MIT Molecular Biology 笔记6 转录的调控

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教材 Molecular biology of the gene 7th edition J.D. Watson et. al

转录的调控

原核生物的转录调控

一、转录调控原理

1、基因表达由调控蛋白控制

激活因子 activator
抑制因子 repressor

　　它们通常都是DNA结合蛋白

2、大多数的激活因子和抑制因子在转录起始水平发挥作用

　　①协同结合

本底水平basal level（组成型表达constitutive expression）
- 聚合酶在偶然状态下自发结合启动子引起的表达
激活因子就是促进聚合酶和启动子的结合

激活因子的一个表面结合启动子附近DNA位点，另一表面结合聚合酶，将聚合酶募集（recruitment）至启动子附近
E\'coli就是这种方式

抑制因子结合与聚合酶重合的地方抑制转录（操纵子operator）

　　②变构

激活因子刺激聚合酶形成开放复合体（glnA启动子中 NtC)
激活因子引起启动子DNA构象改变开放复合体 (merT启动子中 MerR）
抑制因子抑制逃离（malT基因表达）

　　③远程激活

通过弯曲环化较远距离激活，或者阻碍激活

　　蛋白与DNA的特异性结合依赖helix-turn-helix与大沟的作用

　　协同结合和变构在调控中起到多种作用

信号的整合
特异信号控制调控因子

　　** 抗终止作用及其延续：基因调控不仅局限于转录起始调控

二、原核生物转录起始的调控

1、

激活因子 Cap（catabolic activator protein）
- 是一种cAMP受体蛋白
抑制因子 Lac抑制因子
- 结构性表达
葡萄糖缺乏时，Cap相应，结合上游位点
乳糖充足时， lac抑制因子没有活性

2、大概的机理

Cap促进RNA聚合酶结合lac启动子
- Cap招募聚合酶
- lac基因缺乏-35 区，拥有UP-element
- Cap二聚体的结合位点位于大约-60区（UP-element）
Lac repress 抑制聚合酶结合

Lac repress 占据了聚合酶的结合位点

lac启动子缺乏-35 区，拥有UP-element，这是激活因子控制的启动子的典型特征

3、Cap的结构：具有独立的激活表面和DNA结合表面

CAP-αCTD-DNA形成三聚体才能激活转录

正控制：Positive control，PC

研究此问题时，一个CAP与RNA聚合酶接触的激活区氨基酸发生替换的突变体叫做正控制突变体

转录因子旁路实验证明了激活因子仅是协助聚合酶结合启动子

CAP与αCTD 被换
αCTD被换成DNA结合物（CAP）
增加聚合酶浓度

4、调控因子（包括CAP和Lac抑制因子）以结构模体结合DNA

蛋白质以同源二聚体形式结合到反向重复序列位点上
每一个单体结合一个半位点
这一种结合依靠 helix-turn-helix识别特异DNA序列

一个α螺旋嵌入大沟
另一个α螺旋横跨大沟与主链相联系处
如此保证识别螺旋出现在正确位置，增加相互作用结合能

　　特殊地

Lac 以四聚体的方式结合，出现环化
helix-turn-helix 外区域也会与DNA互作
蛋白质可能导致DNA弯曲

5、Lac repress 与 CAP 的活性由信号触发的变构控制

Lac repress

细胞本底表达lacZ编码的半乳糖苷酶
乳糖lactose进入细胞内异构成别乳糖
别乳糖使得 Lac repress 变构失活

葡萄糖glucose 减少， cAMP增多
cAMP 与 CAP形成复合物，变构，活化，结合DNA

6、组合控制： CAP也控制其他基因？？？？？？？？？？？？？？？

7、选择性的σ因子指导聚合酶选择性地结合启动子

σ³²：

热刺激
σ³²mRNA高效翻译
蛋白质瞬间稳定
启动相关保护基因的转录

噬菌体SPO1一系列选择性σ让基因有序表达

8、NtrC 直接刺激聚合酶促使形成开放复合物

低氮刺激 N突然C磷酸化
NtrC暴露DNA结合域
结合到上游位点，并与σ54作用，启动转录
- NtrC有ATPase活性，为开放复合体形成提供能量
需要IHF让DNA弯曲，这是一种远程激活

