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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-Helix（HTH）Motif）
1.1 原核生物HTH模体（Prokaryotic HTH Motif）
色氨酸阻遏因子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α-螺旋和一段β-转角构成（但需要另外伸出的第三个α-螺旋才能稳定），第二个α-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 Motif
1.2 真核生物HTH模体（Eukaryotic HTH Motif）
1.2.1 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α-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 同源异型结构域的分子结构
Fig 104 Molecular Structure of Homeodomain
1.2.2 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β-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 Motif
1.2.3 侧翼HTH模体（Winged HTH Motif）
侧翼HTH模体是α/β HTH变体，由110个保守的氨基酸残基构成α/β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-3γ（HNF-3γ）（图106）。

图106 侧翼HTH模体的分子结构
Fig 106 Molecular Structure of Winged HTH Motif
1.2.4 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.1
1.2.5 POU结构域（POU Domain）
该结构域由155~162个氨基酸残基组成，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α-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
1.2.6 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（paired box protein）（图109）。

2. 碱性亮氨酸拉链模体（Basic Leucine Zipper Motif）
2.1 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 Motif
2.2 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60~100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α-螺旋（中间为环区）。N-末端碱性区至第一个α-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 Motif
3. 锌指模体（Zinc Finger Motif）
3.1 C2H2型锌指（C2H2 Type 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α-螺旋，靠Zn2+与相对的β-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112~114）。

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TFⅢA中的C2H2型锌指模体
Fig 114 C2H2 Type of Zinc Finger Motifs of TFⅢA in Xenopus laevis
3.2 C4型核受体（C4-type Nuclear Receptor）
C4型核受体锌指由70~80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α-识别螺旋，另一个模体则是不规则的环。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α-识别螺旋分别与两个DNA大沟相结合，两个DNA结合半位点之间间隔3~4bp（图115~116）。

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 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 Superfamily

4. 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
Binuclear Zinc Cluster Motifs in GAL4
5. “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119~121）。

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 Genes
1. 基本概念（Basic Concepts）
1.1 RNA聚合酶对转录起始的调控（Regulation of Transcriptional Initiation by RNA Polymerase）
RNA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。
1.2.1 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σ亚基。
在E. coli中，至少存在7种不同的σ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。σ70亚基——与典型的启动子识别并结合；σ30亚基——与热休克应答相关基因的启动子识别并结合；σ54亚基——与氮代谢相关基因的启动子识别并结合（图122~123）。

图122 大肠杆菌中σ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σ因子的数目不同
Fig 123 The Number of Sigma Factors Varies Dramatically among Bacteria
1.2.2 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，功能相关的若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（operon）。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 Operon
2. 乳糖操纵子（Lac Operon）
2.1 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 Operon
Lac阻遏因子为同四聚体，其DNA结合结构域含HTH模体，能识别并结合操作子（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 Repressor
2.2 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。
2.2.1 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。
2.2.2 由cAMP-CAP激活（Activating by cAMP-CAP）
葡萄糖浓度降低→cAMP增高→cAMP与CAP结合而使之激活→激活的CAP与操纵子上的CAP反应元件结合→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 Operon
3. 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：①结构基因（araBAD）——编码三个与阿拉伯糖代谢有关的酶。②调节序列——包括：araC基因——编码C蛋白；PC——araC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 Structure of Arabinose Operon
3.1 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 Protein
3.2 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 PPromoters
3.3 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