Lecture 12 Chromatin and Regulation of Gene Expression（Part IV）

        顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序，即能够激活或阻遏基因转录的DNA序列。具有转录激活效应的元件称为正调控元件；具有阻遏基因转录效应的元件称为负调控元件。

1. 启动子（Promoter）

        位于结构基因上游，并与RNA聚合酶识别、结合和启动转录有关的一段特殊DNA顺序称为启动子（promoter）。启动子通常由核心启动子和启动子近端元件两部份组成（图85）。

1.1 核心启动子（Core Promoter）

        核心启动子通常由起始子和Pribnow盒/Hogness盒两部份组成。DNA模板上的转录起始点，一般富含嘧啶碱基，称为起始子（initiator，Inr）。在结构基因上游的-10 ~ -45区，一般存在一段富含TA的保守序列，在原核生物中称为Pribnow盒，在真核生物中称为Hogness盒或TATA盒。

1.2 启动子近端元件（Promoter Proximal Element）

        位于结构基因上游-35 ~ -250区的保守序列，与基因表达的效率有关，称为启动子近端元件（promoter proximal element，PPE），或称为上游启动子元件（upstream promoter element，UPE），或称为上游激活序列（upstream activating sequence，UAS）。

        存在于原核生物启动子近端元件通常是–35区的保守序列，富含TTGACA序列，故称为GACA盒（图86）。存在于真核生物 –70区的启动子近端元件保守序列，一般富含GCCAAT或GGGGCGG序列，故称为CCAAT盒或GC盒（图87）。

图86 原核生物启动子的一致性序列Fig 86 The Consensus Sequences in Prokaryotic Promoters

图87 真核生物基因的启动子控制区Fig 87 Promoter Region of Eukaryotic Gene

2. 增强子（Enhancer）

        位于结构基因附近，能够增强该基因转录活性的一段DNA顺序称为增强子（enhancer）（图88）。

图88 结构基因的增强子Fig 88 Enhancers of a Structural Gene

2.1 增强子的特点（Characteristics of Enhancer）

        增强子的作用特点包括：① 在转录起始点5'或3'侧均能起作用；② 相对于启动子的任一指向均能起作用；③ 发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；④ 对异源性启动子也能发挥作用；⑤ 通常具有一些短的重复顺序。

2.2 增强子的种类(Types of Enhancer)

        ⑴ 细胞特异性增强子：能够在特定的细胞或特定的细胞发育阶段选择性调控基因转录表达的增强子称为细胞特异性增强子。例如，B细胞免疫球蛋白重链基因或轻链基因的增强子，只有在胚胎干细胞分化为B细胞时，才能对Ig基因起正调控作用。此外，α-类和β-类珠蛋白基因簇上游非编码区中均存在红细胞系特异性增强子（图89）。

        ⑵ 诱导性增强子：在特定刺激因子的诱导下，才能发挥其增强基因转录活性的增强子称为诱导性增强子。如激素反应元件（HRE）及金属应答元件（MRE）（图90）。

图90 金属硫蛋白基因启动子具有的几种结构性元件Fig 90 The Metallothionein Gene Possesses Several Constitutive Elements in its Promoter

3. 终止子（Terminator）

        位于基因编码区下游，能够终止RNA转录合成的特殊DNA序列称为终止子（terminator）。原核生物的终止子均具有回文结构，可分为依赖ρ因子和不依赖ρ因子的终止子两种类型。真核生物的终止子则与polyA尾的添加相偶联。

3.1 原核生物的终止子（Terminators in Prokaryote）

        ⑴ 依赖ρ因子的终止子：由终止因子（ρ因子）识别特异的终止信号，并促使RNA的释放（图91）。

        ⑵ 不依赖ρ因子的终止子：模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC的反转重复序列和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止（图92）。

图92 由RNA茎环结构介导的转录终止Fig 92 Transcriptional Termination Mediated by a Stem-loop Structure of RNA

3.2 真核生物的终止子（Terminator in Eukaryote）

        真核生物终止子，在mRNA前体的近3'-端处转录产生一组共同序列，即AAUAAA和GU-rich序列，为转录终止的识别位点和poly(A)修饰识别位点。在转录越过修饰点后，RNA链在修饰点处被水解切断，转录终止，随即进行加尾修饰（图93）。

