生物化學(xué)與分子生物學(xué):第三節(jié)　真核基因表達(dá)調(diào)控

一、真核基因組的復(fù)雜性

與原核生物比較，真核生物的基因組更為復(fù)雜，可列舉如下。

▲真核基因組比原核基因組大得多，大腸桿菌基因組約4×106bp，哺乳類基因組在109bp數(shù)量級(jí)，比細(xì)菌大千倍；大腸桿菌約有4000個(gè)基因，人則約有10萬個(gè)基因。

▲真核生物主要的遺傳物質(zhì)與組蛋白等構(gòu)成染色質(zhì)，被包裹在核膜內(nèi)，核外還有遺傳成分(如線粒體DNA等)，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次和復(fù)雜性。

▲原核生物的基因組基本上是單倍體，而真核基因組是二倍體。

▲如前所述，細(xì)菌多數(shù)基因按功能相關(guān)成串排列，組成操縱元的基因表達(dá)調(diào)控的單元，共同開啟或關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄出多順反子(polycistron)的mRNA；真核生物則是一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子(monocistron)，基本上沒有操縱元的結(jié)構(gòu)，而真核細(xì)胞的許多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亞基構(gòu)成的，這就涉及到多個(gè)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題，真核生物基因協(xié)調(diào)表達(dá)要比原核生物復(fù)雜得多。

▲原核基因組的大部分序列都為基因編碼，而核酸雜交等實(shí)驗(yàn)表明：哺乳類基因組中僅約10%的序列為蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等編碼，其余約90%的序列功能至今還不清楚。

▲原核生物的基因?yàn)榈鞍踪|(zhì)編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的，而真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)剪接(splicing)去除內(nèi)含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質(zhì)，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)。

▲原核基因組中除rRNA、tRNA基因有多個(gè)拷貝外，重復(fù)序列不多。哺乳動(dòng)物基因組中則存在大量重復(fù)序列(repetitive sequences)。用復(fù)性動(dòng)力學(xué)等實(shí)驗(yàn)表明有三類重復(fù)序列：①高度重復(fù)序列(highly repetitive sequences)，這類序列一般較短，長10－300bp，在哺乳類基因組中重復(fù)106次左右，占基因組DNA序列總量的10－60%，人的基因組中這類序列約占20%，功能還不明了。②中度重復(fù)序列(moderatelyrepetitive sequences)，這類序列多數(shù)長100－500bp，重復(fù)101－105次，占基因組10-40%。例如哺乳類中含量最多的一種稱為Alu的序列，長約300bp，在哺乳類不同種屬間相似，在基因組中重復(fù)3-×105次，在人的基因組中約占7%，功能也還不很清楚。在人的基因組中18S/28SrRNA基因重復(fù)280次，5SrRNA基因重復(fù)2000次，tRNA基因重復(fù)1300次，5種組蛋白的基因串連成簇重復(fù)30-40次，這些基因都可歸入中度重復(fù)序列范圍。③單拷貝序列(single copy sequences)。這類序列基本上不重復(fù)，占哺乳類基因組的50-80%，在人基因組中約占65%。絕大多數(shù)真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因在單倍體基因組中都不重復(fù)，是單拷貝的基因。

從上述可見真核基因組比原核基因組復(fù)雜得多，至今人類對(duì)真核基因組的認(rèn)識(shí)還很有限，使現(xiàn)在國際上制訂的人基因組研究計(jì)劃(human gene project)完成，繪出人全部基因的染色體定位圖，測(cè)出人基因組109bp全部DNA序列后，要搞清楚人全部基因的功能及其相互關(guān)系，特別是要明了基因表達(dá)調(diào)控的全部規(guī)律，還需要經(jīng)歷很長期艱巨的研究過程。

二、真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)

