分子生物學課件第八章-1

1、第八章 基因的表達與調(diào)控(下) 真核基因表達調(diào)控一般規(guī)律真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性真核基因轉(zhuǎn)錄機器的主要組成蛋白質(zhì)磷酸化對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙酰化對蛋白表達的影響 激素與熱激蛋白對基因表達的影響其它水平上的表達調(diào)控Contents 基因組很小，大多只有一條染色體 結(jié)構(gòu)簡煉 存在轉(zhuǎn)錄單元多順反子原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點 有重疊基因真核基因組結(jié)構(gòu)特點真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 主要由多細胞組成，每個細胞基因組中蘊藏的遺傳信息量及基因數(shù)量都大大高于原核生物。人類細胞單倍體基因組有3109bp，為大腸桿菌總DNA的800倍，噬菌體的10萬倍左右3109bp、染色質(zhì)、單順反子基因不連續(xù)性 斷裂基因（inte

2、rrupted gene）、內(nèi)含子(intron)、 外顯子(exon)非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1)含有大量重復序列真核基因的表達調(diào)控的特點：原核細胞環(huán)境因素對調(diào)控起決定性的作用。群體中每一個細胞對環(huán)境變化的反應是直接的和一致的。真核細胞基因表達調(diào)控最明顯的特征是能在特定時間，特定的細胞中激活特定的基因，實現(xiàn)“預定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育，并使生物的組織和器官保持正常功能。這是生命活動規(guī)律決定的，環(huán)境因素在其中作用不大。真核生物基因調(diào)控達到了原核生物所不可能有的深度和廣度真核生物基因調(diào)控可分為兩大類：第一類是瞬時調(diào)控或稱可逆性調(diào)控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應，

3、包括某種底物或激素水平升降，或細胞周期不同階段酶活性的調(diào)節(jié)；第二類是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的進程。根據(jù)基因調(diào)控發(fā)生的先后次序，又可分為：轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控（RNA加工成熟過程的調(diào)控，翻譯水平的調(diào)控，蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控）。研究基因調(diào)控的三個主要內(nèi)容：誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄的信號是什么？基因調(diào)控在哪一步（模板DNA的轉(zhuǎn)錄、mRNA的成熟或蛋白質(zhì)合成）實現(xiàn)的？不同水平基因調(diào)控的分子機制什么？真核基因表達調(diào)控的主要步驟真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性真核基因轉(zhuǎn)錄機器的主要組成蛋白質(zhì)磷酸化對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙?；瘜Φ鞍妆磉_的影響 激素與熱激蛋白

4、對基因表達的影響其它水平上的表達調(diào)控Contents真核細胞與原核細胞在基因轉(zhuǎn)錄、翻譯及DNA的空間結(jié)構(gòu)方面存在以下幾個方面的差異 p282 試說明真核細胞與原核細胞在基因轉(zhuǎn)錄，翻譯及DNA的空間結(jié)構(gòu)方面存在的主要差異，表現(xiàn)在哪些方面？ 武漢大學2003年分子生物學碩士入學試題 8.1 真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性 在真核細胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。 真核細胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結(jié)合，只有一小部分DNA是裸露的。 高等真核細胞DNA中很大部分是不轉(zhuǎn)錄的，一些由幾個或幾十個堿基組成的DNA序列，在整個基因組中重復幾百次甚至

5、上百萬次。大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內(nèi)含子。 真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進行DNA片段重排，還能在需要時增加細胞內(nèi)某些基因的拷貝數(shù)。這種能力在原核生物中極為罕見。 在真核生物中，基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)相對較大，它們可能遠離啟動子達幾百個甚至上千個堿基對，這些調(diào)節(jié)區(qū)一般通過改變整個所控制基因5上游區(qū)DNA構(gòu)型來影響它與RNA聚合酶的結(jié)合能力。 在原核生物中，轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)區(qū)都很小，大都位于啟動子上游不遠處，調(diào)控蛋白結(jié)合到調(diào)節(jié)位點上可直接促進或抑制RNA聚合酶與它的結(jié)合。 真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經(jīng)轉(zhuǎn)運穿過核膜，到達細胞質(zhì)后，才能被翻譯成蛋白質(zhì)，原核生物中不存在這樣嚴