图93 真核生物的转录终止Fig 93 Transcriptional Termination in Eukaryote

4. 沉默子（Silencer）

        位于结构基因附近，能抑制该基因转录表达的DNA序列称为沉默子（silencer）。沉默子是一种负性调控元件。其作用特征与增强子类似，在组织细胞特异性或发育阶段特异性的基因转录调控中起重要作用（图94~95）。

图94 球蛋白的表达时相Fig 94 Temporal Globulin Expression

图95 座位控制区的沉默子Fig 95 A Silencer may be Found in LCR

5. 绝缘子（Insulator）

        在基因组内建立独立的转录活性结构域的边界DNA序列称为绝缘子/隔离子（insulator）。绝缘子能够阻止邻近的增强子或沉默子对其界定的基因的启动子发挥调控作用。

        绝缘子的抑制作用具有“极性”的特点，即只抑制处于绝缘子所在边界另一侧的增强子或沉默子，而对处于同一染色质结构域内的增强子或沉默子没有作用（图96）。

图96 绝缘子元件阻断邻近增强子的活性Fig 96 Insulator Elements Block the Activity of Nearby Enhancers

        绝缘子由多种组分所构成，它们自主协同阻断增强子或沉默子的作用。例如，果蝇gypsy绝缘子包括12个简并结合位点与Hairy-wing阻遏因子结合，另有4个或更多结合位点与DNA结合蛋白Su(Hw)结合。但绝缘子界定结构域的机制仍不明。

        能与顺式作用元件相互作用，并调控基因转录表达的蛋白质因子称为反式作用因子（trans-acting factor）。具有转录激活作用的反式作用因子称为正调控反式作用因子；反之，称为负调控反式作用因子。

1. RNA聚合酶（RNA Polymerase）

        RNA聚合酶通过识别并结合启动子，从而启动基因的转录。由于不同结构基因启动子的碱基序列存在差异，RNA聚合酶与不同启动子之间的亲和力也不同。因此，RNA聚合酶也属于反式作用因子。RNA聚合酶在原核生物中只有一种；在真核生物中有三种，其中最重要的是RNA聚合酶Ⅱ。

1.1 原核生物RNA聚合酶（Prokaryotic RNA Polymerase）

        原核RNA聚合酶由六个亚基（α2ββ'ωσ）构成，其全酶可分为核心酶和σ因子两部分（图97，表4）。

图97 原核生物RNA聚合酶的组成Fig 97 Composition of Prokaryotic RNA Polymerase

表4 大肠杆菌RNA聚合酶的亚基组成与功能Table 4 The Subunits and Their Functions of RNA Polymerase in E. coli

1.2 真核生物RNA聚合酶（Eukaryotic RNA Polymerases）

        真核生物的三种RNA聚合酶均是由多亚基构成的寡聚酶，其亚细胞定位，对α-鹅膏蕈碱的敏感性及催化活性均不同（表5，图98）。

        真核生物RNAP Ⅱ最大亚基的分子结构具有其独特的羧基末端结构域（carboxyl terminal domain, CTD），该结构域由7个氨基酸残基（Y-S-P-T-S-P-S）的重复序列（26~52次）所构成。已知存在不同的CTD激酶（kin28，Ctk1），分别催化其S2或S5的磷酸化修饰。这些CTD激酶的活性改变均与细胞周期素浓度改变相关。

        真核RNAP Ⅱ的CTD结构不仅是转录和转录体加工类复合物装配的平台；其不同位点的磷酸化/去磷酸化修饰，对转录的起始、延伸、终止及转录体加工均具有重要的调节作用。

2. 转录因子（Transcription Factor）

        能与核心启动子特异性结合，并启动基因转录的调节蛋白称为转录因子（transcription factor，TF）。转录因子一般是指参与构成基础转录装置所需的蛋白因子，故又称为普通/基础转录因子（general TF, GTF）。真核生物中的三种RNA聚合酶都有其对应的转录因子，其中最重要的是TFⅡ类转录因子。

2.1 TFⅡ-D：

        TFⅡ-D由τ亚基（又称为TATA盒结合蛋白，TBP）与另一转录共激活因子——TBP相关因子（TAFⅡS）所构成。其中，τ亚基能识别核心启动子的TATA盒序列，并指导转录预始复合物（PIC）的装配。

