转录起始的调控

转录起始同样是真核生物基因表达调控的关键，但是真核生物的RNA Pol需要多个转录因子相互作用才能形成转录起始复合物，因此真核生物的转录起始涉及的影响因素更多。

（一）顺式作用元件

如前所述，顺式作用元件是指可影响自身基因表达活性的DNA序列，大多数真核基因调控机制均涉及此序列。图12－7中，A、B分别代表同一DNA分子中的两段特异DNA序列。B序列通过一定机制影响A序列，并通过A序列控制该基因转录起始的准确性及频率。A、B序列就是调节这个基因转录活性的顺式作用元件。不同基因具有各自特异的顺式作用元件。

参与真核生物基因转录激活调节的顺式作用元件，根据其在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可分为启动子、增强子及沉默子等。

真核生物启动子包括转录起始点及其上游的100～200bp序列，其中有若干个具有独立功能的DNA序列元件，每个元件长7～30bp。启动子包括至少1个转录起始点（transcription start site，initiation site）以及1个以上的功能组件。在这些功能组件中最具典型意义的就是TATA盒（见第十章）。TATA盒通常位于转录起始点上游－25～－30bp区域，控制转录起始的准确性及频率。GC盒（GGGCGG）和CAAT盒（GCCAAT）也是很多基因中常见的功能组件，它们通常位于转录起始点上游－30～－110bp区域。此外，还发现很多其他类型的功能组件。由TATA盒及转录起始点即可构成最简单的启动子，也称为核心启动子。典型的启动子常由TATA盒及上游的CAAT盒和（或）GC盒组成，这类启动子通常具有一个转录起始点及较高的转录活性。

图12－7 顺式作用元件

还有很多启动子不含TATA盒，这类启动子分为两类：一类为富含GC的启动子，最初发现于一些管家基因，这类启动子一般含数个分离的转录起始点，并有数个转录因子SP1结合位点，对基本转录活化有重要作用；另一类启动子既不含TATA盒，也没有GC富含区，这类启动子可有一个或多个转录起始点，大多转录活性很低或根本没有转录活性，而是在胚胎发育、组织分化，或再生过程中受调节。

真核生物有3种RNA Pol，它们分别结合在3类不同的启动子上负责转录不同的RNA。

增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，通常位于被调控基因的同一条DNA链上，其长度约200bp，可使旁侧的基因转录效率提高100倍。增强子的基本核心组件常为8～12bp，可以单拷贝或多拷贝串联的形式存在；增强子也可由若干功能组件组成，这些功能组件是特异转录因子结合DNA的核心序列，增强子和启动子常交错覆盖或连续。酵母中有一种上游激活序列（upstream activator sequence，UAS），类似于高等真核生物增强子，也可提高转录活性。

增强子是组织特异性转录因子的结合部位，一旦与特异转录因子结合即可发挥其调控作用；增强子既可近距离调节旁侧上游或下游的基因的表达，也可远距离（1～4kb）实施调节作用，个别情况下甚至可以调控30kb以外的基因。与启动子不同的是，增强子的作用与序列方向性无关，将增强子的方向倒置后依然能起作用。增强子需要有启动子才能发挥作用，但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。

与增强子相反，沉默子是一类负调控元件，能够抑制基因的转录。当沉默子与特异的蛋白因子结合时，发挥阻遏作用。沉默子与增强子类似，其作用亦不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。

（二）转录因子

转录因子是由特定的基因编码、表达的蛋白质分子，它是转录调控的关键分子。它通过与特异的顺式作用元件识别、结合（即DNA－蛋白质相互作用），反式激活另一基因的转录，故称反式作用因子（trans－acting factor）。也有些基因产物可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，这就是所谓的顺式调节作用，具有这种调节方式的调节蛋白称为顺式作用因子（图12－8）。

