第7章基因的轉錄調控真核生物基因的轉錄

RNA聚合酶和轉錄因子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：負責將DNA轉錄為RNA的酶，也稱為依賴DNA的RNA聚合酶。各種RNA的用途rRNA與蛋白質結合而形成核糖體，其功能是作為mRNA的支架，使mRNA分子在其上展開，形成肽鏈

。信使RNA是由DNA的一條鏈作為模板轉錄而來的、攜帶遺傳信息的能指導蛋白質合成的一類單鏈核糖核酸。轉運RNA（TransferRibonucleicAcid，tRNA）是具有攜帶并轉運氨基酸功能的類小分子核糖核酸snRNA是細胞內有小核RNA，參與mRNA前體的加工過程。核仁小RNA與rRNA的高級結構形成相關轉錄因子

（transcriptionfactors,TF）也稱為反式作用因子（trans-actingfactor）。是一類細胞核內蛋白質因子，通過與順式作用元件和RNA聚合酶的相互作用來起始、調控轉錄的活性。真

核

生

物

rRNA

基

因

的

結

構Ferna′ndez-Torneroetal.,2013,naturePolI的誤調控已被與幾種類型的癌癥聯系了起來，而且PolI也在成為抗癌藥物的一個目標。小分子BMH-21能夠破壞RNA聚合酶POLI轉錄通路，阻斷癌細胞相互交流和復制。RNA聚合酶I的蛋白質三維結構

PolI功能異常會導致細胞的死亡或支持像癌細胞那樣無限制性的增殖14個亞基組成的完整酵母的PolI的晶體結構PolI是真核性聚合酶中最多產的。為了完成高通量的轉錄作用，多個PolI復合物轉錄核糖體DNA，這些酶高密度地包裹在每個模板上并具有高度前行性（可能會貫穿整個模版）。新的結構預示DNA模板一定要裝載在有一個關閉的鉗狀結構的PolI中，因此也許狹縫的開放或關閉的狀態對DNA的裝載有效性起作用。RNA聚合酶I啟動子RNAPolIpromoter(ClassIpromoter)由2部分保守序列組成：核心啟動子（corepromoter）或核心元件（coreelement），位于-45到+20，負責轉錄的起始。上游控制元件（uptreamcontrolelement,UCE），從-180延伸到-107，可增加核心元件的轉錄起始效率。RNA聚合酶I的轉錄因子需要兩種轉錄因子上游結合因子（upstreambindingfactor,UBF）選擇因子1（SL1）4種蛋白質組成，包括TATA框結合蛋白（TATA-bindingprotein，TBP）和3個TBP結合因子（TBP-associatedfactor,TAF）

UBF：特異地識別核心啟動子和上游調控元件（UCE）中富含GC對的區域。

SL1：單獨并沒有識別特異DNA序列的功能，在UBF和DNA結合后，SL1才可結合上來。只有當兩種輔助因子與DNA結合后，RNA聚合酶I才能與核心啟動子結合，從而起始轉錄。RNA聚合酶I起始復合物組裝PromotersofSomePolymeraseIIIGenesTypeI(5SrRNA)has3regions:BoxAShortintermediateelementBoxCTypeII(tRNA)has2regions:BoxABoxBTypeIII(nonclassical)U6snRNA基因

(DSE:distalsequenceelement;PSE:proxiamlsequenceelement)RNApolⅢ的轉錄因子兩種內部啟動子的轉錄起始需要三種輔助因子

TFⅢA一種含9個鋅指結構的蛋白

TFⅢB

由TBP和BRT、B等蛋白構成

TFⅢC至少5個亞基以上

TFⅢB和TFⅢC是幾類RNApolⅢ共同需要的轉錄因子

TFIIIA因子主要是針對5SrRNA的轉錄來講常用。

TFⅢB是真正的轉錄起始因子，A和C僅僅是組裝因子，作用是協助TFIIIB的定位。tRNA基因的轉錄起始復合物組裝PolII的轉錄起始PromotersrecognizedbyRNApolymeraseII(classIIpromoters)aresimilartoprokaryoticpromotershavetwoparts:Corepromoterhaving4elementsUpstreampromoterelementUPE核酸聚合酶Ⅱ（第二類啟動子）的啟動子識別類似于原核啟動子有2個部分：核心啟動子有4個元素上游啟動子元件PolII轉錄起始所識別的啟動子啟動子：位于結構基因5’端上游、能夠指導RNA聚合酶同模板正確結合、啟動基因轉錄的一段DNA序列。真核啟動子比原核更復雜、序列也更長，它不像原核啟動子那樣有明顯共同一致的序列，而且單靠RNA聚合酶難以起動轉錄，而是需要多種蛋白質因子的相互協調作用。不同真核啟動子之間大小、序列很不相同。不同物種的啟動子有時不能互用，如動物和植物之間。真核啟動子中包含了許多調節基因轉錄的元件，它們控制著基因表達的強弱或者時空差異。根據對基因表達的必須性，這些元件分為2類：核心啟動子元件和上游啟動子元件