盡管我們現(xiàn)在對(duì)真核基因表達(dá)調(diào)控知道還不多，但與原核生物比較它具有一些明顯的特點(diǎn)。

(一)真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多

如前所述，基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個(gè)過程。同原核生物一樣，轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核(線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在線粒體內(nèi))，翻譯則多在胞漿，兩個(gè)過程是分開的，因此其調(diào)控增加了更多的環(huán)節(jié)和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控占有了更多的分量。圖19-13扼要地列出真核基因表達(dá)的各個(gè)可能的環(huán)節(jié)。

圖19－13　真核生物基因表達(dá)調(diào)控的可能環(huán)節(jié)

圖19－13總結(jié)了以前章節(jié)敘述過的基因表達(dá)過程，并作了一些新補(bǔ)充。圖中標(biāo)出了真核細(xì)胞在分化過程中會(huì)發(fā)生基因重排(gene rearrangement)，即胚原性基因組中某些基因會(huì)再組合變化形成第二級(jí)基因。例如編碼完整抗體蛋白的基因是在淋巴細(xì)胞分化發(fā)育過程中，由原來分開的幾百個(gè)不同的可變區(qū)基因經(jīng)選擇、組合、變化，與恒定區(qū)基因一起構(gòu)成穩(wěn)定的、為特定的完整抗體蛋白編碼的可表達(dá)的基因。這種基因重排使細(xì)胞可能利用幾百個(gè)抗體基因的片段，組合變化而產(chǎn)生能編碼達(dá)108種不同抗體的基因，其中就有復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理。

此外，真核細(xì)胞中還會(huì)發(fā)生基因擴(kuò)增(geneamplification)，即基因組中的特定段落在某些情況下會(huì)復(fù)制產(chǎn)生許多拷貝。最早發(fā)現(xiàn)的是蛙的成熟卵細(xì)胞在受精后的發(fā)育過程中其rRNA基因(可稱為rDNA)可擴(kuò)增2000倍，以后發(fā)現(xiàn)其他動(dòng)物的卵細(xì)胞也有同樣的情況，這很顯然適合了受精后迅速發(fā)育分裂要合成大量蛋白質(zhì)，需要有大量核糖體。又如MTX(methotrexate)是葉酸的結(jié)構(gòu)類似物，一些哺乳類細(xì)胞會(huì)對(duì)含有利用葉酸所必需的二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase, DHFR)基因的DNA區(qū)段擴(kuò)增40?00倍，使DHFR的表達(dá)量顯著增加，從而提高對(duì)MTX的抗性。基因的擴(kuò)增無疑能夠大幅度提高基因表達(dá)產(chǎn)物的量，但這種調(diào)控機(jī)理至今還不清楚。

(二)真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)

真核基因組DNA絕大部分都在細(xì)胞核內(nèi)與組蛋白等結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)中NA和組蛋白的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都影響轉(zhuǎn)錄，至少有以下現(xiàn)象：

1.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄　細(xì)胞分裂時(shí)染色體的大部分到間期時(shí)松開分散在核內(nèi)，稱為常染色質(zhì)(euchromatin)，松散的染色質(zhì)中的基因可以轉(zhuǎn)錄。染色體中的某些區(qū)段到分裂期后不像其他部分解旋松開，仍保持緊湊折疊的結(jié)構(gòu)，在間期核中可以看到其濃集的斑塊，稱為異染色質(zhì)(heterochromatin)，其中從未見有基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)；原本在常染色質(zhì)中表達(dá)的基因如移到異染色質(zhì)內(nèi)也會(huì)停止表達(dá)；哺乳類雌體細(xì)胞2條X染色體，到間期一條變成異染色質(zhì)者，這條X染色體上的基因就全部失活。可見緊密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)阻止基因表達(dá)。

2.組蛋白的作用　早期體外實(shí)驗(yàn)觀察到組蛋白與DNA結(jié)合阻止DNA上基因的轉(zhuǎn)錄，去除組蛋基因又能夠轉(zhuǎn)錄。組蛋白是堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷，可與DNA鏈上帶負(fù)電荷的磷酸基相結(jié)合，從而遮蔽了DNA分子，妨礙了轉(zhuǎn)錄，可能扮演了非特異性阻遏蛋白的作用；染色質(zhì)中的非組蛋白成分具有組織細(xì)胞特異性，可能消除組蛋白的阻遏，起到特異性的去阻遏促轉(zhuǎn)錄作用。