6、格的空間間隔。 許多真核生物的基因只有經(jīng)過復雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質(zhì)。真核生物的基因組中有很多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因按功能成套組合，這些基因被稱為基因家族。 同一家族中的成員有時緊密地排列在一起，成為一個基因簇(gene cluster) 。如：編碼組蛋白、免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都屬于基因家族8.1.1 基因家族（gene family)更多時候，同一家族的成員分散在同一染色體不同部位，甚至位于不同染色體上，具有各自不同的表達調(diào)控模式。1、簡單多基因家族簡單多基因家族中的基因一般以串聯(lián)方式前后相連。在大腸桿菌中，16S，23s和5s rRNA基因聯(lián)合 成一個轉(zhuǎn)

7、錄單元，各種rRNA分子都是從這個轉(zhuǎn)錄單位上剪切下來的。細菌中所有rRNA和部分tRNA都來自這個分子量為30S（約6500個核苷酸）的前rRNA。在真核生物中，前rRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的分子量為45S，（約有14 000個核苷酸），包括18S，28S和5.8S三個主要rRNA分子。至少100處被甲基化2、復雜多基因家族 復雜多基因家族一般由幾個相關(guān)基因家族構(gòu)成，基因家族之間由間隔序列隔開，并作為獨立的轉(zhuǎn)錄單位?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)存在不同形式的復雜多基因家族。海膽組蛋白基因家族：編碼不同組蛋白的基因處于一個約為6 000bp的片段中，分別被間隔序列所隔開。這5個基因組成的串聯(lián)單位在整個海膽基因組中可能重復多達

8、1 000次。3. 發(fā)育調(diào)控的復雜多基因家族血紅蛋白是所有動物體內(nèi)輸送分子氧的主要載體，由22組成的四聚體加上一個血紅素輔基（結(jié)合鐵原子）后形成功能性血紅蛋白。在生物個體發(fā)育的不同階段出現(xiàn)幾種不同形式的和亞基。這是由于在發(fā)育不同階段，編碼和亞基的基因不同，編碼和亞基的基因是受發(fā)育調(diào)控的。 P2858.1.2 真核基因的斷裂結(jié)構(gòu) 真核基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的，為非編碼序列所隔開，形成鑲嵌排列的斷裂方式，因此，真核基因也被稱為斷裂基因。其中編碼的序列稱為外顯子，非編碼序列稱內(nèi)含子。外顯子(Exon) ：真核細胞基因DNA中的編碼序列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA并進而翻譯為蛋白質(zhì)。內(nèi)含子(

9、Intron) ：真核細胞基因DNA中的間插序列，這些序列被轉(zhuǎn)錄成RNA，但隨即被剪除而不翻譯。 哺乳動物二氫葉酸還原酶基因，全長25-31kb左右，但其6個外顯子總長只有2kb?；蛑械膬?nèi)含子數(shù)量和大小都不同。膠原蛋白基因長約40kb，至少有40個內(nèi)含子，其中短的只有50bp，長的可達到2000bp。2、外顯子與內(nèi)含子的連接區(qū)外顯子-內(nèi)含子連接區(qū)指外顯子和內(nèi)含子的交界或稱邊界序列，它有兩個重要特征：內(nèi)含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性連接區(qū)序列很短，高度保守，每個內(nèi)含子5 端起始的兩個堿基都是GT，而3 端最后兩個堿基總是AG，稱為GT-AG法則，是RNA剪接的信號序列。斷裂結(jié)構(gòu)的一個重要特

