分子生物學課件：真核調控3-3

1、第三節(jié)第三節(jié) 其他水平上的調控其他水平上的調控 在真核生物基因表達的調控中，在真核生物基因表達的調控中，DNA水水平平和和轉錄水平上轉錄水平上的調控占有十分重要的地位，的調控占有十分重要的地位，但其他水平上的調控也不能忽視。這些調控包但其他水平上的調控也不能忽視。這些調控包括：括：RNA的加工成熟的加工成熟、翻譯水平的調控翻譯水平的調控以及以及翻譯后水平的調節(jié)翻譯后水平的調節(jié)等多個環(huán)節(jié)的調控。等多個環(huán)節(jié)的調控。引引 言言一、轉錄后加工的多樣性一、轉錄后加工的多樣性 真核生物的基因可以按其轉錄后的加工方真核生物的基因可以按其轉錄后的加工方式分為兩大類：式分為兩大類：簡單轉錄單位簡單轉錄單位和和復

2、雜轉錄單位復雜轉錄單位。1、簡單轉錄單位：、簡單轉錄單位：這類基因只編碼產生一個多肽，這類基因只編碼產生一個多肽，其原始轉錄產物有時需要加工，有時則不需要加工。其原始轉錄產物有時需要加工，有時則不需要加工。第一種簡單轉錄單位第一種簡單轉錄單位：基因沒有內含子，：基因沒有內含子，mRNA 3 末端沒有末端沒有ploy(A)，基本，基本不存在轉錄后加工問題不存在轉錄后加工問題。如：組蛋白基因。如：組蛋白基因。第二種簡單轉錄單位第二種簡單轉錄單位：基因沒有內含子，：基因沒有內含子，mRNA不不需要剪接，但需要剪接，但需要加需要加ploy(A)。如：。如：-干擾素和許多干擾素和許多酵母蛋白質基因。酵母

3、蛋白質基因。第三種簡單轉錄單位第三種簡單轉錄單位：這類基因都有內含子，也需：這類基因都有內含子，也需要加要加ploy(A)，但加工，但加工剪接后只產生一種有功能的剪接后只產生一種有功能的mRNA，所以仍然是簡單轉錄單位。如：大多數核，所以仍然是簡單轉錄單位。如：大多數核基因。基因。簡單轉錄單位又可以分為簡單轉錄單位又可以分為3個亞類個亞類：簡單轉錄單位轉錄后加工的簡單轉錄單位轉錄后加工的3 3種主要形式種主要形式組成型剪接組成型剪接: 一個基因的一個基因的mRNA前體按一種方式剪前體按一種方式剪接，產生一種接，產生一種mRNA，翻譯成一種蛋白質。，翻譯成一種蛋白質。2、復雜轉錄單位：、復雜轉錄

4、單位：其其原始轉錄產物原始轉錄產物能通過能通過多種多種不同方式不同方式，加工成，加工成兩種或兩種以上的兩種或兩種以上的mRNA。主要是一些編碼組織和發(fā)育特異性。主要是一些編碼組織和發(fā)育特異性蛋白質蛋白質/多肽的基因。多肽的基因。（1）利用）利用多個多個5 端轉錄起始位點端轉錄起始位點產生不同的蛋白質產生不同的蛋白質（2）選用）選用不同的剪接位點不同的剪接位點產生不同的蛋白質產生不同的蛋白質可變剪接（選擇性剪接，可變剪接（選擇性剪接，alternative splicing）：有些基因的有些基因的mRNA前體，按不同方式剪接，產生前體，按不同方式剪接，產生兩種以上兩種以上mRNA，翻譯產生多種蛋

5、白質。，翻譯產生多種蛋白質。其實質其實質是是5 供體與供體與3 受體剪接點的選擇搭配問題。受體剪接點的選擇搭配問題。大鼠肌鈣蛋白（大鼠肌鈣蛋白（Torponin）基因）基因在不同的發(fā)育階段以及在不同橫紡肌在不同的發(fā)育階段以及在不同橫紡肌種類中，由于不同的選擇性剪接產生不同的肌鈣蛋白種類中，由于不同的選擇性剪接產生不同的肌鈣蛋白 。（3）既利用）既利用多個多個5 端轉錄起始位點端轉錄起始位點，又選用，又選用不同的不同的剪接位點剪接位點，產生不同的蛋白質。，產生不同的蛋白質。（4）利用）利用多個多個ploy(A)位點位點和和不同的剪接位點，不同的剪接位點，產生產生不同的蛋質。不同的蛋質。（5）無剪