（1）TATA框(TATAbox)：位于5′端轉錄起始點上游約20-30個核苷酸的地方。TATA框是一個短的核苷酸序列，其堿基順序為TATAATAA。TATA框是RNA聚合酶的重要的接觸點，它能夠使酶準確地識別轉錄的起始點并開始轉錄。當TATA框中的堿基順序有所改變時，mRNA的轉錄就會從不正常的位置開始。（2）CAAT框(CAATbox)：位于5′端轉錄起始點上游約70-80個核苷酸的地方。CAAT框是啟動子中另一個短的核苷酸序列，其堿基順序為GGCTCAATCT。CAAT框是RNA聚合酶的另一個結合點，一般認為它控制著轉錄的起始頻率，而不影響轉錄的起始點。當這段順序被改變后，mRNA的形成量會明顯減少。核心啟動子元件(corepromoterelement):

指RNA聚合酶起始轉錄所必需的最小的DNA序列，包括TATA盒和CAAT盒。核心元件單獨起作用時只能確定轉錄起始位點和產生基礎水平的轉錄。CorePromoterElements–TATABox核心啟動子元件

TATAbox5’-TATAWAWA-3’(WisA

orT)TherearefrequentlyTATA-lesspromotersHousekeepinggenesthatareconstitutivelyactiveinnearlyallcellsastheycontrolcommonbiochemicalpathwaysDevelopmentallyregulatedgenesTATA區主要作用是使轉錄精確起始，如果該區缺失或發生突變則導致轉錄起始位點不確定。在二類啟動子里，TATAbox是轉錄起始復合體蛋白組裝的位置。第一個結合在該位點的蛋白是TBP，當其結合后，會增加其他轉錄因子結合的幾率。

11281tttcccgccttcagtttagcttcatggagtcaaagattcaaatagaggacctaacagaac11341tcgccgtaaagactggcgaacagttcatacagagtctcttacgactcaatgacaagaaga11401aaatcttcgtcaacatggtggagcacgacacacttgtctactccaaaaatatcaaagata11461cagtctcagaagaccaaagggcaattgagacttttcaacaaagggtaatatccggaaacc11521tcctcggattccattgcccagctatctgtcactttattgtgaagatagtggaaaaggaag11581gtggctcctacaaatgccatcattgcgataaaggaaaggccatcgttgaagatgcctctg11641ccgacagtggtcccaaagatggacccccacccacgaggagcatcgtggaaaaagaagacg11701ttccaaccacgtcttcaaagcaagtggattgatgtgatatctccactgacgtaagggatg

11761acgcacaatc

ccactatccttcgcaagacccttcctctat

ataaggaagt

tcatttcatt11821tggagagaacacgggggactcttgac花椰菜花葉病毒35S啟動子=CaMV35S啟動子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上游啟動子元件通常被發現的第二類核心啟動子的上游GC盒結合轉錄因子Sp1--80~-110CCAAT盒結合CTF（CCAAT結合轉錄因子）-80~-70上游啟動子元件可以獨立的方向，但相對位置相關ATATAACCAATGCCACACCC

或GGGCGGG+1轉錄起點TATAboxCAATboxGCbox增強子-35~-25-80~-70-110~-80promotermodel(RNAPolII)GCbox可能有多個，如果發生突變或者缺失，則會對活性有很大影響，比如SV40earlygene具有6個GCbox，丟失1個活性只有33%，丟2個則有13%，3個則無活性GCbox具有位置依賴性，但沒有方向依賴性。如果離開TATAbox太遠則不起作用CCAAT區和GC區主要控制轉錄起始頻率，基本不參與起始位點的確定。CAAT區域任何堿基改變對轉率起始頻率和強度影響都很大。另外在TATA區和UPE區域插入核苷酸序列也會降低活性。這2個區域方向對于轉錄的影響不大。RNA聚合酶II的轉錄因子普遍轉錄因子（generaltranscriptionfactor,GTF）：與RNA聚合酶Ⅱ共同組成轉錄起始復合體時，轉錄才能在正確的位置開始（TFⅡA，TFⅡF，TFⅡE，TFⅡH，TFⅡD）。特異性轉錄因子（specialtranscriptionfactor）:

為個別基因所需，決定該基因的時空特異性表達。

轉錄激活因子

轉錄抑制因子普遍性轉錄因子的功能普遍轉錄因子功能TFIID（TBP組合）識別TATA盒框及Inr順序，形成TFIIB結合的平臺TFIID（TAFs）識別核心啟動子，調節TBP的結合TFIIA穩定TBP和TAF的結合TFIIB介導RNA多聚酶II的結合，影響轉錄起始點的選擇TFIIF征召RNA多聚酶IITFIIIE介導TFIIH的結合，調節TFIIH的活性TFIIH具解旋酶活性子，負責使轉錄起始復合物由閉合狀態向開放狀態轉變；可能同多聚酶撤離核心啟動子有關TATA+1

TFIIATBPorTFIID

pre-PIC(preinitiationcomplex)

TFIIFRNApolIITFIIB

BasicPIC

mRNA

Promoterclearance

EHBDATranscriptionstartingcompletePIC

EH增強子（enhancer）

是一種能夠提高同一條DNA鏈上基因轉錄效率的順式調控元件。最早是在SV40病毒中發現的長約200bp的一段DNA，可使旁側的基因轉錄提高100倍，其后在多種真核生物和原核生物中都發現了增強子。增強子通常長100－200bp，也和啟動子一樣由若干組件構成，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。增強子的作用有以下特點：①增強子可以遠距離作用。通常可距離1-4kb、個別情況下離開所調控的基因30kb仍能發揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。②增強子作用與其序列的正反方向無關。將增強子方向倒置依然能起作用。而將啟動子倒就不能起作用，可見增強子與啟動子是很不相同的。③增強子要有啟動子才能發揮作用。沒有啟動子存在，增強子單獨不能表現活性。④增強子對啟動子沒有嚴格的專一性。同一增強子可以影響不同類型啟動子的轉錄。例如當含有增強子的病毒基因組整合入宿主細胞基因組時，能夠增強整合區附近宿主某些基因的轉錄；當增強子隨某些染色體段落移位時，也能提高移到的新位置周圍基因的轉錄。轉錄因子結構特征TFDNA結合域轉錄調控區寡聚化位點核定位信號DNA結合區（DNA-bindingdomain）指轉錄因子識別DNA順序作用元件并與之結合的一段氨基酸序列，相同類型轉錄因子DNA結合區的氨基酸序列較為保守。bZIP結構域鋅指結構域MADS結構域MYB結構域Homeo結構域AP2/EREBP結構域1stZincfingerThereareatleast3kindsofzinc-containingmodulesthatactasDNA-bindingmotifsAlluseoneormorezincionstocreateashapetofitana-helixofthemotifintotheDNAmajorgroove在進行TFIIIA和幾種其它的DNA結合蛋白的氨基酸序列分析時，發現相同的、重復的氨基酸序列。這個大約含有30個氨基酸的序列折疊成一種包含四面體配位的鋅離子的結構，這樣的結構稱之鋅指鋅指目前發現了三種：Cys2/His2型、Cys2/Cys2型和2鋅離子型Zn位于Cys2和His2組成的四面體中單個鋅指的三維結構是由一個α螺旋和一個β折疊片組成的α螺旋與DNA雙螺旋的大溝接觸來調控轉錄Cys2/His2型共有序列為：Cys--X2-4--Cys--X3--Phe--X5--Leu--X2--His--X3-5—HisCys2/Cys2型共有序列為：Cys—X2--Cys—X1-3--Cys—X2–Cys酵母的GAL4型蛋白：6個Cys和2個Zn，與大溝結合，二聚化位點緊鄰DNA結合域成α螺旋。并非所有鋅指蛋白都是DNA結合蛋白，有些則可與RNA結合，有些則沒有任何關系。2ndhelix-turn-helix同源異型域，一類DNA序列編碼60個氨基酸，幾乎在所有真核生物中都有。含有3個α螺旋，第2，3個螺旋成h-t-h型結構轉錄調控區（Transcriptionregulationdomain）轉錄激活區（Transcriptionactivationdomain）轉錄抑制區（Transcriptionrepressiondomain）轉錄抑制區的作用方式：與啟動子的相關位點結合后，阻止其他轉錄因子與該啟動子的結合；通過對其他轉錄因子的抑制作用而阻止轉錄；改變DNA的高級結構使轉錄不能進行。核定位信號（Nuclearlocalizationsingnal,NLS）核定位信號是轉錄因子中富含精氨酸和賴氨酸殘基的核定位區域，轉錄因子進入細胞核的過程受該區域控制。寡聚化位點（oligomerizationsite）寡聚化位點是不同轉錄因子借以發生相互作用的功能域，它們的氨基酸序列保守，大多與DNA結合區相連并形成一定的空間結構。植物中轉錄因子家族分類Jinetal.,2014NucleicAcidsResearch

