转录调控网络张年辉 卿人韦 吴俊

2002 年 10 月 21 日

一．转录与转录因子 （一）．转录所需的结构组件

顺式反式

（二）．转录因子：1 ．概念：又称为反式作用因子，是能够与真核基

因启动子区域中顺式作用元件发生特异性相互作用的 DNA 结合蛋白，通过它们之间以及与其他相关蛋白之间的相互作用，激活或抑制转录。

2 ．结构：一般由 DNA 结合区、转录调控区、寡聚化位点以及核定位信号四个功能区域组成。

①DNA 结合区：指转录因子识别 DNA 顺式作用元件并与之结合的一段氨基酸序列。

常见的 DNA 结合区及其结构特征： DNA 结合区 结构特征 碱性区 - 亮氨酸拉链 由 60 ～ 80 个氨基酸残基组成，包括一个由 25 个氨基酸残基的富含碱 性氨基酸的区域和一个亮氨酸拉链区 锌指结构 由 30 个氨基酸残基组成，含两个保守的半胱氨酸残基和 / 或两个组氨 酸残基，它们在四级结构上与锌离子结合 MADS 约 56 个氨基酸残基组成，含有 1 个长的 α- 螺旋和两个 β- 链碱性 - 螺旋 - 环 - 螺旋 含有两个相连的基本亚区，其中碱性氨基酸区与 DNA 结合有关，螺 旋 - 环 - 螺旋区参与二聚体形成 homeo 结构域 约 60 个氨基酸残基组成的折叠成球形的结构域，含有 3 或 4 个 α- 螺旋 AP2/EREBP 约 60 个氨基酸残基组成，含有 3 个平行的 β- 折叠和 1 个双亲性 α-螺旋 MYB 结构域 含有 1 ～ 3 个有 51 ～ 53 个氨基酸组成的呈螺旋 - 转折 - 螺旋构象的不完 全重复序列，每个重复都含 3 个保守的 Trp 残基 AT- 钩基序 含有 1 个 R(G/P)RGRP 共有核心序列，通过 RGR 区与富含 A/T 的区域 小沟结合 三螺旋 富含碱性、酸性以及脯氨酸 / 谷氨酸，呈螺旋 - 环 - 螺旋 - 环 - 螺旋构象 HMG 盒 由 3 个 α- 螺旋组成的“ L” 形区，两臂张开约呈 80°

B3 VP1 和 AB13A C- 末端含 120 个氨基酸残基的保守序列 ARF 结构域 由 350 个氨基酸残基组成的类似 B3 的序列

②转录调控区 转录激活区： 转录抑制区 : ③核定位信号区：转录因子中富含精氨酸和赖氨酸残基 的核定位区域，转录因子进入细胞核的过程受该区段 控制； ④寡聚化位点：不同转录因子借以发生相互作用的功能 域。 （三）转录因子的表达、活性及调控作用： 1 ．编码转录因子的表达受细胞发育、外界环境等因素 的调节； 2 ．转录因子的活性受转译后修饰、在细胞中的位置、 以及与其他蛋白之间的相互作用等因素的影响；

3 ．在生长发育过程中，植物对各种环境、组织和发育 信号作出反应，这就要求对各种功能基因的表达进 行精确的调控。而转录因子在基因的表达调控中起 关键作用。 二．酿酒酵母中的转录调控网络 （一）研究方法： 全基因组位点分析，又称为全基因组结合分析

（ genome-wide location analysis or genome-wide binding analysis ）。

1 ．步骤：甲醛固定细胞，收集，超声裂解细胞→用特 异的抗体进行免疫沉淀以富集与某一蛋白交 联的 DNA 片段→去除交联，用连接介导的多 聚酶链式反应

（ ligation-mediated-polymerase chain reaction ， LM-PCR ）扩增富集的 DNA 并用荧光染料（ Cy5 ，红色）标记，未被免疫沉淀富集的 DNA 在另一荧光染料（ Cy3 ，绿色）存在的情况下进行 LM-PCR→ 与含所有酵母基因间序列的单个 DNA微阵列杂交。（ For details, please find at the following two web sites: www.sciencemag.org/cgi/content/full/290/5500/2309/DC1; http://web.wi.mit.edu/young/location. ）

图 1 ：酵母全基因组位点分析方法

2 ．结果处理： single-array error model. 对杂交结果进行光密度扫描→得到相对结合比率，用

single-array error model 去除噪声，计算其置信值→三次独立试验结果经加权平均处理得到该蛋白与微阵列上的每一序列的结合能力。

图 2 ：全基因组位点分布鉴别方法

3 ．确定 P值的阈值范围：

图 3 ： P值对调控因子 - 启动子相互作用频率的影响

特点：可以鉴别由一个细胞的基因组编码的每一个转录因子在体内结合的一系列的目标基因。但需要获得一个物种的全基因序列，特别是调控序列。

（二）结果 1 ．转录调节因子与启动子的相互作用方式

图 4 ：转录调节因子在整个基因组的分布

2 ．网络组件

特点：1. 真核生物中仅占较少的比例（酵母中约为 10% ，且在较低的 P 值下其比例也不会发生明显的改变。而在原核生物中，这种形式的调节方式占到多数（如大肠杆菌中可占到52%～ 74% ）。2 ．该种调节方式具有如下一些优势，包括可以减少对环境刺激发生响应的时间，减少生物合成过程中在调节上的“花费”，增加基因表达的稳定性。

特点： 1. 真核生物中所占比例较小，

而在原核生物中尚未发现。 2 ．使得反馈控制成为可能，

而且能够产生生物稳定系统，该系统可以在两种相互变化的状态间进行转换。

特点： 1 ．该种调节方式在

酵母转录调控网络的进化中是非常有用的。

2 ．作为一种对持续输入而非暂时输入敏感性的开关。它可以作为一种时间机制对某一过程进行控制。它可能还提供了一种多步骤的超敏感性的形式。

特点： 对于协调某

一 生 物 功 能中 各 个 分 离单元 的协同表 达 是非常有用的。

特点： 可以协调

在许多 生长条件下的 基 因 表达。

特点： 酵母的调节因子大多是以这种方式发生作

用的，多见于细胞周期调控因子。它可以使得顺序的转录事件在时间上前后继起。

3 ．网络组件组装成为转录网络 （ 1 ）方法：将全基因组位点分析数据与基因表达 结果结合起来。 （ 2 ）实例：细胞周期的调控网络。目的： Our goal was to determine whether the computational approach would construct the regulatory logic of the cell cycle from the location and expression data whithout previous knowledge of the regulators involved.

图 5 ：细胞周期的转录调控网络

4 ．细胞复杂生理及代谢过程的协调

图 6 ：转录因子与编码其它转录因子基因结合所形成的复杂网络

结论： 1．本研究鉴别了在酵母中具有不同调控能力的调

控网络单元，表明酵母在进化过程中选择性地形成了不同的调控机制与策略；

2．在对调节因子功能还缺乏必要先期了解的情况下，通过全基因组位点分析及表达情况的结合，可以了解调控单元是如何组建成大的调控网络的；

3．控制其它转录调节因子的转录调节因子网络是高度联系的，表明调控网络各个子系统之间在转录水平上是协调统一的，由此将细胞复杂生理及代谢过程也协调统一起来。

谢 谢 大 家！