        TBP（τ亚基）识别DNA双螺旋小沟富含AT的靶序列，导致DNA和TBP的构象改变，DNA弯曲的小沟进入TBP的8圈β-折叠形成的大凹面而结合在一起（图99）。

2.2   TFⅡ-B：

        TFⅡ-B是在TFⅡ-D之后进入PIC的第二个普通转录因子。可促进TFⅡ-D与RNA聚合酶Ⅱ的结合，决定转录起始点，分子结构中含锌指模体（图100）。

2.3   TFⅡ-A：

        TFⅡ-A的作用是稳定TFⅡ-D与RNA聚合酶Ⅱ复合物，分子结构中含锌指模体，对真核基因具有特异性（图101）。

3. 转录调节因子（Transcription Regulator）

        能够识别并结合上游激活序列和远端增强子/沉默子序列，并通过特异的蛋白质-蛋白质相互作用以调节基因转录效率的蛋白因子称为转录调节因子（transcription regulator）。其中，能激活基因转录的蛋白因子称为转录激活因子。反之，称为转录阻遏因子。转录激活（阻遏）因子常常直接与普通转录因子相互接触，而调节RNA聚合酶的活性以影响基因转录。

3.1 核受体超家族（Nuclear Receptor Superfamily）

        核受体超家族成员多属于转录激活因子。核受体与相应的反应元件结合，并与染色质重建复合物、染色质共价修饰酶类及转录调节因子相互作用，调控基因的表达。

3.2 GC盒特异的结合蛋白（GC-box Specific Binding Protein）

        如SpⅠ（upstream stimulatory factor 1） ，含锌指模体及富含Gln结构域，可与GC盒特异结合，并与其他激活因子相互作用。

3.3 CCAAT盒特异的结合蛋白（CCAAT-box Specific Binding Protein）

        如CTF和C/EBP。CTF（CCAAT transcription factor），DNA结合区可能为α-螺旋，转录激活结构域富含Pro残基。C/EBP（CCAAT enhancer binding protein）以亮氨酸拉链形成的二聚体与DNA结合，转录激活结构域有两个。

3.4 上游激活序列特异的结合蛋白（UAS Specific Binding Protein）

        如GAL4蛋白，其DNA结合结构域含双核锌簇模体，转录激活结构域富含酸性氨基酸残基。GAL4蛋白以二聚体形式与结构基因的上游激活序列（UAS）/启动子近端元件特异结合，作用于RNAP Ⅱ或TFⅡ-D，调节基因表达（图102）。

4. 转录共调节因子（Transcription Co-regulators）

        不与顺式作用元件直接结合，而是通过蛋白质-蛋白质之间的间接作用，影响转录因子或转录激活（阻遏）因子的构象，从而调控基因转录的蛋白因子称为共调节因子。如能使基因转录增强，则称为共激活因子；反之，则称为共阻遏因子。

        TAF（TBP-associated factor）为Ⅱ型核心启动子的TBP相关转录激活因子。TAF的种类较多，不同的TAF与τ亚基组成的TFⅡ-D可启动不同结构基因的表达。除此之外， TAF也参与组成染色质重建复合物、HAT复合物等。

4.2 与核受体相关的共调节因子（Co-regulators Related to Nuclear Receptors）

        包括：CBP（CREB binding protein）；PCAF（p300/CBP-associated factor）；TIF-2（transcriptional intermediary factor 2）；SRC（steroid receptor coactivator）；ACTR（activator of thyroid and retinoic acid receptors）等。其特点是具有组蛋白乙酰化酶活性；当配体存在时，核受体与相关激活因子相互作用而激活转录。

4.3 与上游因子刺激活性相关的共调节因子（Co-regulators Related to Upstream Factor Stimulatory Activity, USA）

        共激活因子如PC1~6（positive component），与单链DNA的亲和力较高，可能与解开DNA双链的开放启动子结合，刺激转录活性。共阻遏因子如NC2（negative component）、NC4，通过与TFⅡ-A竞争结合TBP而阻遏转录。

5. 转录介导因子（Transcription Mediator）

        转录介导因子（介质）是具有传感、整合和加工等多种功能的蛋白复合物。转录介导因子通常不直接与特异的DNA元件结合，而是将激活因子-增强子或其他调节因子的信号传递给RNAP Ⅱ核心装置，或者调控RNAP Ⅱ–转录调节因子之间的信号转换。