录因子（specialtranscriptionfactor）:

为个别基因所需，决定该基因的时空特异性表达。

转录激活因子

转录抑制因子普遍性转录因子的功能普遍转录因子功能TFIID（TBP组合）识别TATA盒框及Inr顺序，形成TFIIB结合的平台TFIID（TAFs）识别核心启动子，调节TBP的结合TFIIA稳定TBP和TAF的结合TFIIB介导RNA多聚酶II的结合，影响转录起始点的选择TFIIF征召RNA多聚酶IITFIIIE介导TFIIH的结合，调节TFIIH的活性TFIIH具解旋酶活性子，负责使转录起始复合物由闭合状态向开放状态转变；可能同多聚酶撤离核心启动子有关TATA+1

TFIIATBPorTFIID

pre-PIC(preinitiationcomplex)

TFIIFRNApolIITFIIB

BasicPIC

mRNA

Promoterclearance

EHBDATranscriptionstartingcompletePIC

EH增强子（enhancer）

是一种能够提高同一条DNA链上基因转录效率的顺式调控元件。最早是在SV40病毒中发现的长约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和原核生物中都发现了增强子。增强子通常长100－200bp，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为8－12bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。增强子的作用有以下特点：①增强子可以远距离作用。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，增强子单独不能表现活性。④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，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。转录因子结构特征TFDNA结合域转录调控区寡聚化位点核定位信号DNA结合区（DNA-bindingdomain）指转录因子识别DNA顺序作用元件并与之结合的一段氨基酸序列，相同类型转录因子DNA结合区的氨基酸序列较为保守。bZIP结构域锌指结构域MADS结构域MYB结构域Homeo结构域AP2/EREBP结构域1stZincfingerThereareatleast3kindsofzinc-containingmodulesthatactasDNA-bindingmotifsAlluseoneormorezincionstocreateashapetofitana-helixofthemotifintotheDNAmajorgroove在进行TFIIIA和几种其它的DNA结合蛋白的氨基酸序列分析时，发现相同的、重复的氨基酸序列。这个大约含有30个氨基酸的序列折叠成一种包含四面体配位的锌离子的结构，这样的结构称之锌指锌指目前发现了三种：Cys2/His2型、Cys2/Cys2型和2锌离子型Zn位于Cys2和His2组成的四面体中单个锌指的三维结构是由一个α螺旋和一个β折叠片组成的α螺旋与DNA双螺旋的大沟接触来调控转录Cys2/His2型共有序列为：Cys--X2-4--Cys--X3--Phe--X5--Leu--X2--His--X3-5—HisCys2/Cys2型共有序列为：Cys—X2--Cys—X1-3--Cys—X2–Cys酵母的GAL4型蛋白：6个Cys和2个Zn，与大沟结合，二聚化位点紧邻DNA结合域成α螺旋。并非所有锌指蛋白都是DNA结合蛋白，有些则可与RNA结合，有些则没有任何关系。2ndhelix-turn-helix同源异型域，一类DNA序列编码60个氨基酸，几乎在所有真核生物中都有。含有3个α螺旋，第2，3个螺旋成h-t-h型结构转录调控区（Transcriptionregulationdomain）转录激活区（Transcriptionactivationdomain）转录抑制区（Transcriptionrepressiondomain）转录抑制区的作用方式：与启动子的相关位点结合后，阻止其他转录因子与该启动子的结合；通过对其他转录因子的抑制作用而阻止转录；改变DNA的高级结构使转录不能进行。核定位信号（Nuclearlocalizationsingnal,NLS）核定位信号是转录因子中富含精氨酸和赖氨酸残基的核定位区域，转录因子进入细胞核的过程受该区域控制。寡聚化位点（oligomerizationsite）寡聚化位点是不同转录因子借以发生相互作用的功能域，它们的氨基酸序列保守，大多与DNA结合区相连并形成一定的空间结构。植物中转录因子家族分类Jinetal.,2014NucleicAcidsResearch

PlantTFDB3.0

为什么葡萄会变红？

参与细胞形态与模式建成的调控在拟南芥中，GL1、WER、TRY、ETC1、ETC2基因参与根毛和表皮毛的形成。2.参与激素与环境的应答拟南芥在干旱和高盐条件下，通过调控脱落酸的含量，可以诱导Atmyb2

和Atmyb15的表达提高其耐逆性。3.参与植物苯丙烷类次生代谢途径调节由莽草酸途径产生苯丙氨酸，苯丙氨酸在限速酶苯丙氨酸解氨酶(PAL)的作用下，产生一系列的次级代谢产物，最终合成苯丙烷类化合物，其中类黄酮和花青素类代谢物质，是植物色素合成主要原料。Myb转录因子的功能MybTranscriptionFactorDubosetal.,2010,TrendsinPlantScienceHelix-turn-helix在每个MYB区域，一般都含有3个保守的色氨酸残基（其间隔18-19个氨基酸），起着疏水核心作用，对于维持HTH的构型有重要意义。转录因子分析方法1.生物信息学分析常用的大型生物学数据库NCBI、EBI和DDBJ等都能提供植物转录因子的相关数据。许多转录因子的专用数据库：TRANSFAC关于转录因子在基因启动子上结合位点的数据库PlnTFDB

PlnTFDB是系统收录植物转录因子的数据库PlantTFDB

提供了覆盖绿色植物主要谱系的转录因子，其中大部分为具有重要经济价值的单子叶和双子叶植物。1.1转录因子保守结构域的分析欧洲生物信息研究院（EBI）提供的InterProScan如果是在一系列蛋白质中寻找已知或未知的转录因子CD，则可利用MEME数据库专门针对植物蛋白质建立的数据库SALAD（）1.2转录因子亚细胞定位的分析转录因子只有在细胞核中才能发挥其功能，所以对候选转录因子进行生物信息学的亚细胞定位分析十分重要。根据氨基酸序列可以分析和预测蛋白质的亚细胞定位。SUBALL数据库

可提供大量蛋白质定位的实验数据，并通过10种不同的计算程序来计算和预测蛋白质的亚细胞定位。还有一些其他的计算软件如：TargetP

SubLoc⁃Loc/WoLFPSORT

这些数据库和软件给植物转录因子亚细胞定位研究提供了极大的便利，但有时不同计算方法可能会得出不同的预测结果，最终的结论还必须通过实验来验证。1.3转录因子的表达及调控转录因子对下游靶基因的表达起调控作用，而转录因子基因自身的表达也可能受到其他调节因子的调控。和其他基因一样，转录因子基因的编码区上游含有各种顺式调控元件来接受调控因子的作用。这些顺式作用元件的相关数据可通过AGRISATCISDB（）PLACE（）获得。转录因子分析方法2.实验手段凝胶阻滞电泳迁移率实验（EMSA，electrophoretic

mobility

shift

assay）：DNA在凝胶中的迁移率与相对分子质量及其构型有关。裸露的DNA与含有结合蛋白的DNA电泳时，裸露的DNA迁移率要快于后者，DNA和蛋白质复合物由于体积较大滞留在较后的位置。该方法用来研究DNA与特异性蛋白的相互作用，通常是放射性标记的DNA片段与纯化蛋白，或提取物中的蛋白混合物相结合，然后在非变性凝胶中分析该产物。与游离DNA相比，蛋白-DNA复合物的迁移率将降低，因此，与游离DNA相对应，人们将观察到带中的“阻滞”。该方法可用于检测DNA结合蛋白、RNA结合蛋白，并可通过加入特异性的抗体（supershift）来检测特定的蛋白质，并可进行未知蛋白的鉴定。酵母单杂交(Yeasto