真核生物基因的转录水平调控

一、基因表达与基因表达调控的基本概念

1、基因表达(Gene Expression)：基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或者RNA分子的过程。

2、基因表达调控(Regulation of Gene Expression)：基因表达受到内源及外源信号调控，这个调控的过程就是基因表达调控。

二、真核生物基因的一般构造

三、与原核生物转录调控的不同之处

• 原核生物基因一般不具有内含子结构，而真核生物大部分基因都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成，有时也被称为「断裂基因」。这导致真核生物能够进行外显子与内含子的可变调控，由此形成基因的差异表达。

• 原核生物功能相关的基因组成操纵子，并且以多顺反子mRNA的方式进行转录，整个体系被置于一个启动子的控制之下。而真核生物DNA是单顺反子结构，很少出现置于一个启动子控制之下的操纵子。
• 真核细胞中许多相关的基因常常按照功能成套组合，被称为基因家族(Gene Family)，同一家族中的成员很多时候会分散在同一染色体的不同部分，甚至位于不同的染色体上，各自具有不同的表达调控模式。
• 在原核生物中，转录调节区域都很小，大多数位于转录起始位点上游不远处，调节蛋白结合到调节位点上可以直接促进或者抑制RNA聚合酶对它的结合。在真核生物中，基因转录的调节区域大得多，它们可能远离核心启动子几百个甚至上千个碱基对；虽然这些调节区域也能和蛋白质结合，但是并不会直接影响启动子区域对于RNA聚合酶的接受程度，而是通过改变整个所控制基因5’上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。

四、真核生物基因转录调节的基本要素介绍

（一）基本要素

顺式作用元件(cis-acting element)、反式作用因子(trans-acting factor)以及RNA聚合酶(RNA polymerase)

• 顺式作用元件：启动子和基因的调节序列，主要包括启动子、增强子(enhancer)、沉默子(silencer)等。由于是由若干DNA序列元件组成的，与特定的功能基因连锁在一起，因此称为顺式作用元件。
• 反式作用因子：能够结合在顺式作用元件上调控基因表达的蛋白质或者RNA。
  • 具有识别启动子元件功能的基本转录因子
  • 能识别增强子或者沉默子的转录因子
  • 不需要通过DNA-蛋白质相互作用就参与转录调控的共调节因子(transcriptional co-factor)
• RNA聚合酶：催化基因转录最主要的酶。
  • RNA聚合酶II：能够直接或者间接与启动子核心序列TATA区特异性结合并且启动转录的调节蛋白。

（二）启动子

真核基因启动子由核心启动子和上游启动子两个部分组成；

是在基因转录起始位点（+1）及其5’上游100-200bp以内的一组具有独立功能的DNA序列，决定RNA pol II 转录起始位点和转录频率的关键元件。

（三）增强子

概念：能使得与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。

特性：

• 增强效应明显，一般能使得基因转录频率增加10-200倍
• 增强效应与其位置和取向（5’-3’或者3’-5’）无关
• 大多数为重复序列。
• 有严格的组织和细胞特异性。只有与特定蛋白质（转录因子）互作才能发挥功能。
• 没有基因专一性，可以在不同基因组合上表现增强效应。
• 会受到外部信号的调控。

（四）转录因子（TF）

• 前两类反式作用因子（识别启动子；识别增强子/沉默子）统称为转录因子；
• 包括转录激活因子(transcriptional activator)和转录阻遏因子(transcriptional repressor)。
• 转录因子作用：识别并结合转录起始位点的上游序列或者远端增强子元件，通过DNA-蛋白质相互作用调节转录活性，并决定不同基因的时间、空间特异性表达。
• 转录因子的基本结构：一般都具有DNA结合域以及转录激活域。有些具有受体调控域，接受其他共调节因子的调节；有些不具有转录激活域，需要配合具有转录激活域的共调节因子共同行使功能。
  • 常见的DNA结合域包括：锌指结构、碱性亮氨酸拉链（basic-leucine zipper, bZIP）结构、碱性-螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix, bHLH）结构等。

（五）共调节因子

与转录因子不同的另一类反式作用因子，本身无DNA结合活性，主要通过蛋白质-蛋白质相互作用影响转录因子的构象，从而调节转录活性。

包括共激活因子和共阻遏因子：

• 共激活因子：与转录激活因子有协同作用的共调节因子
• 共阻遏因子：与转录阻遏因子有协同作用的共调节因子

五、转录调控模式

1、染色质介导的转录调控

（1）染色质的乙酰化/去乙酰化：去乙酰化导致基因转录水平下调。

（2）染色质重塑因子（Chromatin remodeling factors）：具有解螺旋酶（Helicase）活性的蛋白质复合体，具有激活或者抑制基因转录水平的作用。激活时，能够使得染色质解聚、促使DNA与核小体分离，使得DNA更容易与转录因子接触，引发下游转录事件；抑制时，能够促进染色质的凝集、或者促进组蛋白乙酰化。