發(fā)現(xiàn)核小體后，進(jìn)一步觀察核小體結(jié)構(gòu)與基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)活躍轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)段，有富含賴氨酸的組蛋白(H1組蛋白)水平降低，H2A·H2B組蛋白二聚體不穩(wěn)定性增加、組蛋白乙�；�(acetylation)和泛素化(ubiquitination)，以及H3組蛋白巰基化等現(xiàn)象，這些都是核小體不穩(wěn)定或解體的因素或指征。轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結(jié)構(gòu)。這些都表明核小體結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄。

3.轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)�核酸酶作用敏感度增加　染色質(zhì)DNA受DNase Ⅰ作用通常會(huì)被降解成00、400……quanxiangyun.cn/zhuyuan/bp的片段，反映了完整的核小體規(guī)則的重復(fù)結(jié)構(gòu)。但活躍進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域受DNase Ⅰ消化常出現(xiàn)100－200bp的DNA片段，且長短不均一，說明其DNA受組蛋白掩蓋的結(jié)構(gòu)有變化，出現(xiàn)了對(duì)DNase Ⅰ高敏感點(diǎn)(hypersensitive site)。這種高敏感點(diǎn)常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄基因的5′側(cè)區(qū)(5′flanking region)、3′末端或在基因上，多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)的附近，分析該區(qū)域核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能有利于調(diào)控蛋白結(jié)合而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。

4.DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化　天然雙鏈DNA的構(gòu)象大多是負(fù)性超螺旋。當(dāng)基因活躍轉(zhuǎn)錄時(shí)，RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄方向前方DNA的構(gòu)象是正性超螺旋，其后面的DNA為負(fù)性超螺旋。正性超螺旋會(huì)拆散核小體，有利于RNA聚合酶向前移動(dòng)轉(zhuǎn)錄；而負(fù)性超螺旋則有利于核小體的再形成。

5.DNA堿基修飾變化　真核DNA中的胞嘧啶約有5%被甲基化為5�布谆�胞嘧啶(5�瞞ethylcytidine,m5C)，而活躍轉(zhuǎn)錄的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常較低。這種甲基化最常發(fā)生在某些基因5′側(cè)區(qū)的CpG序列中，實(shí)驗(yàn)表明這段序列甲基化可使其后的基因不能轉(zhuǎn)錄，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)錄。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常發(fā)育而死亡，可見DNA的甲基化對(duì)基因表達(dá)調(diào)控是重要的。

由此可見，染色質(zhì)中的基因轉(zhuǎn)錄前先要有一個(gè)被激活的過程，但目前對(duì)激活機(jī)制還缺乏認(rèn)識(shí)。

(三)真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主

真核RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力很低，基本上不依靠自身來起始轉(zhuǎn)錄，需要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用。真核基因調(diào)控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負(fù)性調(diào)控組件，但其存在并不普遍；真核基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以激活蛋白的作用為主。即多數(shù)真核基因在沒有調(diào)控蛋白作用時(shí)是不轉(zhuǎn)錄的，需要表達(dá)時(shí)就要有激活的蛋白質(zhì)來促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。換言之：真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主導(dǎo)。

三、真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

真核細(xì)胞的三種RNA聚合酶(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)中，只有RNA聚合酶Ⅱ能轉(zhuǎn)錄生成mRNA，以下主要討論RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

(一)順式作用組件(cis�瞐cting elements)

真核基因的順式調(diào)控組件是基因周圍能與特異轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄的DNA序列。其中主要是起正性調(diào)控作用的順式作用組件，包括啟動(dòng)子(promoter)、增強(qiáng)子(enhancer)；近年又發(fā)現(xiàn)起負(fù)性調(diào)控作用的組件棗沉寂子(silencer)。