10、點是外顯子-內(nèi)含子連接區(qū)的高度保守性和特異性堿基序列。T3、外顯子與內(nèi)含子的可變調(diào)控組成型剪接：一個基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物通過剪接只能產(chǎn)生一種成熟的mRNA的過程。選擇性剪接：同一基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的過程。 8.1.3 真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控在個體發(fā)育過程中，DNA會發(fā)生規(guī)律性變化，從而控制基因表達和生物的發(fā)育。DNA水平的調(diào)控是真核生物發(fā)育調(diào)控的一種形式，包括基因丟失、擴增、重排和移位等。這與轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的調(diào)控是不同的，這種調(diào)控使基因組發(fā)生了改變。例如： 成熟紅細胞能產(chǎn)生大量的可翻譯出成熟珠蛋白的mRNA，但它的前體細胞是不產(chǎn)生珠蛋白的。這種變化是由于基因

11、本身或者是基因的拷貝數(shù)發(fā)生了永久性變化所調(diào)控的?；驍U增：基因擴增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性增大的現(xiàn)象，它使得細胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。非洲爪蟾的卵母細胞中原有rRNA基因（rDNA）約500個拷貝，在減數(shù)分裂粗線期，基因開始迅速復制，到雙線期拷貝數(shù)約為200萬個，擴增近4000倍，可用于合成1012個核糖體，滿足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白質(zhì)的需要。基因重排與變換將一個基因從遠離啟動子的地方移到較近的位點從而啟動轉(zhuǎn)錄，被稱為基因重排。例如：P 291 fig 8-11 b 免疫球蛋白的肽鏈主要由可變區(qū)（V區(qū)）、恒定區(qū)（C區(qū)）以及兩者之間的連接

12、區(qū)（J,D區(qū)）組成，V、C和J、D基因片段在胚胎細胞中相隔較遠。編碼產(chǎn)生免疫球蛋白的細胞發(fā)育分化時，通過染色體內(nèi)DNA重組把4個相隔較遠的基因片段連接在一起，產(chǎn)生具有表達活性的免疫球蛋白基因。8.1.4 DNA甲基化與基因活性的調(diào)控：1、DNA的甲基化DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）。DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的修飾途徑之一；DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達。DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達。研究證實，CpG

13、二核苷酸中胞嘧啶的甲基化導致了人體1/3以上由于堿基轉(zhuǎn)換而引起的遺傳病。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。 CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上，這段序列被稱為CpG島 。2、DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機制DNA甲基化導致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動區(qū)DNA的結(jié)合效率。 啟動區(qū)DNA分子上的甲基化密度與基因轉(zhuǎn)錄受抑制的程度密切相關(guān)。對于弱啟動子來說，稀少的甲基化就能使其完全失去轉(zhuǎn)錄活性。當這一類啟動子被增強時（帶有增強子），即使不去甲基化也可以恢復其轉(zhuǎn)錄活性。若進一步提高甲基化密度，即使

14、增強后的啟動子仍無轉(zhuǎn)錄活性。P294 fig8-14 真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性真核基因轉(zhuǎn)錄機器的主要組成蛋白質(zhì)磷酸化對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙?；瘜Φ鞍妆磉_的影響 激素與熱激蛋白對基因表達的影響其它水平上的表達調(diào)控Contents真核基因調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上進行，受大量特定的順式作用元件（cis-acting element）和反式作用因子（transacting factor）調(diào)控。真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控大多數(shù)是通過順式作用元件和反式作用因子復雜的相互作用來實現(xiàn)的。8.2 真核基因轉(zhuǎn)錄機器的主要組成8.2.1 真核基因的轉(zhuǎn)錄一個完整的基因，不但包括編碼區(qū)（coding region），還包括

15、5和3端長度不等的特異性序列，它們雖然不編碼氨基酸，卻在基因表達的過程中起著重要作用。所以，“基因”的分子生物學定義是：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。順式作用元件定義：影響自身基因表達活性的非編碼DNA序列。 例： 啟動子、增強子等（1）啟動子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結(jié)合并導致轉(zhuǎn)錄起始的序列。真核基因啟動子由核心啟動子和上游啟動子兩個部分組成，是在基因轉(zhuǎn)錄起始位點（+1）及其5上游大約100200bp以內(nèi)的一組具有獨立功能的DNA序列。核心啟動子：是指保證RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始位點及轉(zhuǎn)錄起始位點上游-25-30b