6、接，有）無剪接，有多個轉錄起始位點多個轉錄起始位點和和/或或加加poly(A)位點位點的基因。的基因。 例如例如：二氫葉酸還原酶基因和酵母乙醇脫氫酶基二氫葉酸還原酶基因和酵母乙醇脫氫酶基因都因都具有不同的具有不同的5 端和端和ploy(A)位點位點。大鼠。大鼠-2-珠珠蛋白基因、雞波形蛋白基因和人蛋白基因、雞波形蛋白基因和人N-ras基因均基因均含有多含有多個個ploy(A)位點位點，而雞溶菌酶基因和酵母蔗糖酶基因，而雞溶菌酶基因和酵母蔗糖酶基因則則擁有多個擁有多個5 端端。二、翻譯水平的調控二、翻譯水平的調控1、mRNA運輸控制運輸控制2、mRNA穩(wěn)定性的調控穩(wěn)定性的調控3、mRNA結構結構

7、4、翻譯的起始調節(jié)、翻譯的起始調節(jié)5、選擇性翻譯、選擇性翻譯 6、翻譯的自我調節(jié)、翻譯的自我調節(jié)1、mRNA運輸控制運輸控制 一般來說，合成的一般來說，合成的mRNA只有大約只有大約1/12能被能被轉運出核進入細胞質，轉運出核進入細胞質，50左右的在核內降解，左右的在核內降解，還有一些留在核內。還有一些留在核內。 換句話說，真核生物可以對從細胞核轉運到換句話說，真核生物可以對從細胞核轉運到細胞質中的細胞質中的轉錄產物轉錄產物數量數量進行調節(jié)，這種調節(jié)進行調節(jié)，這種調節(jié)方式被稱為方式被稱為運輸控制（運輸控制（Transport Control）。2、mRNA的穩(wěn)定性與基因表達調控的穩(wěn)定性與基因表

8、達調控 真核生物能否長時間、及時利用成熟的真核生物能否長時間、及時利用成熟的mRNA分子翻譯出蛋白質以供生長、發(fā)育的需要，是與分子翻譯出蛋白質以供生長、發(fā)育的需要，是與mRNA的穩(wěn)定性密切相關的。的穩(wěn)定性密切相關的。 高等真核生物高等真核生物細胞質中所有的細胞質中所有的RNA都要受到降都要受到降解控制（解控制（Degradation Control），不同不同mRNA降解降解效率不同效率不同。mRNA的選擇性降解主要由于的選擇性降解主要由于核酸酶和核酸酶和mRNA內部結構相互作用的結果內部結構相互作用的結果。有時，加入。有時，加入調節(jié)調節(jié)物物可以增加可以增加mRNA穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。不加入催乳素

9、時，體系中的酪蛋白不加入催乳素時，體系中的酪蛋白mRNA在在1-2小時小時內降解內降解50%；而加入催乳素；而加入催乳素40小時后小時后，酪蛋白，酪蛋白mRNA才降解才降解50%。例子例子1：催乳素延緩酪蛋白（催乳素延緩酪蛋白（casein）mRNA的降解的降解例子例子2：人鐵蛋白及轉運鐵蛋白受體人鐵蛋白及轉運鐵蛋白受體mRNA翻譯調控翻譯調控 轉鐵蛋白受體轉鐵蛋白受體（TfR）和）和鐵蛋白鐵蛋白分別負責分別負責鐵吸鐵吸收收和和鐵解毒鐵解毒。這兩個。這兩個mRNA上存在鐵應答元件上存在鐵應答元件（Iron response element, IRE）。）。IRE與與IRE結合結合蛋白（蛋白（I

10、RE-BP）相互作用控制了這兩個）相互作用控制了這兩個mRNA的的翻譯效率。翻譯效率。 當細胞缺鐵時當細胞缺鐵時，IRE-BP與與IRE具有高親和力。具有高親和力。IRE-BP與與鐵蛋白鐵蛋白mRNA的的5 非翻譯區(qū)中的非翻譯區(qū)中的IRE結合，有效地結合，有效地阻止鐵蛋白阻止鐵蛋白mRNA的翻譯的翻譯。與此同時，。與此同時，轉鐵蛋白受體轉鐵蛋白受體mRNA上上3 非翻譯區(qū)中的非翻譯區(qū)中的IRE也與也與IREBP特異結合，有效特異結合，有效地地阻止轉鐵蛋白受體阻止轉鐵蛋白受體mRNA的降解的降解，促進轉鐵蛋白受體，促進轉鐵蛋白受體蛋白的合成。蛋白的合成。 細胞高鐵時細胞高鐵時細胞缺鐵時細胞缺鐵時

11、鐵吸收鐵吸收鐵解毒鐵解毒3、mRNA的結構的結構（1）mRNA的的5 非編碼序列對翻譯水平的影響非編碼序列對翻譯水平的影響u5 帽結構是否存在帽結構是否存在和和易于接近易于接近eIF-4F的程度的程度對翻譯效率有對翻譯效率有著明顯的影響。著明顯的影響。u起始密碼子起始密碼子AUG的位置和其側翼的序列的位置和其側翼的序列對翻譯的效率也有對翻譯的效率也有影響。影響。u 5 端非翻譯區(qū)的長度端非翻譯區(qū)的長度也會影響到翻譯的效率和起始的精確也會影響到翻譯的效率和起始的精確性，當此區(qū)長度在性，當此區(qū)長度在17-80 nt之間時，體外翻譯效率與其長之間時，體外翻譯效率與其長度變成正比。度變成正比。u在在5