1.啟動(dòng)子　與原核啟動(dòng)子的含義相同，是指RNA聚合酶結(jié)合并起動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列。但真核同啟動(dòng)子間不像原核那樣有明顯共同一致的序列，而且單靠RNA聚合酶難以結(jié)合DNA而起動(dòng)轉(zhuǎn)錄，而是需要多種蛋白質(zhì)因子的相互協(xié)調(diào)作用，不同蛋白質(zhì)因子又能與不同DNA序列相互作用，不同基因轉(zhuǎn)錄起始及其調(diào)控所需的蛋白因子也不完全相同，因而不同啟動(dòng)子序列也很不相同，要比原核更復(fù)雜、序列也更長。真核啟動(dòng)子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游約100－200bp序列，包含有若干具有獨(dú)立功能的DNA序列元件，每個(gè)元件約長7－30bp。最常見的哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子中的元件序列見表19－1。

表19－1　哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子中常見的元件

啟動(dòng)子中的元件可以分為兩種：

①核心啟動(dòng)子元件(core promoter element)　指RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)及其上游－25/－30bp處的TATA盒。核心元件單獨(dú)起作用時(shí)只能確定轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。

②上游啟動(dòng)子元件(upstream promoter element)　包括通常位于－70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)更遠(yuǎn)的上游元件。這些元件與相應(yīng)的蛋白因子結(jié)合能提高或改變轉(zhuǎn)錄效率。不同基因具有不同的上游啟動(dòng)子元件，其位置也不相同，這使得不同的基因表達(dá)分別有不同的調(diào)控。圖19-14以人金屬硫蛋白基因?yàn)槔�子，說明真核基因上游啟動(dòng)子元件的組織情況和各元件相應(yīng)結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子。

圖19－14　人金屬硫蛋白基因的調(diào)控區(qū)

2.增強(qiáng)子　是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件，最早是在SV40病毒中發(fā)現(xiàn)的長約200bp的一段DNA，可使旁側(cè)的基因轉(zhuǎn)錄提高100倍，其后在多種真核生物，甚至在原核生物中都發(fā)現(xiàn)了增強(qiáng)子。增強(qiáng)子通常占100－200bp長度，也和啟動(dòng)子一樣由若干組件構(gòu)成，基本核心組件常為8－12bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。增強(qiáng)子的作用有以下特點(diǎn)：

①增強(qiáng)子提高同一條DNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠(yuǎn)距離作用，通�？删嚯x1－4kb、個(gè)別情況下離開所調(diào)控的基因30kb仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。

②增強(qiáng)子作用與其序列的正反方向無關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒就不能起作用，可見增強(qiáng)子與啟動(dòng)子是很不相同的。

③增強(qiáng)子要有啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用，沒有啟動(dòng)子存在，增強(qiáng)子不能表現(xiàn)活性。但增強(qiáng)子對(duì)動(dòng)子沒有嚴(yán)格的專一性，同一增強(qiáng)子可以影響不同類型啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。例如當(dāng)含有增強(qiáng)子的病毒基因組整合入宿主細(xì)胞基因組時(shí)，能夠增強(qiáng)整合區(qū)附近宿主某些基因的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)增強(qiáng)子隨某些染色體段落移位時(shí)，也能提高移到的新位置周圍基因的轉(zhuǎn)錄。使某些癌基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)增強(qiáng)，可能是腫瘤發(fā)生的因素之一。

④增強(qiáng)子的作用機(jī)理雖然還不明確，但與其他順式調(diào)控元件一樣，必須與特定的蛋白質(zhì)因結(jié)合后才能發(fā)揮增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的作用。增強(qiáng)子一般具有組織或細(xì)胞特異性，許多增強(qiáng)子只在某些細(xì)胞或組織中表現(xiàn)活性，是由這些細(xì)胞或組織中具有的特異性蛋白質(zhì)因子所決定的。

