互动科普

我们的基因活性是受在DNA上组装的、结构复杂的蛋白质复合体严密调节的。这些组件的正常运行受到干扰就能导致疾病。

气喘、癌症、心脏病、免疫障碍和病毒感染显然是根本不同的诱因所引发的。不过，它们具有一个惊人的共同特征。所有这些病症在很大程度上都源自一种或多蛋白质的过量生产或不足，这些蛋白质分子执行着体内的大多数反应。这种认识最近已为下述研究提供了新的紧迫感，即了解并最终操纵这种有吸引力的、调节蛋白质合成中主要步骤的基因转录之生物化学机构。要产生一个蛋白质，规定其组成的基因必须从DNA转录（或拷贝）成信使RNA链，这种信使RNA链再作为模板而制造蛋白质。

即便在把治疗作为一个目标之前，转录由于另一个原因早已吸引住了众多的科学家：了解怎样调控这个过程的知识可望弄清楚生命的某些核心秘密。机体内的每个细胞含有相同的基因组（染色体组），即由大约150000个基因组成的一个整体，它形成人的蓝图。生物体的原始细胞——受精卵是如何形成无数细胞类型（每种细胞类型使用这些基因的多少有些不同的亚单位群以产生不同的蛋白质混合体）的呢？而完整地形成了的机体的细胞是如何根据其自身的需要和更大的生物体的需要去保持、增加和减少它们制造的蛋白质总量的？

为了回答这些问题并设计能够调节分子转录的药物，研究人员需要了解控制解读人体细胞遗传密码的装置的组成。经过大约25年的探索后，这些装置的总的结构正在弄清，加州大学伯克利分校我的实验室的研究和其他研究所的工作已表明，一部分装置——驱动大多数（如果不是全部的话）人体基因转录的发动机——是由大约50种不同的蛋白质组成的。在特定的RNA聚合酶能够开始将DNA拷贝成信使RNA之前，这些蛋白质必须组装成DNA上致密的复合体。这些已被公认的组成成分现在已在试管内组合起来，以形成完全可以运行的转录发动机。还有一些蛋白质主要是插入发动机上的插口中，而这样做时，就给它“编了程序”，吿知它哪些基因应被转录以及转录得多快。同时亦显现出这些相互作用的关键的细节。

来自细菌的线索

当我的合作者和我在伯克利分校于70年代末期开始集中于人的基因之研究时，关于我们细胞中的转录机构还几乎一无所知。但70年代所开始的研究已提供了原核生物——细菌和其它缺乏定形核的原始单细胞生物的非常清楚的转录的情景。此项研究最终对人和其他真核生物（有核的生物）的细胞提供了深入的认识，并有助于确定对几乎所有生物来说都是正确的转录特征。

用细菌进行的研究表明，基因基本上是分成两个功能完全不同的区域。编码区负责规定必须彼此连在一起以构成特定的蛋白质之氨基酸顺序。这种顺序是由DNA双螺旋的一股链中之核苷酸（DNA的组成模块）明确指定的；核苷酸之间彼此以它们携带的富含氮的碱基——腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）或鸟嘌呤（G）来加以区别。基因的另—个区域是负责调节职责的。它控制RNA聚合酶将基因编码区转录成信使RNA的速率。

正如大多数原核生物的调节区那样，细菌的叫做启动子的调节区存在于核苷酸的一股内，它位于编码区起点的前面（上游）上，此距离常常短至10个核苷酸。要使转录过程精确而有效地进行，RNA聚合酶必须附着于启动子上。一旦RNA聚合酶被这样定位，它就可滑动到编码区始端并沿DNA运动，就像火车沿铁轨运行一样，从而构建编码区的RNA复制。除了非常长的基因之外，在任何情况下制造出的RNA分子的数量主要取决于RNA聚合酶分子附着于启动子并开始转录的速率。

有趣的是，RNA聚合酶是一种相当混杂的分子，它不能区别启动子和其它DNA顺序。为了把RNA聚合酶引导到特定基因的启动子上，细菌生产出各种各样的称为西格玛因子的蛋白结合到RNA聚合酶中去。由此产生的复合体就能识别并附着到启动子的入选核苷酸顺序上。西格玛因子以此种方式编程RNA聚合酶去避开所有的非启动子顺序而只逗留在命名的启动子上。

