分子生物学 第 7 章 第 2 节：真核基因表达的转录调控

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7.2.1 真核与原核基因表达全过程的差异

1️⃣ mRNA

真核细胞：单顺反子 原核细胞：多顺反子

2️⃣ DNA 结构

真核细胞：DNA 与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分 DNA 是裸露的 原核细胞：拟核、质粒，裸露

3️⃣ 转录与翻译

高等真核细胞：DNA 中大部分不转录，且存在不被翻译的内含子（断裂基因） 原核细胞：无内含子

4️⃣ 发育调控

真核生物：能有序地根据生长发育阶段的需要进行 DNA 片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数 原核生物：（没点过这个科技树）

5️⃣ 转录调节区

真核生物：基因转录的调节区很大 原核生物：转录的调节区很小

6️⃣ 空间间隔

真核生物：RNA 在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质（区室化） 原核生物：边转录边翻译，无严格的空间限制

7️⃣ 转录后加工

真核生物：基因只有经过复杂的成熟核剪接过程，才能被顺利翻译成蛋白质 原核生物：无转录后加工

7.2.2 真核基因的一般结构特征

[!NOTE] 基因转录调节的基本要素

• 顺式作用元件 cis-acting elements （一段 DNA 序列）
• 反式作用因子 trans-scting factors （RNA 或蛋白质）
• RNA 聚合酶 RNA polymerase

• 顺式作用元件：是指启动子和基因的调节序列

  1. 启动子 promoter
  2. 增强子 enhancer
  3. 沉默子 silencer
  4. ……

• 反式作用因子：能够结合在顺式作用元件上调控基因表达的蛋白质或 RNA

[!TIP] RNA 聚合酶

• 具体参看：🔗 [[MMB 03-4 RNA 聚合酶、RNA 转录及其抑制剂]]
• 原核生物：只有一种 RNA 聚合酶
• 真核生物：有三种 RNA 聚合酶。其中，只有 RNA 聚合酶Ⅱ才能转录 mRNA 前体（hnRNA）

7.2.3 顺式作用元件

1）启动子

• 真核基因启动子 = 核心启动子 + 上游启动子
• 启动子是决定 RNA 聚合酶Ⅱ转录起始点和转录频率的关键元件

核心启动子 core promoter

• 保证 RNA 聚合酶Ⅱ转录正常起始所必需的、最少的 DNA 序列
• 单独起作用时，只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录
• 包括：a）转录起始点；b）转录起始点上游 -25 ～ -30 bp 处的 TATA 盒（TATA box）

上游启动子元件 upstream promoter element，UPE

• 能通过 TFⅡD 复合物调节转录起始的频率，提高转录效率
• 包含：通常位于 -70 bp 附近的 CAAT 盒和 GC 盒等

2）RNA 聚合酶Ⅱ

是一类能够直接或间接与启动子核心序列 TATA 盒特异结合，并启动转录的调节蛋白

7.2.4 增强子 enhancer

增强子：能使与它连锁的基因转录频率明显增加的 DNA 序列

增强子的特性

1. 增强效应十分明显
2. 增强效应与其位置和取向无关
3. 大多为重复序列，一般长约 50 bp，适合与某些蛋白因子（特异性的转录因子）结合
4. 其增强效应有严密的组织和细胞特异性
5. 没有基因专一性
6. 许多增强子还受到外部信号的调控
7. 功能受 DNA 双螺旋空间构象的影响

7.2.5 反式作用因子

反式作用因子：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质

• 反式作用因子的分类
  1. 具有启动子元件功能的基本转录因子 ▶️ 属于转录因子
  2. 能识别增强子或沉默子的转录调节因子 ▶️ 属于转录因子
  3. 共调节因子 co-factor/transcriptional regulator （不需要通过 DNA-蛋白质相互作用就能参与转录调控）

转录因子 transcription factor，TF

• 能识别并结合转录起始点的上游序列或远端增强子元件
• 通过 DNA-蛋白质相互作用而调节转录活性
• 决定不同基因的时间、空间特异性表达
• 包括：转录激活因子 transcription activator 和转录阻遏因子 transcriptional repressor

[!NOTE] 甾醇类受体通常都是转录因子，其 N 端都有保守的 DNA 结合域，C 端都有激素结合域

共调节因子

• 本身无 DNA 结合活性
• 通过蛋白质-蛋白质相互作用影响转录因子的分子构象，从而调节转录活性
• 包括：共激活因子（与转录激活因子有协同作用）和共阻遏因子（与转录阻遏因子有协同作用）

a）DNA 识别或结合结构域

1. 螺旋-转折-螺旋结构 helix-turn-helix，HTH
2. 锌指结构 zinc finger
   • 包括：锌指、锌钮、锌簇结构
   • 有锌参与时才具备转录调控活性
   • 与 DNA 结合牢固，特异性高
3. 碱性-亮氨酸拉链 basic-leucine zipper，bZIP 结构
   • 能与 CCAAT 区和病毒的增强子结合
4. 碱性-螺旋-环-螺旋 basic-helix/loop/helix，bHLH 结构
   • bHLH 类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，才具有足够的 DNA 结合能力

b）转录活化/激活结构域

[!WARNING] 是否具有转录活化域成为反式作用因子中唯一的结构基础

特征性结构

1. 带负电的螺旋结构（稳定转录起始复合物）
2. 富含谷氨酰胺 Gln 的结构
3. 富含脯氨酸 Pro 的结构

7.2.6 转录复合物

分为三个部分

7.2.7 TALENs （转录激活因子样效应子核酸酶）技术

• 原理：顺式作用元件和反式作用因子间相互作用
• 核心功能：核心功能是通过人为设计特定的蛋白质工具，找到并切割生物 DNA 上的目标位置，从而实现对基因的修改（比如修复错误基因或关闭有害基因）
• Pros：比早期的 ZFN 技术更灵活，设计相对简单，且精准度较高
• Cons：设计合成比 CRISPR 更耗时费力，成本也更高，因此目前逐渐被CRISPR技术取代