2、中介体（Mediator）调控转录

• 反式作用因子可能聚合成中介体的形式调节转录。
• 中介体由多个亚基组成，不同的亚基可能组合成一个或多个模块（module）。有些模块与RNA聚合酶II结合，有些模块充当转录激活因子；亚基也可以单独发挥作用，有些可能具有组蛋白乙酰化活性，与启动子区域结合以保持启动子处于超乙酰化（hyperacetylated）状态，从而使得DNA与组蛋白之间保持松散状态，促进转录。
• 有些亚基或者模块是所有基因表达所必须的，称为核心亚基/模块；有些则是在表达特定基因子集（subsets of genes）时所必须的。

3、DNA甲基化调控转录

DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶的催化下，以硫代半胱氨酸为甲基供体，在CpG二核苷酸的胞嘧啶分子的5’碳原子上添加一个甲基基团的化学修饰。

与染色质介导的转录调节类似，是重要的表观遗传调控途径之一。

基因启动子区发生DNA甲基化是抑制基因转录水平的常见表观遗传现象之一。CpG岛发生的甲基化主要通过两种方式抑制转录：

直接阻碍TFIID结合，从而抑制转录起始。

募集组蛋白去乙酰化酶，通过染色质途径抑制转录。

4、转录因子活性调控

转录因子活性通常通过以下方式调节：

• 共价修饰（covalent modification）：磷酸化（phosphorylation）、乙酰化（acetylation）、泛素化（ubiquitination）、SUMO化（SUMOylation，Small Ubiquitin-like Modifier Modification，小泛素样修饰剂修饰）
  • SUMOylation：在蛋白赖氨酸残基上添加一个或者多个含有101氨基酸的SUMO多肽。
• 配体结合（核受体）调控

5、核受体（Nuclear Receptor）调控

核受体是一类转录因子超家族，定位在细胞核中，由甾体激素、甲状腺激素、维甲酸、维生素D等脂溶性激素（化学信号）的受体组成。在受到配体激素诱导后，核受体可以与相应调节因子结合，调控下游基因的转录。

在无相应配体激素的情况下，核受体可以定位于细胞质或者细胞核中。

六、转录水平调控的应用

根据顺式作用元件和反式作用因子之间能够互相作用的原理，创造出酵母双杂交系统、酵母三杂交系统、染色质免疫共沉淀等实验技术。

1、酵母单杂交系统（Yeast one-hybrid system, Y1H）

常用于分析蛋白质-DNA相互作用。将诱饵DNA（Bait DNA）整合到基因序列中，将猎物蛋白（Prey）与转录因子激活域（AD）融合表达。如果诱饵DNA X与猎物蛋白Y之间具有互作关系，能够使得AD激活报告基因的表达。

2、酵母双杂交系统（Yeast two-hybrid system, Y2H）

常用于分析蛋白质-蛋白质相互作用。将DNA结合域（BD）和诱饵（Bait）蛋白X融合、转录因子激活域（AD）和猎物（Prey）蛋白Y融合，同时BD-X复合物能够识别并结合报告基因的上游激活子序列。如果X与Y之间具有互作关系，能够使得AD和BD重新结合构成具有启动报告基因功能的结构域，从而启动报告基因的转录。

3、酵母三杂交系统（Yeast three-hybrid system, Y3H）

常用于分析 蛋白质与RNA（或其他小分子） 的互作关系。实验中将一个蛋白A与DNA结合域蛋白融合表达，将另一个蛋白B与能够激活下游信号的激活域蛋白融合表达，当有RNA能够与蛋白A、B互作时，由于DNA结合域蛋白结合在DNA结合位点，将激活域拉到恰当的结构位点，从而激活下游报告基因。

4、染色质免疫共沉淀（Chromatin Immunoprecipitation, ChIP）

研究体内(in vivo)DNA与蛋白质的互作关系，具体为确定特定蛋白（比如转录因子）是否结合特定基因组区域（比如启动子等）。

参考资料

[1]史玉杰,李庆贺,刘晓辉.DNA甲基化与基因表达调控研究进展[J].中国生物工程杂志, 2013, 33(7):90-96.

[2]朱玉贤.现代分子生物学.第4版[M].高等教育出版社,2013.

[3]Weaver, RobertFranklin. Molecular biology 5th ed [M].McGraw-Hill,2012.