认识到西格玛因子对有区别地激活细菌中的基因之重要性，我的合作者和我通过寻找人体细胞内的西格玛状分子而开始了我们对人体转录装置的探究。可是我们低估了从人类复杂的基因组中检索出遗传信息的机构的复杂性。很快就明白了人的西格玛因子可能不存在，或者其形式可能不是细菌中存在的那种形式。

令人惊奇的复合体

如果在真核生物中不存在简单的西格玛因子，那么这些细胞怎样保证RNA聚合酶以正确的时间和正确的速率去转录正确的基因呢？一旦真核生物基因的不寻常的设计得到阐明，我们便开始看到模模糊糊的答案。

研究人员们到1983年已确定由不同的核苷酸顺序所组成的三种类型的遗传组件控制着所有真核生物中的RNA聚合酶开始转录的能力。所谓全部真核生物是指从单细胞酵母到复杂的多细胞生物。已发现这些组件之一（通常靠近编码区），其功能非常相似于细菌的启动子，此组件被叫做核心启动子，聚合酶就从这个启动子出发沿编码区移动。细胞内的许多基因都有相类似的核心启动子。

苏黎世大学的Walter Schaffiner和华盛顿卡内基研究所的Steren Lanier McKnight与其他学者又鉴定出了一组特别的调节组件，叫做强化子，它可以强化转录。这些顺序的位置，可以在核心启动子的上游或下游数千个核苷酸那样远的地方——亦就是说，难以置信的远离启动子。而后来的研究己揭示存在着沉默子，它有助于抑制转录而且其位置也可以远离核心启动子。

打一个不很恰当的比喻：如果核心启动子是汽车发动机的点火开关，那么强化子就起着加速器的作用，而沉默子则用作制动器。真核生物的基因可以含有若干个强化子和沉默子，而两个基因则可能含有某些相同的强化子或沉默子组件，但绝对没有两个基因在它们携带的强化子和沉默子的组合方面准确地相似，这种安排使细胞能单独地控制每个基因的转录。

这些组件的发现引伸出了两个有关的、而且当时亦是十分令人惊奇的结论。有证据指出强化子和沉默子自身不可能控制RNA聚合酶的活性。也许它们被用作大的蛋白质族的对接点。结合到强化子和沉默子（现在叫叫做活化子和阻遏子）的蛋白质随之携带了直接或间接地加到RNA聚合酶上去的刺激信息或阻遏信息（也就是说，是踩油门或是踩刹车）。基因被转录的速率看来也有可能是由所有的结合到其不同调节组件的蛋白质（或转录因子）之组合活性所控制的。

人的因子的发现

虽然如此，要解释结合到远离基因核心启动子配置的DNA顺序上的蛋白质为何可以影响基因的转录，我们也是勉为其难的。同其它实验室一样，我们决定通过分离人的转录因子（当时还没有人发现人的任何一种转录因子，RNA聚合酶本身除外）的方法去着手解决这道难题。我们假定，一旦我们提纯了人转录因子的拷贝，我们就能够获得对它们如何准确地行使其功能的更深入的认识。

由于结合到DNA上的许多蛋白质在解读基因中不起作用，所以我们如果只根据核蛋白质DNA的结合能力来筛选核蛋白，就不可能有效地找到转录因子。因此，我们研究小组采取了更好的判别策略，去寻找在试管反应中既与DNA结合又刺激了转录的蛋白质。

在我们实验室的博士后研究生William S. Dynan在1982年鉴定出在核蛋白混合物中完全符合转录因子要求的一种蛋白质。该蛋白质结合在一组入选基因所共有一个调节组件上，它就是被称为GC组件（这是由于该组件含有大量的G和C核苷酸）的强化子顺序。更为重要的是，当加入到制备的含有DIVA聚合酶的核蛋白中时，只有携带有GC组件（GCbox），其转录才能被该蛋白质明确地增强。因此，我们己鉴定出了第一个能够识别特定调节顺序的人的转录因子。我们把它叫做特异性因子1（Sp1）。

我们立即着手提纯该分子。事实上此项研究的难处之一是转录因子在细胞中往往只有极微小的量存在。通常，任何一种特定因子在人休细胞的总蛋白含量中不会超过十万分之一。在我的实验室工作的James T. Kadonaga于1985年发现了一种方法可以克服这种重大的技术上的障碍——并在此过程中引入一种强有力的新的工具，由此已提纯出了无数的转录因子和其它一些罕见的DNA结合的蛋白质。

