真核生物转录起始调控

真核生物基因组结构庞大，基因表达调控机制较原核生物复杂得多。与原核多顺反子mRNA不同，真核生物mRNA只为一条多肽链编码，是单顺反子。真核基因转录调控主要通过特异的蛋白因子（反式作用因子）与特异DNA序列（顺式作用元件）相互作用来实现，一般以正性调控为主。

（一）顺式作用元件的类型及功能

真核生物的顺式作用元件（cis－acting element）是指调控自身基因表达活性的特异的DNA序列。根据功能特性主要包括启动子、增强子和沉默子。

1．启动子（promoter）　指的是RNA－pol识别结合的部位。典型的真核生物启动子由核心启动子和启动子近侧元件两部分组成。核心启动子通常为转录起始点上游－25～－30bp处的一段富含AT的序列（TATAAAA），称为TATA盒或Hogness盒。核心启动子为真核RNA－pol的识别与结合区，控制转录起始的准确性及频率。当核心启动子序列与转录起始点之间的距离或方向发生改变时，就会严重影响基因的转录表达。启动子近侧元件是位于转录起始点上游－70～－110bp的一些特征性保守序列，如CAAT盒（GCCAAT）和GC盒（GGGGCGG），这些序列多为反式作用因子结合的位点。

2．增强子　是指远离转录起点（1～30kb）、决定基因时空特异性表达、并能够增强基因转录活性的特异DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向和距离无关。增强子一般长100～200bp，其核心序列常由8～12bp组成，该序列可以单拷贝形式存在，也可以多拷贝的形式串联排列，形成短的重复序列。

增强子的作用特点包括：①位置不确定，在转录起始点5′－或3′－端均可发挥作用，有时也可位于受控基因的内含子中；②作用无方向性，相对于启动子的任一指向均能发挥作用；③发挥作用与调控基因之间的距离无关，可远离转录起始点发挥其调控作用，最大作用距离可达30kb；④作用无专一性，一些基因的增强子也可促进其他基因的转录。

增强子是通过与反式作用因子相互结合而发挥作用的。反式作用因子与增强子结合后，导致DNA双链发生结构变化，促进了RNA－pol与启动子的结合，从而加强基因的转录，起到正调控的作用。

3．沉默子　属于负性DNA调控元件，当其与某些反式作用因子识别结合后能够阻遏特异基因的转录。

（二）反式作用因子的类型与功能

反式作用因子（trans－acting factor）是指能够直接或间接与顺式作用元件结合，进而影响基因转录的蛋白质。凡能促进基因转录的称为正调控反式作用因子；反之，则称为负调控反式作用因子。目前在真核生物中已发现数十种反式作用因子，其功能非常复杂，主要分为基本转录因子和特异转录因子。

1．基本转录因子　转录调节因子简称为转录因子（transcription factors，TF）。参与识别结合启动子的一组蛋白质因子称为基本转录因子。真核生物3种RNA－pol都有其相应的转录因子，因此将基本转录因子分为TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ3大类。其中，最为重要的是与RNA－polⅡ相关的TFⅡ，它包括TFⅡ－A、TFⅡ－B、TFⅡ－D、TFⅡ－E、TFⅡ－F、TFⅡ－H等亚类，各亚类具有不同的生理功能（见表9－5）。TFⅡ－D由TATA盒结合蛋白（TBP）和TBP相关因子（TAFs）两部分构成，能识别结合核心启动子的TATA盒。因此，TFⅡ－D是惟一具有位点特异的DNA结合能力的转录因子，在转录起始前复合物的装配过程中起关键作用。

表9－5　TFⅡ的主要亚类及其功能

2．特异转录因子　为个别基因转录所必需，决定基因的时间和空间特异性表达，主要包括转录激活因子和转录抑制因子。这些转录因子能够与启动子近端元件识别并结合，通过蛋白质－DNA的相互作用来调节基因转录。此外，还有一些反式作用因子不直接与顺式作用元件相结合，而是通过蛋白质－蛋白质间的相互作用，改变某些转录因子的构象，从而调节基因转录。若与转录激活因子产生协同激活效应，称为共激活因子；若与转录抑制因子协同产生阻遏效应，则称为共阻遏因子。

（三）反式作用因子与顺式作用元件的相互作用

反式作用因子通过与顺式作用元件的相互作用来调节基因的表达。因此，反式作用因子的分子结构中至少应包含有三个功能域，即DNA结合域、转录激活域和介导蛋白质－蛋白质相互作用的结构域。各种反式作用因子的DNA结合域通常具有一些共同的特征性结构，主要包括：

1．同源结构域　通常由三段α－螺旋和一个转角或环组成。其中两段α－螺旋通过β－转角或成环连接，形成螺旋－转角－螺旋或螺旋－环－螺旋结构，第三段α－螺旋为识别螺旋，除用来维持上述结构的稳定性外，还能够识别特异的DNA序列，通过其氨基酸残基侧链基团与DNA骨架的磷酸基之间形成氢键而使其定向结合于DNA的大沟中（图9－26）。

图9－26　反式因子同源结构域模式图

2．锌指模体　许多真核生物的反式作用因子中可包含2～37个锌指模体，此模体通常由一段保守的富含Cys或His残基的、长25～30个氨基酸残基的多肽链组成。多肽链中的4个Cys残基或His残基可与Zn2＋形成配位键，其余12～13个氨基酸残基则盘绕成α－螺旋，此α－螺旋可作为识别螺旋嵌入DNA的大沟中，介导DNA－蛋白质之间的相互作用（图9－27）。

图9－27　锌指结构模式图（a）为平面图（b）为三维立体图

3．碱性亮氨酸拉链模体　此结构域的氨基酸残基序列特征为含有数个Leu，而且每间隔6个氨基酸残基规律性出现一次，这样就使此区域的α－螺旋中每隔两圈的同一位置会出现一个Leu。两个蛋白质分子对应的α－螺旋区之间的两行Leu通过疏水键相互作用而形成一个类似拉链的结构故名亮氨酸拉链。两段的N端部分呈“八”字形嵌入DNA大沟并与其特异的序列相结合（图9－28）。亮氨酸拉链模体主要介导某些反式作用因子以同二聚体或异二聚体的形式参与基因转录的调控。

图9－28　碱性亮氨酸拉链模式

（四）真核基因转录起始调控模式

在真核生物中，除了RNA－pol以外，还需要若干基本转录因子和基因特异转录因子的协同作用，才能完成对特定基因转录起始的调控。如RNA－polⅡ启动相应基因进行转录时，首先是由TFⅡ－D识别并结合特定基因的核心启动子（TATA盒）；TFⅡ－A加入后可以稳定TFⅡ－D与启动子的结合，解除TFⅡ－D中TAF亚基对组装的抑制作用；然后TFⅡ－B、TFⅡ－F／RNA－polⅡ复合物、TFⅡ－E、TFⅡ－H等依次结合，形成转录前起始复合物（PIC）（图9－29）。同时，组织细胞特异的转录激活因子与增强子结合，促进转录前起始复合物的组装。最后，DNA模板解链，大部分转录因子被释放，RNA－polⅡ沿模板链向前滑动从而启动转录。

图9－29　RNA－polⅡ的转录前起始复合物（PIC）

（苏　燕）