12、 UTR中存在堿基配對中存在堿基配對區(qū)時，可以形成莖環(huán)二級結構，區(qū)時，可以形成莖環(huán)二級結構，這類結構會阻止核糖體這類結構會阻止核糖體40S亞基的遷移，對翻譯起始有抑亞基的遷移，對翻譯起始有抑制作用。制作用。（2）mRNA的的3 端的結構對翻譯速率和端的結構對翻譯速率和mRNA壽命壽命的影響的影響 mRNA的的3 端的端的poly(A)不僅和不僅和mRNA穿越穿越核膜的能力有關，而且影響到核膜的能力有關，而且影響到mRNA的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性和和翻譯效率翻譯效率。 一般來說，一般來說，poly(A)越長，越長，mRNA半衰期也半衰期也越長；越長； Poly(A)對翻譯效率的作用需要對翻譯效率的作用需

13、要PABP存在。存在。4、翻譯的起始調節(jié)、翻譯的起始調節(jié) -翻譯起始因子的磷酸化翻譯起始因子的磷酸化現象現象：當細胞處在異常環(huán)境當細胞處在異常環(huán)境（如饑餓、（如饑餓、pH變動、變動、重金屬處理、加入化學藥品等）或重金屬處理、加入化學藥品等）或蛋白質蛋白質生物合成受抑制生物合成受抑制時，都可以時，都可以檢測到細胞內檢測到細胞內eIF-2的磷酸化作用的磷酸化作用。解釋解釋：翻譯起始因子翻譯起始因子eIF-2磷酸化，從而選擇性地磷酸化，從而選擇性地降低或加強一些降低或加強一些mRNA的翻譯。的翻譯。例子：例子：eIF-2、氯高鐵血紅素和、氯高鐵血紅素和HCI的相互關系的相互關系實驗現象實驗現象：用兔

14、網織紅細胞體系研究蛋白質合成時，如果：用兔網織紅細胞體系研究蛋白質合成時，如果不向體系中添加不向體系中添加氯高鐵血紅素氯高鐵血紅素，蛋白質合成活性急劇下降。，蛋白質合成活性急劇下降。v 氯高鐵血紅素控制的翻譯抑制因子（氯高鐵血紅素控制的翻譯抑制因子（Hemin Controlled translational Inhibitor, HCI）是蛋白質合成抑制劑，受氯）是蛋白質合成抑制劑，受氯高鐵血紅素調節(jié)。高鐵血紅素調節(jié)。沒有氯高鐵血紅素存在時沒有氯高鐵血紅素存在時，非活性，非活性HCI可以通過自身的磷酸化變成活性型?？梢酝ㄟ^自身的磷酸化變成活性型。v HCI也是也是eIF-2的激酶，使的激酶，

15、使eIF-2的磷酸化，由活性型變成的磷酸化，由活性型變成非活性型。非活性型。5、選擇性翻譯、選擇性翻譯 珠蛋白是由兩條珠蛋白是由兩條鏈和兩條鏈和兩條鏈組成的。在正常鏈組成的。在正常二倍體細胞中有二倍體細胞中有4個個亞基基因的拷貝亞基基因的拷貝，2個個亞基基亞基基因的拷貝因的拷貝，其轉錄效率相當。，其轉錄效率相當。理論理論上，如果它們具上，如果它們具有相同的翻譯效率，那么它們之間的量比應該是有相同的翻譯效率，那么它們之間的量比應該是: =2: 1，而，而實際實際上是上是1：1。也就是說，。也就是說，和和珠蛋白珠蛋白在在翻譯水平上存在差異。翻譯水平上存在差異。 這種翻譯水平上的差異與翻譯起始因子的

16、親和這種翻譯水平上的差異與翻譯起始因子的親和力不同有關。換句話說，細胞選擇性地高效率翻譯力不同有關。換句話說，細胞選擇性地高效率翻譯珠蛋白珠蛋白亞基。亞基。 6、翻譯的自我調節(jié)、翻譯的自我調節(jié) 用微量注射器將微管蛋白注入到細胞中，會抑制微管蛋白用微量注射器將微管蛋白注入到細胞中，會抑制微管蛋白的進一步合成。的進一步合成。 微管的功能微管的功能：維持細胞形：維持細胞形態(tài)，輔助細胞內運輸，與態(tài)，輔助細胞內運輸，與其他蛋白共同裝配成紡錘其他蛋白共同裝配成紡錘體，基粒，中心粒，鞭毛，體，基粒，中心粒，鞭毛，纖毛神經管等結構。纖毛神經管等結構。構成微管的基因構成微管的基因/蛋白質蛋白質：由由，兩種類型的微管蛋兩種類型的微管蛋白亞基形成的微管蛋白二白亞基形成的微管蛋白二聚體，微管蛋白二聚體組聚體，微管蛋白二聚體組