16、p處的TATA盒。上游啟動子：包括通常位于-70bp附近的CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等。（2）增強子：指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列。 SV40的轉(zhuǎn)錄單元上發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄起始位點上游約200 bp處有兩段長72 bp的正向重復序列。若把增強子上兩個72bp重復序列同時刪除，基因表達水平會降低很多。增強子特點： 增強效應十分明顯，一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10-200倍 增強效應與其位置和取向無關(guān)，不論增強子以什么方向排列（53或35），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表現(xiàn)出增強效應；大多為重復序列，一般長約50bp，適合與某些蛋白因子結(jié)合。其內(nèi)部常含

17、有一個核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），該序列是產(chǎn)生增強效應時所必需的； 增強效應有嚴密的組織和細胞特異性，說明增強子只有與特定的蛋白質(zhì)（轉(zhuǎn)錄因子）相互作用才能發(fā)揮其功能； 沒有基因?qū)Ｒ恍裕梢栽诓煌幕蚪M合上表現(xiàn)增強效應； 許多增強子還受外部信號的調(diào)控，如金屬硫蛋白的基因啟動區(qū)上游所帶的增強子，就可以對環(huán)境中的鋅、鎘濃度做出反應。（三）反式作用因子 1、定義：能直接或間接地識別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)，也稱轉(zhuǎn)錄因子。 轉(zhuǎn)錄復合物中，根據(jù)各個蛋白質(zhì)成分在轉(zhuǎn)錄中的作用，能將整個復合物分為3部分：1. 參與所有或某些轉(zhuǎn)錄階段的RNA聚合酶亞

18、基，不具有基因特異性。2. 與轉(zhuǎn)錄的起始或終止有關(guān)的輔助因子，不具基因特異性。3. 與特異調(diào)控序列結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子。研究較多的轉(zhuǎn)錄因子：TFD（TATA box）、CTF（CAAT box）、SP1（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動區(qū)）真核生物中轉(zhuǎn)錄因子活性調(diào)節(jié)的主要方式p300這些轉(zhuǎn)錄因子有兩種獨立的活性：1. 首先它們特異地與DNA結(jié)合位點相結(jié)合；2. 然后激活轉(zhuǎn)錄。這些活性可以獨立分配給特定的蛋白結(jié)構(gòu)域，分別稱作DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和激活結(jié)構(gòu)域。轉(zhuǎn)錄激活功能是與其DNA結(jié)合活性相分離的，它們在蛋白質(zhì)的不同區(qū)域。DNA識別或結(jié)合域1. 螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋結(jié)構(gòu)（H-T-H）這類蛋白質(zhì)分子中有至少

19、兩個螺旋，中間形成“轉(zhuǎn)折”。2、鋅指結(jié)構(gòu)配位鍵2-9個定義：是一種常出現(xiàn)在DNA結(jié)合蛋白中的結(jié)構(gòu)基元。是由一個含有大約30個氨基酸的環(huán)和一個與環(huán)上的4個Cys（半胱氨酸）或2個Cys和2個His（組氨酸）配位的Zn構(gòu)成，形成的結(jié)構(gòu)像手指狀。 Cys2 / Cys2鋅指Cys2 / His2鋅指見于甾體激素受體見于SP1等類固醇激素受體家族含有連續(xù)的兩個鋅指結(jié)構(gòu)3、堿性-亮氨酸拉鏈 （bZIP結(jié)構(gòu)） p303 當來自同一個或不同多肽鏈的兩個-螺旋的疏水面（常常含有亮氨酸殘基）相互作用形成一個二聚體結(jié)構(gòu)時就形成了亮氨酸拉鏈。肽鏈氨基端含2030個富堿性氨基酸。以二聚體形式與DNA結(jié)合，亮氨酸拉鏈區(qū)