图12－8 反式调节与顺式调节

（a）反式调节：基因A的表达产物蛋白质A调节基因B的表达，蛋白质A为反式作用因子；（b）顺式调节：基因C的表达产物蛋白质C调节自身基因的表达，蛋白质C为顺式作用因子；PAPBPC：基因A、B、C的启动子

转录因子可分为两类：

1．通用转录因子（general transcription factor） 是基因转录时所必需的一类辅助蛋白质，帮助RNA Pol与启动子结合并起始转录，对所有基因都是必需的，也称为基本转录因子。第十章提到通用转录因子TFⅡD是由TBP和TAF组成的复合物，其中TBP支持基础转录但不支持诱导所致的增强转录。而TFⅡD中的TAF对诱导引起的增强转录是必要的，因此又将TAF称为辅激活因子（co－activator）。人类细胞中至少有12种TAF，TFⅡD复合物中不同TAF与TBP的结合可能结合不同启动子，这可以解释这些因子在各种启动子中的选择性活化作用以及对特定启动子存在不同的亲和力。中介子（mediator）也是在反式作用因子与RNA Pol之间的蛋白质复合体，它与某些反式作用因子相互作用，同时能够促进TFⅡH对RNA Pol羧基端结构域的磷酸化。有时将中介子也归类于辅激活因子。对3种RNA Pol来说，除个别基本转录因子成分是通用的外，如TFⅡD；大多数成分是不同RNA Pol所特有的，例如TFⅡA、TFⅡB、TFⅡE、TFⅡF及TFⅡH为RNA PolⅡ催化所有mRNA转录所必需。通用转录因子的存在没有组织特异性，因而对于基因表达的时空性并不重要。

2．特异性转录因子（special transcription factor） 为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达，故称特异转录因子。此类特异因子又可分为转录激活因子（transcription activator）和转录抑制因子（transcription inhibitor）。前者通常是一些增强子结合蛋白（enhancer binding protein，EBP），后者大多是沉默子结合蛋白，但也有些抑制因子通过蛋白质－蛋白质相互作用，与转录激活因子或TFⅡD结合，降低它们在细胞内的有效浓度而抑制基因转录。不同的组织或细胞中各种特异转录因子分布不同，所以基因表达状态、方式也不同，由此决定了细胞内基因的时间、空间特异性表达。特异性转录因子自身的含量、活性和细胞内定位均受细胞所处环境的影响，是生物体适应环境变化而改变基因表达水平的关键。

此外，转录起始过程还有上游因子（upstream factor）和可诱导因子（inducible factor）的参与。前者与启动子上游元件如GC盒、CAAT盒等顺式作用元件结合的蛋白质，如SP1结合到GC盒上，C/EBP结合到CAAT盒上。这些反式作用因子调节通用转录因子与TATA盒的结合、RNA Pol与启动子的结合及起始复合物的形成，以协助调节基因转录效率。可诱导因子也是与增强子等远端调控序列结合的转录因子，它们能结合应答元件，只在某些特殊生理或病理情况下才被诱导产生，如Myo D在肌肉细胞中高表达、HIF－1在缺氧时高表达。与上游因子不同，可诱导因子只在特定的时间和组织中表达而影响转录。

RNA PolⅡ与启动子的结合、启动转录需要多种蛋白质因子的协同作用。这通常包括：可诱导因子或上游因子与增强子或启动子上游元件的结合；通用转录因子在启动子处的组装；辅激活因子和（或）中介子在通用转录因子或RNA PolⅡ复合物与可诱导因子、上游因子之间的辅助和中介作用。因子与因子之间互相辨认、结合，以准确控制基因是否转录、何时转录。上游因子和可诱导因子属于广义的转录因子，但一般不冠以TF的词头而各有自己特殊的名称。

大多数转录因子是DNA结合蛋白，通常具有DNA结合域（DNA binding domain）和转录激活域（activation domain）；还有些转录因子会有一个介导蛋白质－蛋白质相互作用的结构域，最常见的是二聚化结构域。