9、MerR使DNA链扭转促使形成开放复合物

汞使MerR在DNA链背面结合
扭曲DNA
使得-10与-35区分布合理
- merT的-10与-35元件相隔19bp而不是15-17，σ因子难以很好促进转录起始

10、有些抑制因子通过滞留聚合酶来抑制

E.Coli的 gal抑制因子在没有半乳糖（galactose）的时候，与聚合酶相互作用，抑制向开放复合物的转变

11、AraC 与 CAP一起对araBAD操纵子的控制（双控制）

AraC 通过与调控区不同的结合方式开进行开启和抑制
没有阿拉伯糖时，I₂位点没有结合，不能转录
此启动子也受CAP控制，最后，在拥有阿拉伯糖且缺乏葡萄糖时被启动
araBAD启动子常被用作表达载体 expression vector

三、λ噬菌体的调控实例

1、λ噬菌体的生长和诱导

裂解生长 lytically
- P_RM关闭；P_R，P_L开放
溶原生长 lysogenically
- P_RM开放；P_R，P_L关闭

2、λ噬菌体的基因组

3.调控蛋白及结合位点

λ Repressor

与O_R1亲和力强
- 通过协同结合，结合O_R1 O_R2
λ repress 拥有抑制P_R启动子的能力
- 占据聚合酶位点
λ噬菌体可以激活P_RM启动子
- 通过募集

Cro ，Control of repressor and other thing

与O_R3亲和力强
抑制P_RM启动子

占据位点

4、λ抑制因子和 Cro 以不同模式结合控制溶原和裂解生长

起初 λ repressor 抑制Cro转录，促进cl转录

cl转录产物正反馈于此作用
λ repressor 太多会阻碍O_R3以负反馈

诱导后（噬菌体在危机环境逃离细胞）
表达的RecA切割 λ repressor，解除其作用
Cro表达，抑制cl转录

抑制因子的负自我调控需要远程相互作用

O_R2-O_L2，O_R1-O_L1的八聚体作用，形成环化

这样方便了O_R3，O_L3被λ repressor的结合，

这样严格的控制了λ repressor的表达在一定的窗口内

repressor过少难以抑制裂解

repressor过多，阻碍了向裂解的转化

5、λ cII 另一种控制溶原、裂解的因子

抑制因子的合成由一个启动子的转录来确立
接着由另一启动子维持

PR，PL是强启动子，会结构性表达
PRM是弱启动子，需要因子帮助

刚感染的噬菌体，PR，PL结构性表达
表达的cII 激活P_RE启动子
表达出cl 生成的 λ repressor 关闭 P_R，P_L启动子
溶原状态

E.Coli 的生长条件控制C II 的稳定性，控制裂解、溶原的选择

一群健康生长的细菌中，FtsH使得cll降解

进入裂解，感染更多细菌

生长环境恶劣，cll作用
- 进入溶原，保持原有状态

6、转录抗终止作用（antitermination）

λ噬菌体侵入细菌后，整合进入细菌染色体，并且利用细菌的启动子
λ噬菌体的基因位于细菌基因终止子下游
利用转录抗终止作用来转录噬菌体蛋白

细菌的rRNA基因转录也有抗终止，以防止在发夹处终止（见genes XII 17.22）

7、逆向调控：RNA合成和稳定性控制相互影响并且决定基因表达

真核生物的转录调控

一、

真核生物的转录调控更为复杂，除了原核拥有的调控方式外，还有
核小体及其修饰物
更多的调控因子和更密集的调控序列
- 转录系统结合位点：启动子
- 调控因子单一结合区域：调控因子结合位点
- 基因上包含所有调控因子结合位点的DNA片段：调控因子序列
- 增强子enhancer和绝缘子insulator