20、并不直接結(jié)合DNA，肽鏈氨基端2030個富堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合，但以堿性區(qū)和亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域整體作為基礎(chǔ)。4、堿性-螺旋-環(huán)-螺旋 （bHLH結(jié)構(gòu)）在免疫球蛋白輕鏈基因的增強子結(jié)合蛋白E12與E47中，羧基端100200個氨基酸殘基可形成兩個兩性螺旋，被非螺旋的環(huán)狀結(jié)構(gòu)所隔開，蛋白質(zhì)的氨基端則是堿性區(qū)，其DNA結(jié)合特性與亮氨酸拉鏈類蛋白相似。bHLH類蛋白只有形成同源或異源二聚體時，才具有足夠的DNA結(jié)合能力。當這類異源二聚體中的一方不含有堿性區(qū)（如Id或E12蛋白）時，該二聚體明顯缺乏對靶DNA的親和力。P305 fig8-22Contents真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性真核基因轉(zhuǎn)錄

21、機器的主要組成蛋白質(zhì)磷酸化對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙?；瘜Φ鞍妆磉_的影響 激素與熱激蛋白對基因表達的影響其它水平上的表達調(diào)控細胞是生命活動的基本單位。細胞通過DNA的復制和細胞分裂將本身所固有的遺傳信息由親代傳至子代，實現(xiàn)增殖繁衍。它們還不斷地“感知”環(huán)境變化，并對其作出特定的應答。細胞應答可以分為3個階段：外界信息的“感知”，即由細胞膜到細胞核內(nèi)的信息傳遞,染色質(zhì)水平上的基因活性調(diào)控,特定基因的表達，即從DNARNA蛋白質(zhì)的遺傳信息傳遞過程。蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化過程是生物體內(nèi)普遍存在的信息傳導調(diào)節(jié)方式，幾乎涉及所有的生理及病理過程，如糖代謝、光合作用、細胞的生長發(fā)育、神經(jīng)遞質(zhì)的合成與釋放

22、甚至癌變等等。能與受體呈特異性結(jié)合的生物活性分子則稱 配體(ligand)。受體的定義是細胞膜上或細胞內(nèi)能特別識別生物活性分子并與之結(jié)合的成分。它能把識別和接受的信號正確無誤地放大并傳遞到細胞內(nèi)部，進而引起生物學效應的特殊蛋白質(zhì)。受體的分類： 目前已知受體種類達百余種。按部位分類：細胞膜受體和細胞內(nèi)受體。按結(jié)構(gòu)分類：單體蛋白受體、跨膜復合蛋白受體。按效應分類：離子通道偶聯(lián)受體、G蛋白偶聯(lián)受體、蛋白激酶偶聯(lián)受體。 按功能分類：神經(jīng)遞質(zhì)類受體、激素類受體、自體活性物質(zhì)類受體。 細胞表面受體與配體分子的高親和力特異性結(jié)合，能誘導受體蛋白構(gòu)象變化，使胞外信號順利通過質(zhì)膜進入細胞內(nèi)，或使受體發(fā)生寡聚化而

23、被激活。受體分子活化細胞功能的途徑主要有兩條：一是受體本身或受體結(jié)合蛋白具有內(nèi)源酪氨酸激酶活性，胞內(nèi)信號通過酪氨酸激酶途徑得到傳遞；二是配體與細胞表面受體結(jié)合，通過G蛋白介異的效應系統(tǒng)產(chǎn)生介質(zhì)，活化絲氨酸/蘇氨酸或酪氨酸激酶，從而傳遞信號。G蛋白: 受體與配體結(jié)合后即與膜上的偶聯(lián)蛋白結(jié)合，使其釋放活性因子，再與效應器發(fā)生反應。由于這些偶聯(lián)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能極為類似，且都能結(jié)合GTP或GDP，所以通常稱G蛋白，即鳥苷酸調(diào)節(jié)蛋白（guanine nucleotide regulatory protein） G protein細胞表面的受體通過與其相應配體作用后，可經(jīng)不同種類的G蛋白偶聯(lián)，分別發(fā)揮不同