PlantTFDB3.0

為什么葡萄會變紅？

參與細胞形態與模式建成的調控在擬南芥中，GL1、WER、TRY、ETC1、ETC2基因參與根毛和表皮毛的形成。2.參與激素與環境的應答擬南芥在干旱和高鹽條件下，通過調控脫落酸的含量，可以誘導Atmyb2

和Atmyb15的表達提高其耐逆性。3.參與植物苯丙烷類次生代謝途徑調節由莽草酸途徑產生苯丙氨酸，苯丙氨酸在限速酶苯丙氨酸解氨酶(PAL)的作用下，產生一系列的次級代謝產物，最終合成苯丙烷類化合物，其中類黃酮和花青素類代謝物質，是植物色素合成主要原料。Myb轉錄因子的功能MybTranscriptionFactorDubosetal.,2010,TrendsinPlantScienceHelix-turn-helix在每個MYB區域，一般都含有3個保守的色氨酸殘基（其間隔18-19個氨基酸），起著疏水核心作用，對于維持HTH的構型有重要意義。轉錄因子分析方法1.生物信息學分析常用的大型生物學數據庫NCBI、EBI和DDBJ等都能提供植物轉錄因子的相關數據。許多轉錄因子的專用數據庫：TRANSFAC關于轉錄因子在基因啟動子上結合位點的數據庫PlnTFDB

PlnTFDB是系統收錄植物轉錄因子的數據庫PlantTFDB

提供了覆蓋綠色植物主要譜系的轉錄因子，其中大部分為具有重要經濟價值的單子葉和雙子葉植物。1.1轉錄因子保守結構域的分析歐洲生物信息研究院（EBI）提供的InterProScan如果是在一系列蛋白質中尋找已知或未知的轉錄因子CD，則可利用MEME數據庫專門針對植物蛋白質建立的數據庫SALAD（）1.2轉錄因子亞細胞定位的分析轉錄因子只有在細胞核中才能發揮其功能，所以對候選轉錄因子進行生物信息學的亞細胞定位分析十分重要。根據氨基酸序列可以分析和預測蛋白質的亞細胞定位。SUBALL數據庫

可提供大量蛋白質定位的實驗數據，并通過10種不同的計算程序來計算和預測蛋白質的亞細胞定位。還有一些其他的計算軟件如：TargetP

SubLoc?Loc/WoLFPSORT

這些數據庫和軟件給植物轉錄因子亞細胞定位研究提供了極大的便利，但有時不同計算方法可能會得出不同的預測結果，最終的結論還必須通過實驗來驗證。1.3轉錄因子的表達及調控轉錄因子對下游靶基因的表達起調控作用，而轉錄因子基因自身的表達也可能受到其他調節因子的調控。和其他基因一樣，轉錄因子基因的編碼區上游含有各種順式調控元件來接受調控因子的作用。這些順式作用元件的相關數據可通過AGRISATCISDB（）PLACE（）獲得。轉錄因子分析方法2.實驗手段凝膠阻滯電泳遷移率實驗（EMSA，electrophoretic

mobility

shift

assay）：DNA在凝膠中的遷移率與相對分子質量及其構型有關。裸露的DNA與含有結合蛋白的DNA電泳時，裸露的DNA遷移率要快于后者，DNA和蛋白質復合物由于體積較大滯留在較后的位置。該方法用來研究DNA與特異性蛋白的相互作用，通常是放射性標記的DNA片段與純化蛋白，或提取物中的蛋白混合物相結合，然后在非變性凝膠中分析該產物。與游離DNA相比，蛋白-DNA復合物的遷移率將降低，因此，與游離DNA相對應，人們將觀察到帶中的“阻滯”。該方法可用于檢測DNA結合蛋白、RNA結合蛋白，并可通過加入特異性的抗體（supershift）來檢測特定的蛋白質，并可進行未知蛋白的鑒定。酵母單雜交(Yeasto