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1、DNA与蛋白质相互作用的结构特征Section 7 Structural Characteristics of Interaction between DNA and Protein反式作用因子必须与顺式作用元件相结合，才能发挥其调节基因表达的作用。反式作用因子至少含有三个功能域，即DNA结合功能域，转录活性功能域和其它转录因子结合功能域。反式作用因子的DNA结合功能域具有一些带共性的结构特征，如同源结构域、碱性亮氨酸拉链模体、锌指模体等。1. 螺旋-转角-螺旋模体Helix-Turn-HelixHTHMotif1.1 原核生物HTH模体Prokaryotic HTH Motif色氨酸阻遏因子
2、和分解产物基因激活蛋白CAP均为同二聚体，分子结构中含HTH模体，该模体由两段-螺旋和一段-转角构成但需要另外伸出的第三个-螺旋才能稳定，第二个-螺旋负责识别DNA大沟序列，故称为识别螺旋图103。图103 HTH模体的分子结构Fig 103 Molecular Structure of HTH Motif1.2 真核生物HTH模体Eukaryotic HTH Motif 同源异型结构域Homeodomain同源异型结构域的氨基酸残基序列与原核细胞类似，由三段-螺旋，环绕一个疏水核心折叠而成。所不同的是识别螺旋较长，在DNA大沟中的定向有所不同，其典型的结合位点是TATA盒图104。图104
3、同源异型结构域的分子结构Fig 104 Molecular Structure of Homeodomain MYB HTH模体MYB HTH Motif为HTH模体的变体，其结构类似于同源结构域，但其-转角由5个残基构成，识别螺旋与DNA有较长的接触面图105。图105 MYB HTH模体的分子结构Fig 105 Molecular Structure of MYB HTH Motif1.2.3 侧翼HTH模体Winged HTH Motif侧翼HTH模体是/ HTH变体，由110个保守的氨基酸残基构成/识别螺旋，另外两个翼状环结构与相邻的DNA骨架和小沟相互作用。典型的例子是肝细胞核因子-
4、3HNF-3图106。图106 侧翼HTH模体的分子结构Fig 106 Molecular Structure of Winged HTH Motif 分解产物基因激活蛋白样结构域CAP-like Domain真核生物多种转录激活因子均具有此DNA结合结构域，但与CAP不同，该结构域是以单体形式与DNA大沟结合，其结合靠水介导。典型的例子如转录因子PU.1的ETS结构域图107。图107 转录因子PU.1的ETS结构域Fig 107 ETS Domain in Transcription factor PU.11.2.5 POU结构域POU Domain该结构域由155162个氨基酸残基组成，
5、有两个独立的球状结构域：POUS和POUH。POUS位于的POUH的N-端，含多个-螺旋。两个球状结构域分别位于DNA双螺旋两侧大沟内，识别5-ATGCAAAT-3八聚碱基序列。其中，POUS结合5端ATGC序列，而POUH结合3端AAAT序列。典型的例子包括Pit-1，Oct-1、2、4等图108。图108 OCT-1和PIT-1中的POU结构域Fig 108 POU Domain in OCT-1 and PIT-1 成对结构域Paired Domain由两个球形亚结构域组成，与两个同源异型结构域相似，但不同于POU，仅N-端的亚结构域为DNA大沟的识别螺旋。该结构域见于Pax蛋白pair
6、ed box protein图109。2. 碱性亮氨酸拉链模体Basic Leucine Zipper Motif2.1 碱性区/亮氨酸拉链Basic Region/Leucine Zipper, bZIP该模体的C-末端重复序列形成左手卷曲螺旋，每间隔7个残基出现一个亮氨酸，故称之为亮氨酸拉链。模体的N-末端富含碱性氨基酸残基碱性区，与DNA的大沟特异性结合。常见的反式作用因子有：CREB、Jun、Fos、GCN4等，它们通常以同二聚体或异二聚体的形式与DNA结合图110。图110 碱性区/亮氨酸拉链模体的分子结构Fig 110 Molecular Structure of bZIP Mot