由于Spl有选择性地识别GC组件，Kadonaga合成了完全由GC组件构成的DNA分子，并以化学的方法将它们锚定到固态结构上。然后他让人的各种核蛋白的复杂混合物在DNA上通过，并预言只有Spl才能附着于它。不出所料，当他从合成的DNA中分离出结合的蛋白质时，他得到了纯净的Sp1。

由Mark Ptashne及他在哈佛大学的合作者所进行的研究，我们深知细菌的转录调节子是模式蛋白，可根据不同的任务而分隔成不同的区域。一旦了解了Spl的氨基酸顺序，我们就着手寻找不同模式的证据，并至少注意到两个重要的区域。

该分子的一端包含了显然可折叠成三个“锌指”的区域。蛋白质的各部分围绕锌原子折叠的锌指结构，现在已知是用作把许多活化子蛋白附着到DNA上去的“爪子”。但在当时Spl只是人们发现的第二种利用锌指的蛋白质。英国医学研究委员会的Aaron Klug以及他的同事已在蛙的转录因子中发现了锌指，这恰好是不久前的事。

在Spl的另一端含有一个由谷氨酰胺占优势的两个各不相关的片断组成的小区。由于一项引人注目的发现，我们强烈地推测这个区域在转录期间起着重要的作用。在试管试验中，缺乏这个区域的突变体Spl可能也喜欢结合到DNA上，但它们不能刺激基因的转录。这一结果指出，Spl不是单靠与DNA结合来影响转录的，它是通过用它的富含谷氨酰胺的小区——现在把它称为活化区——来与转录机构的其它一些部分相互作用来发挥其功能的。问题是这其它部分究竞是哪一部分？

1988年，当我们开始调查Spl的目标时，我们对它在何处已有一些想法。我们的假设是基于对所谓的基本转录复合体的认识，而基本转录复合体的一部分看来似乎就是目标（靶）。

逼近目标

Robert G. Roeder和他在洛克非勒大学的同事已于80年代中期证明，如果没有另外一些转录因子——现在叫做基本因子——也集中于核心启动子上，RNA聚合酶就不能够转录真核生物的基因，而且在整个80年代期间，Roeder的实验室和其他的实验室已鉴定出这些因子中的至少6个因子，它们叫做A、B、D、E、F和H。

在试管中，这些组装的因子能够使RNA聚合酶以基本的（低的和恒定的）速率去转录结合的基因，但它本身不能调节这一速率。这就像有人已经建造了一部汽车并将发动机发动起来了，但却忘记了使用方向盘、加速器和制动器。例如，当我们研究小组将复合体的成分（含有RNA聚合酶）与含有GC组件的基因混合时，我们获得了低的、恒定的转录水平。只有当我们把Spl加进混合物时，我们才看到转录有明显的增强。

到80年代末期，已经很明显，人的细胞至少隐藏着两种不同类别的转录因子。对所有基因的开始转录来说，基本因子是必需的；其它蛋白质——活化子和阻遏子——在基本复合体开始转录时控制其速率。不同的基因受活化子和阻遏子的不同组合所控制。我们现在推测，机体内基本复合体自发地产生的情况是很罕见的；大多数时间中，细胞依赖活化子开始细胞的构建。

这些不同的发现显示，Spl富含谷氨酰胺的小区通过接触基本因子而增强转录。更具体地说，我们推测Spl抓住因子D并促进它附着到启动子上。我们的研究集中在这个亚单位上，是因为麻省理工学院的Phillip A. Sharp和Stephen Buratowsik已证明它能够在所有其它基本因子之前落在核心启动子上，并能推进整个基本发动机的装配。事实上，因子D是能够识别DNA的仅有的基本成分。它有选择性地结合到许多真核生物基因的核心启动子中的TATA组件的顺序上。

为跟踪研究我们的假设，我们需要知道更多的我们的假定它是一种唯一的蛋白质的因子D的成分。其他研究人员也希望知道它的组成，所以竞争的目标就是获得纯净的拷贝。从人的细胞分离因子D证明比任何人预料的更具挑战性。因此，许多研究小组最终使用酵母细胞来试试他们的运气。有几个实验室终于在1989年各自成功地分离出一种酵母蛋白质，它显示了因子D所期望的特性。将此蛋白质取名为TBP（TATA结合的蛋白质），它识别并选择性地结合到TATA组件上，当它通过RNA聚合酶和基本机构的其它组成成分连接到核心启动子上时，就会导致低水平的转录。

我们相信TBP蛋白就是因子D本身，所以我们在另外的研究中，对这一想法进行了试验。我们之所以这样作，意在精确地测定TBP与Sp1和其它调节子连接的区域。关于我们所要面临的全部障碍和取得的重要发现，我们知之甚少。