二、从酵母到哺乳动物转录的保守机制

1、激活因子DNA结合与激活功能分离

酵母Gal4二聚体的结合域激活域相分离
与GAL1基因上游的四个UAS_G序列结合
域交换实验说明，结合域只要将激活域带到启动子，就能启动

双杂交实验

2、结合域：识别原理与细菌大致相同

有和细菌类似的同型二聚体

有的使用异二聚体，以增加可使用的范围
有的使用单体
一搬不改变DNA构相

①同型结构域蛋白质（homeodomain）

结构细节不同物种差异很大
右图

3为识别螺旋
1中伸出一臂，与小沟特异性结合

②含锌DNA结合域

锌原子与氨基酸残基作用，起到稳定作用
有些蛋白质有多个锌指结构，每个锌指以α螺旋嵌入大沟中，增加识别序列长度

③亮氨酸拉链结构

两个长的alpha螺旋形成钳形结构，将DNA夹于其中
每个α螺旋嵌入大沟一半的转折部分
二聚化由某一部位的疏水残基（如亮氨酸）疏水作用介导的
有亮氨酸拉链的蛋白质经常形成同型二聚体

④螺旋-环-螺旋蛋白

二聚体的每一个单体由大helix与小helix以非刚性的环分离
这两个环容许两结构靠近

⑤快速泳动蛋白

其高度保守肽链AT hooks与小沟作用
显著改变DNA构相

3、激活域的结构不确定性

激活域与靶点结合时会诱导成为螺旋结构
激活域由许多重复的具有弱小激活能力的小单元构成

缺乏整体上的结构
酸性特征模式
疏水残基
p695

三、通过真核生物激活因子的募集结合基因的蛋白复合物

　　以募集为主，也有少数直接作用

募集核小体修饰成分，开启启动子
募集一般转录因子复合物（中介蛋白等）
募集刺激Pol II起始延伸的复合物（pTEFb/SEC）

1、激活因子募集转录装置到基因上

激活因子募集一个或多个复合体
其他没有募集的，则和以募集的结合，协同作用
大部分转录装置是在激活后才装载的

CHIP-Chip 和 CHIP-Seq是鉴别增强子的最佳方法

2、激活因子也募集核小体修饰物来帮助转录装置结合到启动子上

　　两种方式

增加组蛋白尾端化学基团（组蛋白乙酰转移酶）
- 改变组蛋白末端与核小体的相互作用，松弛了染色质结构
- 乙酰化的组蛋白易于与 TFIID 等的同源调节域(bromdomain)
  结合
替换\重塑核小体（SWI/SNP）
- 暴露核小体内部的结合位点

　　转录与特定的装置和修饰的关系

需要特定的组分和修饰
某些组分和修饰能提高效率
对组分和修饰的需求和特定环境有关

3、某些启动子上激活因子募集另一个因子来进行有效的起始和延伸

果蝇的热应激与转录抗终止：

转录在下游停滞
热应激：第二激活因子HSF募集P-TEF
P-TEFb通过磷酸化CTD释放停滞的聚合酶

聚合酶暂停现象是普遍的：人的发育分化阶段

组蛋白修饰，转录延伸和白血病

暂停和再激活有助于保持启动子少核小体并时刻准备快速诱导

4、远距作用：环与绝缘子

　　原理

一种模型: Chip蛋白与DNA相互作用，DNA形成许多小环，使启动子离增强子更近
绝缘子控制激活因子的行动，使得适当的启动子被激活（或沉默）
- 绝缘子抑制染色质修饰的展开

5、某些基因群的正确表达需要位点控制区域（locus control region）

转录装置被募集到LCR
随着转录的前行，打开染色质
释放局部控制元件
这些单个启动子随后产生每个基因所需的高水平表达

四、信号整合与组合控制

1、激活因子协同作用促进信号整合

多个激活因子联合作用：协同作用

产生 1+1>2 的效果

协同的三个来源：
- 多个激活因子各募集转录装置的同一组分
  - 中介蛋白的募集
- 募集不同组分
- 多个激活因子相互帮助与调控基因上游位点结合
  - 协作结合，如右图
  - 两个一起结合
  - 在第三者的帮助下结合
  - 第一个蛋白使染色质变构，促结合
协同使得多个激活因子存在时，基因才能表达