7、if2.2 碱性区/螺旋-环-螺旋/亮氨酸拉链Basic Region/Helix-Loop-Helix/Leucine Zipper, bHLH该模体由60100个保守的氨基酸残基构成，N-末端为15个残基组成的碱性区，紧随两个-螺旋中间为环区。N-末端碱性区至第一个-螺旋段为DNA特异序列结合域。常见的反式作用因子有：Myc，Max，E12，E47，MyoD-1图111。图111 碱性区/螺旋-环-螺旋/亮氨酸拉链模体的分子结构Fig 111 Molecular Structure of bHLH Motif3. 锌指模体Zinc Finger Motif3.1 C2H2型锌指C2H2 T
8、ype Zinc Finger由约30个氨基酸残基组成，序列特征为：Cys-X2-5-Cys-X12-His-X2-5-His。由12个残基构成的-螺旋，靠Zn2+与相对的-折叠结构相连。其连续存在的锌指模体识别螺旋位于DNA的大沟图112114。图112 C2H2型锌指模型Fig 112 Model of C2H2 Type Zinc Finger图113 小鼠Zif268中的C2H2型锌指模体Fig 113 C2H2 Type of Zinc Finger Motifs of Zif268 in Mus musculus图114 爪蟾TFA中的C2H2型锌指模体Fig 114 C2H2 T
9、ype of Zinc Finger Motifs of TFA in Xenopus laevis3.2 C4型核受体C4-type Nuclear ReceptorC4型核受体锌指由7080个氨基酸残基构成，其中包含两个串联的锌指模体变体；两个模体之一为-识别螺旋，另一个模体那么是不规那么的环。C4型核受体锌指结构中含8个保守的Cys，每4个Cys与Zn2+配位结合，其特征为Cys4双环-Zn2+螺旋DNA结合模体。核受体超家族的成员，如GR、ER等，具有C4型核受体锌指模体。它们通常以同二聚体的形式与DNA相结合，两个亚基的-识别螺旋分别与两个DNA大沟相结合，两个DNA结合半位点之间间
10、隔34bp图115116。图115 糖皮质激素受体中的C4型锌指模体Fig 115 C4-type of Zinc Finger Motifs in Glucocorticoid Receptor图116 雌激素受体中的C4型锌指模体Fig 116 C4-type of Zinc Finger Motifs in Estrogen Receptor核受体超家族的另一些成员，如THR，VDR、RAR等，也具有C4型核受体锌指模体，但其DNA结合结构域是不对称异二聚体，与DNA的两个无间隔的半位点结合图117。图117 RXR和THR中的C4型锌指模体Fig 117 C4-type of Zinc
11、 Finger Motifs in RXR and THR锌指模体超家族的成员总结如表6。表6 锌指模体超家族Table 6 Zinc Finger Motif Superfamily4. 双核锌簇模体Binuclear Zinc Cluster Motif此双核锌簇模体家族成员至少包括45种酵母转录因子如GAL4，PPA1，含有28个氨基酸残基构成的DNA结合结构域，序列特征为：Cys-X2-Cys-X6-Cys-X6-Cys-X2-Cys-X6-Cys。6个保守的Cys残基与2个Zn2+以配位键结合形成两个核簇，以同二聚体形式与DNA相结合图118。图118 GAL4中的双核锌簇模体Bin
12、uclear Zinc Cluster Motifs in GAL45. “溴结构域Bromodomain在许多100种转录因子或转录共激活/共阻遏因子中存在的螺旋束样的结构域，称为“溴结构域。“溴结构域可特异性识别组蛋白的乙酰化赖氨酸残基，故具有“溴结构域的蛋白质/酶通常与组蛋白的乙酰化-去乙酰化修饰作用相关图119121。图119 “溴结构域中的一致性序列Fig 119 The Consensus Sequences of Bromodomain第八节 原核基因的转录调控Section 8 Transcriptional Regulation of Prokaryotic Genes1.