意想不到的困难

当我们实验室的B. Franklin Pugh用提纯的TPB分子替代以前在我们的试管实验中所用的未提纯的因子D时，他毫无困难地复现了早期的一项结果：这类替代不会干扰基本的转录。但是，令我们惊奇和震惊的是，他发现Spl已不再能够影响基本机构。我们不得不断定，因子D和TBP事实上不是等效的，因子D实际上是由TBP加其它亚单位组成的。（现已知道，很多转录因子系由一个以上的蛋白质组成。）很显然，在基本机构的运行方面，这些亚单位是不需要的，它们主要是用活化子来调节此种机构。

换句话说，由于这些附加成分不结合特定的DNA顺序，所以它们本身并不是活化子。它们也不是什么基本因子，因为没有它们仍可以取得低水平的、不能调节的转录水平。它们看来构成了第三类转录因子，我们将其称之为共活化子。我们进而提出，这些共活化子（而不是TBP）是结合蛋白质的活化子小区的目标。我们预计，活化子定会结合到所选择的共活化子上，以加速基本复合体使RNA聚合酶分子开始运转的速度。

我们被这种情景所吸引，因为我们很难想象单单一个蛋白TBP如何会拥有足够多的位点以容纳人体细胞制造所有活化子。可是，假如被紧密地连接到TBP上的共活化子有多重结合小区，则这些共活化子就可以集体提供由成百上千的活化子向转录发动机传输信息所需的停泊位点。

最早提出活化子可以起到这种转接器分子功能的人正是Pugh。 Pugh的资料立即使我确信，他也许是正确的，但并不是我们实验室的每一个人都同意Pugh的观点。实际上1990年新的每周会议都常常为热烈的争论所打断。毫不奇怪的是，当共活化子概念出现在这个领域里的其他研究人员面前时，他们也表现出相当大的怀疑态度。这种对意想不到的和错综复杂的结果的反应在该阶段也许是有道理的，因为我们的资料只是启发性的，而不是结论性的。我们还未分离出单一的共活化子。

共活化子：缺失的环节

要使我们自己和科学界相信我们是正确的，我们就必须设计出一项试验程序，以此明确地确立共活化子是否存在以及是否为我们所料想的中继器那样运行。在Pugh明确提出共活化子假设后的大约两年，我们为提纯含有TBP和因子D的所有其它有关成分之完整而有功能的复合体而斗争。当看到尚不为人所知的共活化子假说可能是源自我们试验中的某些误差时，我们不得不承认存在着一些困难的时刻。

当我们实验室的研究生和博士后研究生Brian D. Dynlacht、Timothy Hoey、Naoko Tanese和Robert Weinzierl找到一种灵巧的方法来分离纯的因子D拷贝时，对共活化子假说研究上的突破终于在1991年来临了。后来的生物化学分析显示，除TBP之外，全部单位含有以前尚不知道的8个蛋白质。由于我们还没有证据表明这些蛋白具有共活化子的功能，所以我们比较一般地把它们称为TBP结合的因子，即TAFs。

在我们从TBP分离出结合的蛋白质，以及完成一些更进一步的实验之后，我们深信TAFs实际上干的是把分子从活化子传输给基本转录装置的工作。例如，我们能够证明，把活化子Sp1与基本因子和RNA聚合酶相混合，只有同时加入TAFs后，才能增加来自含有GC组件的基因之信使RNA的生产量。后来，Jin-Long Chen（研究生）将提纯的TBP和8个分离的TAFs在试管中与人的基因和其余的基本转录机构一起混合。各种蛋白质都组装在人的基因上，并证明能够应答若干不同类型的活化子蛋白。我们后来证实，这些活化子是通过直接与入选的TAFs的藕合而发挥它们的作用的。结合在因子中的共活化子实际上构成一类中央处理单元，以整合由结合DNA的活化子发出的调节信号。

一道用途广泛的题目

由活化子、共活化子和基本机构形成的复合体看来相当于人的西格玛因子，它们也能以特定的速率把RNA聚合酶加进特定的基因内。在某种程度上，可把这些复合体视为已精心制作成许多亚单位的西格玛因子。令人高兴的是，最近我们实验室和其他实验室所得到的证据显示，我们已揭示出真核生物中一种普遍的基因调节模式。这些研究已肯定共活化子也存在于酵母中，并肯定在真菌以及在人体中因子D是由多重亚单位组成。