（三）顺式作用元件与转录因子的结合

顺式作用元件与转录因子的结合主要依赖于转录因子DNA结合域中的特殊蛋白质模体（motif），常见的有以下3种：

1．锌指（zinc finger）结构 顾名思义，这是一类含锌离子又形似手指的模体结构，每个“指”状结构约含23个氨基酸残基，形成1个α－螺旋和2个反向平行的β－折叠的二级结构，每个β－折叠上有1个半胱氨酸（Cys）残基，而α－螺旋上有2个组氨酸（His）或半胱氨酸（Cys）残基。这4个氨基酸残基与二价锌离子之间形成配位键（图12－9）。一个蛋白质分子可有多个这样的锌指重复单位。每一个单位可将其指部伸入DNA双螺旋的大沟内，接触5个核苷酸。例如与GC盒结合的人成纤维细胞转录因子SP1中就有3个锌指重复结构。

图12－9 锌指结构

2．碱性螺旋－环－螺旋（basic helix－loop－helix，b HLH）结构 这类结构由40～50个氨基酸构成，可有2～3个两性α－螺旋通过短肽段形成的环相连接，其中一个α－螺旋的N－端富含碱性氨基酸残基，是与DNA结合的结合域（图12－10）。已发现酵母的MAT基因和果蝇en、Ant p基因的表达产物具有此结构，尤其是与DNA结合的螺旋区较为保守。b HLH模体通常以二聚体形式存在，其DNA结合域的碱性区可嵌入DNA双螺旋的大沟内。

图12－10 碱性螺旋－环－螺旋（b HLH）结构与DNA的结合

图12－11 碱性亮氨酸拉链（b ZIP）结构与DNA的结合

3．碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper，b ZIP）结构 该结构的特点是在蛋白质C－端的氨基酸序列中，每隔6个氨基酸会有1个亮氨酸残基，此肽段形成的α－螺旋结构中隔1圈就会有1个亮氨酸残基，且均位于α－螺旋的同一侧。此种特殊的α－螺旋结构能借助亮氨酸的疏水作用形成二聚体，貌似拉链一样（图12－11）。这种二聚体的N－端往往富含碱性氨基酸残基，其所含正电荷可与DNA骨架上的磷酸基团以离子键结合。

（四）转录起始复合物的生成

顺式作用元件与转录因子对转录调控最终是由RNA Pol的活性来体现的，转录起始复合物的生成是基因表达的关键点。

RNA Pol的活性与启动序列或启动子的核苷酸序列有关，更与所存在的转录因子有关。真核启动子也是由转录起始点、RNA Pol结合位点及控制转录活性的调节元件组成，其中启动序列会影响其与RNA Pol的亲和力。如第十章所述，真核RNA PolⅡ不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录因子TFⅡD的组成成分TBP识别TATA盒或其它启动元件（initiator，Inr），有时会有TAF协助结合，继而在其他基本转录因子的参与下，形成一个功能性的转录前起始复合物（pre－initiation complex，PIC）。在几种基本转录因子中，TFⅡD是唯一具有位点特异的DNA结合因子，在上述有序的组装过程中起关键性指导作用。这样形成的前起始复合物尚不稳定，也不能有效启动mRNA转录。在迂回折叠的DNA构象中，与增强子结合的转录激活因子EBP可与前起始复合物中的TBP接近，或通过特异的TAF与TBP联系，形成稳定的转录起始复合物（图12－12）。此时，RNA PolⅡ才能真正启动mRNA转录。TAF是细胞特异的，与EBP共同决定组织特异性转录。

图12－12 转录起始复合物

TBP识别TATA盒或启动元件，在TAF、TFⅡA～F等参与下，与RNA PolⅡ一起形成转录起始复合物

以上基本转录因子和特异性转录因子决定了RNA PolⅡ的活性，这些调节蛋白的浓度与分布将直接影响相关基因的表达。如前所述，特异性转录因子的表达具有时间或空间特异性，因此由它们所参与组成的转录起始复合物也将呈现一种动态变化。