3.沉寂子　最早在酵母中發(fā)現(xiàn)，以后在T淋巴細(xì)胞的T抗原受體基因的轉(zhuǎn)錄和重排中證實(shí)這種負(fù)調(diào)控順式元件的存在。目前對(duì)這種在基因轉(zhuǎn)錄降低或關(guān)閉中起作用的序列研究還不多，但從已有的例子看到：沉寂子的作用可不受序列方向的影響，也能遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用，并可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用。

(二)反式作用因子(trans�瞐ctingfactors)

以反式作用影響轉(zhuǎn)錄的因子可統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors, TF)。RNA聚合酶是一種反式作用于轉(zhuǎn)錄的蛋白因子。在真核細(xì)胞中RNA聚合酶通常不能單獨(dú)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用，而需要與其他轉(zhuǎn)錄因子共同協(xié)作。與RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子分別稱為TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ，對(duì)TFⅡ研究最多。表19-2列出真核基因轉(zhuǎn)錄需要基本的TFⅡ。

表19-2　RNA聚合酶Ⅱ的基本轉(zhuǎn)錄因子

以前認(rèn)為與TATA盒結(jié)合的蛋白因子是TFⅡ－D，后來發(fā)現(xiàn)TFⅡ－D實(shí)際包括兩類成分：與TATA盒結(jié)合的蛋白是TBP(TATAbox binding protein)，是唯一能識(shí)別TATA盒并與其結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，是三種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄時(shí)都需要的；其他稱為TBP相關(guān)因子(TBP�瞐ssociated factors TAF)，至少包括8種能與TBP緊密結(jié)合的因子。轉(zhuǎn)錄前先是TFⅡ－D與TATA盒結(jié)合；繼而TFⅡ－B以其C端與TBP－DNA復(fù)合體結(jié)合，其N端則能與RNA聚合酶Ⅱ親和結(jié)合，接著由兩個(gè)亞基組成的TFⅡ－F加入裝配，TFⅡ－F能與RNA聚合酶形成復(fù)合體，還具有依賴于ATP供給能量的DNA解旋酶活性，能解開前方的DNA雙螺旋，在轉(zhuǎn)錄鏈延伸中起作用。這樣，啟動(dòng)子序列就與TFⅡ－D、B、F及RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合形成一個(gè)“最低限度”能有轉(zhuǎn)錄功能基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物(pre�瞚ntitiationcomplex, PIC)，能轉(zhuǎn)錄mRNA。TFⅡ－H是多亞基蛋白復(fù)合體，具有依賴于ATP供給能量的DNA解旋酶活性，在轉(zhuǎn)錄鏈延伸中發(fā)揮作用；TFⅡ－E是兩個(gè)亞基組成的四聚體，不直接與DNA結(jié)合而可能是與TFⅡ－B聯(lián)系，能提高ATP酶的活性；TFⅡ－E和TFⅡ－H的加入就形成完整的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體(圖19?5)，能轉(zhuǎn)錄延伸生成長鏈RNA，TFⅡ－A能穩(wěn)定TFⅡ－D與TATA盒的結(jié)合，提高轉(zhuǎn)錄效率，但不是轉(zhuǎn)錄復(fù)合體一定需要的。

圖19-15　RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成示意圖

以上所述是典型的啟動(dòng)子上轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成，但有的真核啟動(dòng)子不含TATA盒或不通過TATA盒開始轉(zhuǎn)錄。例如有的無TATA盒的啟動(dòng)子是靠TFⅡ－I和TFⅡ－D共同組成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體開始轉(zhuǎn)錄的。由此可以看到真核轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)雜性。

不同基因由不同的上游啟動(dòng)子元件組成，能與不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，這些轉(zhuǎn)錄因子通過與基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體作用而影響轉(zhuǎn)錄的效率。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有許多不同的轉(zhuǎn)錄因子，看到的現(xiàn)象是：同一DNA序列可被不同的蛋白因子所識(shí)別；能直接結(jié)合DNA序列的蛋白因子是少數(shù)，但不同的蛋白因子間可以相互作用，因而多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子是通過蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)間作用與DNA序列聯(lián)系并影響轉(zhuǎn)錄效率的(見圖19－16)。轉(zhuǎn)錄因子之間或轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合都會(huì)引起構(gòu)象的變化，從而影響轉(zhuǎn)錄的效率。