虽然这些结果很令人高兴，但它们不能完全解释结合到强化子和共活化子上的活化子怎样影响活细胞中RNA聚合酶转录基因的速率。很可能是，与强化子连锁的活化子诱使DNA弯曲，而这种弯曲又促进强化子彼此之间和与核心启动子的接近。这种安排可能帮助活化子（单独的或彼此一起行动）与共活化子相连接并把因子D定位到启动子上。这一步反过来又会促进整个基本复合体的装配。这种复合体的形成可能在某种程度上改变使RNA聚合酶沿编码区开始它的行程的根基的DNA。

研究人员对阻遏子的功能知之甚少。尽管如此，我们之中的许多人认为阻遏子有时也可以结合到共活化子上。这种结合通过阻止活化子在通常的位置上附着到共活化子上就可以抑制转录。其它时间，阻遏子可以绕过基本机构，通过阻止活化子与强化子的接触来阻遏转录。

尽管我们在认识上还有差距，但我们现在能够开始就不同细胞在胚胎发育期间和在成熟的生物体中为什么可以制造出不同的蛋白质混合物的问题做出解释。只有当其所需的各种活化子存在并能成功地战胜阻遏子的抑制效应时，基因才会以适当的速率进行转录。细胞在制造蛋白质方面的差别，是由于它们含有不同的活化子和阻遏子组。当然，这种情况是以细胞首先如何决定生产哪些转录因子的问题为依据来论证的，但这一方面的研究也正在取得进展。

未来的治疗方法

研究人员怎样才能应用我们新近获得的基因调节的知识，去开发治疗与过剩或不足的基因转录有关的威胁生命的疾病的药物呢？在理论上，阻遏入选的活化子与强化子或其活化子的吸附，应该抑制有害的转录，而稳定基因上的转录机构应能抵消不合需要的弱的转录。阻遏作用可以通过把分子“塞”插入活化子中的方法来达到，由此阻止活化子与共活化子的相互作用，或者通过诱惑活化子附着到一个很像共活化子的引诱物上来实现抑制作用。复合体的稳定可以利用会增强活化子和DNA之间或活化子与共活化子之间的相互作用来实现。这些方法在今天来说仍是遥远的，但考虑一下最终可能实现的若干用途将会令人激动不已。

引起艾滋病的人免疫缺陷病毒（HIV）就是一例。HIV要想在人的细胞内自我增殖，就需要病毒转录因子TAT去增强HIV基因的转录。假如TAT可以被一些能识别TAT但不认识人的转录因子的一些媒体所抑制，那么HIV的复制就可以被制止，但却不会影响病人需要的蛋白质的生产。

相反，治疗某些疾病——例如高胆固醇血症——可能需要增强入选基因的转录。高胆固醇血病增加人得心脏病的危险。当低密度脂蛋白（LDL）（亦称有害的胆固醇）不能有效地被清除时，胆固醇在血管中就可能积累到破坏性的水平。在理论上，这种病可以通过增强肝细胞内LDL受体基因的转录来矫正。这种受体帮助清除血液中的LDL。由于得克萨斯大学达拉斯分校卫生科学研究中心的Michael S. Brown和Joseph L. Goldstein的研究，正在分离调节LDL受体基因转录的装置的特异分子组成，所以这种想法不久就可以加以试验。

直到最近，仍没有任何人投入很大的精力去筛选能够直接调节转录的小分子、天然产物或其它成分。即便如此，已经上市的许多药物，已被意外地发现可以改变转录因子的活性。其中，RU486（法国的“流产”丸）抑制特定田类受体的功能，而这些受体是一类指令胚胎的发育的活化子。相类似的，免疫抑制剂环胞多肽和FK506可抑制指令生产免疫系统一些细胞所需的蛋白产物的基因之转录。可是，这些药物是间接发挥作用的。它们通过激活本身可以对基因的转录因子的功能施加影响的酶而起作用。

随着时间的进展，调节各个基因的准确的转录因子组合必定会鉴定出来的。而药物的开发者也许会利用这种信息来设计出战胜癌症、心脏病、免疫失调、病毒感染、早老痴呆症和其它老年性疾病的理想药物。这些药剂是否就会成功，任何人都无法推侧，但似乎未来的治疗方法将以某种方式得益于对转录的基础研究——这种研究开始并不寄希望于要设计出药物，而是单纯希望弄清控制我们的基因的活性的分子机构的核心。

【赵裕卿/译  郭凯声/校】