13、根本概念Basic Concepts1.1 RNA聚合酶对转录起始的调控Regulation of Transcriptional Initiation by RNA PolymeraseRNA聚合酶对转录起始的调节，就是指RNA聚合酶与启动子元件相互作用的调节。各启动子的碱基序列不同，与RNA聚合酶的亲和力各异，故启动子存在强弱之分。基因的最大转录速率依赖于启动子的碱基序列。1.2 调节蛋白对转录起始的调控Regulation of Transcriptional Initiation by Regulating Proteins至少有三种不同的调节蛋白通过作用于RNAP而参与转录起始的调节
14、。 特异性因子Specific Factors特异性因子通过改变RNA聚合酶与一种或多种启动子结合的特异性来调节转录的起始。例如，原核细胞中RNA聚合酶中的亚基。在E. coli中，至少存在7种不同的亚基。它们分别与不同的启动子识别并结合，启动特异的基因转录。70亚基与典型的启动子识别并结合；30亚基与热休克应答相关基因的启动子识别并结合；54亚基与氮代谢相关基因的启动子识别并结合图122123。图122 大肠杆菌中因子对基因表达的调控Fig 122 Regulation of Gene Expression by Sigma Factors in E. coli图123 在不同细菌中因子的数
15、目不同Fig 123 The Number of Sigma Factors Varies Dramatically among Bacteria 阻遏因子Repressor阻遏因子与其特异的操作子元件O识别、结合并阻断转录过程，如Lac阻遏因子。1.2.3 激活因子Activator激活因子与其特异的DNA元件识别、结合并启动转录过程，如CAP。1.3 操纵子是转录调控的一般模式Operon is a General Model of Transcriptional Regulation在原核生物中，功能相关的假设干结构基因成串排列，由同一调控序列调控，这种基因的组织形式称为操纵子opero
16、n。操纵子的调控序列通常由操作子operator，O、启动子promoter，P和阻遏基因i等组成图124。图124 乳糖操纵子的组织结构Fig 124 Organization Structure of Lac Operon2. 乳糖操纵子Lac Operon2.1 乳糖操纵子的负调控Negative Regulation of Lac Operon介质中葡萄糖量增高Lac阻遏因子i与操作子O结合阻止结构基因转录图125。图125 乳糖操纵子的负调控Fig 125 Negative Regulation of Lac OperonLac阻遏因子为同四聚体，其DNA结合结构域含HTH模体，能识
17、别并结合操作子O的回文序列图126。图126 Lac阻遏因子的分子结构Fig 126 Molecular Structure of Lac Repressor2.2 乳糖操纵子的正调控Positive Regulation of Lac Operon当介质中乳糖浓度增高而葡萄糖浓度降低时，可对Lac操纵子产生正调控。 由异半乳糖诱导Inducing by Allolactose乳糖经半乳糖苷酶催化产生异半乳糖与Lac阻遏因子结合并诱导其构象改变Lac阻遏因子与操作子O解离促进基因转录。 由cAMP-CAP激活Activating by cAMP-CAP葡萄糖浓度降低cAMP增高cAMP与CAP
18、结合而使之激活激活的CAP与操纵子上的CAP反响元件结合使DNA双螺旋稳定性降低促进RNA聚合酶与启动子结合图127。图127 乳糖操纵子的正调控Fig 127 Positive Regulation of Lac Operon3. 阿拉伯糖操纵子Arabinose Operon阿拉伯糖操纵子由调节序列和结构基因组成：结构基因araBAD编码三个与阿拉伯糖代谢有关的酶。调节序列包括：araC基因编码C蛋白；PCaraC基因的启动子；PBAD结构基因的启动子；CAP结合位点；4个C蛋白结合位点araI1、araI2、araO1和araO2图128。图128 阿拉伯糖操纵子的结构Fig 128 S
19、tructure of Arabinose Operon3.1 araC蛋白的自身调节Auto-regulation by araC Protein当C蛋白缺乏时，C蛋白与PC结合而启动自身基因araC的转录，合成C蛋白；当C蛋白充足时，C蛋白与araO1结合而阻遏自身基因araC的转录图129。图129 AraC蛋白的自身调节Fig 129 Auto-regulation of AraC Protein3.2 葡萄糖浓度的调节Regulation by Glucose Concentration图130 启动子和的阻遏Fig 130 Repression of and PPromoters3.3 阿拉伯糖和cAMP的调节Regulation by Arabinose and cAMP阿拉伯糖操纵子的调控机制见图132。图132 阿拉伯糖操纵子的调控机制Fig 132 Regulation Mechanisms of Arabinose Operon内容总结1DNA与蛋白质相互作用的结构特征Section 7 Structural Characteristics of Interaction between DNA and Protein反式作用因子必须与顺式作用元件相结合，才能发挥其调节基因表达的作用