圖19-16　轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄復(fù)合體相互作用模式圖

圖19-１6所示，作為蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄因子從功能上分析其結(jié)構(gòu)可包含有不同區(qū)域，①DNA結(jié)合域(DNa binding domain)，多由60－100個(gè)氨基酸殘基組織的幾個(gè)亞區(qū)組成；②轉(zhuǎn)錄激活域(activating domain)，常由30－100氨基酸殘基組成，這結(jié)構(gòu)域有富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同種類，以酸性結(jié)構(gòu)域最多見；③連接區(qū)，即連接上兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的部分。不與DNA直接結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子沒有DNA結(jié)合域，但能通過轉(zhuǎn)錄激活域直接或間接作用于轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而影響轉(zhuǎn)錄效率。

與DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子大多以二聚體形式起作用，與DNA結(jié)合的功能域常見有以下幾種：

圖19－17　HTH結(jié)構(gòu)及其與DNA的結(jié)合

①螺旋�厕D(zhuǎn)角�猜菪�(helix�瞭urn�瞙elix, HTH)及螺旋-環(huán)-螺旋(helix�瞝oop�瞙elix,HLH)　這類結(jié)構(gòu)至少有兩個(gè)α螺旋，其間由短肽段形成的轉(zhuǎn)角或環(huán)連接，兩個(gè)這樣的motif結(jié)構(gòu)以二聚體形式相連，距離正好相當(dāng)于DNA一個(gè)螺距(3.4nm)，兩個(gè)α螺旋剛好分別嵌入DNA的深溝(圖19－17)。

圖19－18　蛋白質(zhì)的鋅指結(jié)構(gòu)

②鋅指(zinc finger)　其結(jié)構(gòu)如圖19－18所示，每個(gè)重復(fù)的“指”狀結(jié)構(gòu)約含23個(gè)氨基酸殘基，鋅以4個(gè)配價(jià)鍵與4個(gè)半胱氨酸、或2個(gè)半胱氨酸和2個(gè)組氨酸相結(jié)合。整個(gè)蛋白質(zhì)分子可有2?個(gè)這樣的鋅指重復(fù)單位。每一個(gè)單位可以其指部伸入DNA雙螺旋的深溝，接觸5個(gè)核苷酸。例如與GC盒結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子SP1中就有連續(xù)的3個(gè)鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu)。

③堿性－亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper, bZIP)，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是蛋白質(zhì)分子的肽鏈上每隔6個(gè)氨基酸就有一個(gè)亮氨酸殘基，結(jié)果就導(dǎo)致這些亮氨酸殘基都在α螺旋的同一個(gè)方向出現(xiàn)。兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的兩排亮氨酸殘基就能以疏水鍵結(jié)合成二聚體，該二聚體的另一端的肽段富含堿性氨基酸殘基，借其正電荷與DNA雙螺旋鏈上帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)結(jié)合。若不形成二聚體則對(duì)DNA的親和結(jié)合力明顯降低。在肝臟、小腸上皮、脂肪細(xì)胞和某些腦細(xì)胞中有稱為C/EBP家族的一大類蛋白質(zhì)能夠與CAAT盒和病毒增強(qiáng)子結(jié)合，其特征就是能形成bZIP二聚體結(jié)構(gòu)。

圖19－19　堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)及其與DNA的結(jié)合

從上述可見：轉(zhuǎn)錄調(diào)控的實(shí)質(zhì)在于蛋白質(zhì)與DNA、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，構(gòu)象的變化正是蛋白質(zhì)和核酸“活”的表現(xiàn)。但對(duì)生物大分子間的辨認(rèn)、相互作用、結(jié)構(gòu)上的變化及其在生命活動(dòng)中的意義，人們的認(rèn)識(shí)和研究還只在起步階段，其中許多內(nèi)容甚至重要的規(guī)律我們可能至今還一無所知，有待于努力探索。