24、的生物學效應。G蛋白的種類和結(jié)構(gòu)： 已發(fā)現(xiàn)有40多種，結(jié)構(gòu)相似，均為異源性三聚體，由、亞基構(gòu)成.存在于細胞質(zhì)膜上的受體，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換信號的方式又分為三大類：離子通道受體，G蛋白偶聯(lián)受體和跨膜蛋白激酶受體。膜受體(membrane receptor)P308真核細胞主要跨膜信號傳導途徑蛋白質(zhì)磷酸化和GTP結(jié)合蛋白參與的信號轉(zhuǎn)導過程已發(fā)現(xiàn)蛋白激酶基因達2000多個，還有1000多個蛋白質(zhì)去磷酸化酶基因根據(jù)底物蛋白被磷酸化殘基絲氨酸/蘇氨酸型酪氨酸型組氨酸型是否有調(diào)節(jié)物參與信使依賴性（胞內(nèi)信使、調(diào)節(jié)因子、激素或生長因子）非信使依賴型表10、11依賴于cAMP的蛋白激酶稱為A激酶（PKA），它能把

25、ATP分子上的末端磷酸基團加到某個特定蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸殘基上。8.3.1 受cAMP水平調(diào)控的A激酶受cAMP水平調(diào)控的A激酶非活性狀態(tài)的PKA全酶由4個亞基R2C2所組成，分子量約為150-170，調(diào)節(jié)亞基與cAMP相結(jié)合，引起構(gòu)象變化并釋放催化亞基，后者隨即成為有催化活性的單體.8. 3. 1 受cAMP水平調(diào)控的A激酶依賴于cAMP的蛋白激酶稱為A激酶（PKA），能把ATP上的末端磷酸基團加到某個特定蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸殘基上。被A激酶磷酸化的氨基酸N端上游往往存在兩個或兩個以上堿性氨基酸，特定氨基酸的磷酸化（X-Arg-Arg-X-Ser-X）改變了這一蛋白的酶活性。 不同細胞

26、對cAMP信號途徑的反應速度不同： 在肌肉細胞1秒鐘之內(nèi)可啟動糖原降解為葡糖1-磷酸（圖），而抑制糖原的合成 。糖原代謝時，激素與其受體在肌肉細胞外表面相結(jié)合，誘發(fā)細胞質(zhì)cAMP的合成并活化A激酶，后者再將活化磷酸基團傳遞給無活性的磷酸化酶激酶，活化糖原磷酸化酶，最終將糖原磷酸化，進入糖酵解過程并提供ATP。cAMP活化糖原磷酸化酶示意圖 在某些分泌細胞中，需要幾個小時，激活的PKA 進入細胞核，將CRE結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達。許多轉(zhuǎn)錄因子都可以通過cAMP介導的蛋白質(zhì)磷酸化過程而被激活，因為這類基因的5端大都擁有一個或數(shù)個cAMP應答元件（CRE）。 CRE（cAMP respo

27、nse element， cAMP應答元件）是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域。 (TGACGTCA) CRE結(jié)合蛋白(cAMP response element bound protein,CREB)cAMP信號與基因表達該信號途徑涉及的反應鏈可表示為p311：激素G蛋白耦聯(lián)受體激活G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶cAMP 活化依賴cAMP的蛋白激酶A釋放催化亞基進入核內(nèi) 底物（CREB）磷酸化激活基因轉(zhuǎn)錄cAMP信號與基因表達該信號途徑涉及的反應鏈可表示為p311：激素G蛋白耦聯(lián)受體激活G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶cAMP 活化依賴cAMP的蛋白激酶A釋放催化亞基進入核內(nèi) 底物（CREB）磷酸化激活基因轉(zhuǎn)錄8. 3.

28、2 C激酶與PIP2、IP3和DAGC激酶是一個7.7104的蛋白質(zhì)，能磷酸化絲氨酸和蘇氨酸。具有一個催化結(jié)構(gòu)域和一個調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。因為該激酶活性依賴于Ca2+，所以稱為C激酶（PKC）。IP3和DAG是該途徑的主要活性分子，G蛋白通過活化的受體調(diào)控磷酸肌醇酶系統(tǒng)的活性。圖8-31 激酶信號傳遞與基因表達示意圖 。IP3引起細胞質(zhì)Ca2+濃度升高，導致C激酶從胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到靠近原生質(zhì)膜內(nèi)側(cè)處，并被DAG和Ca2+激活。DAG激活C激酶是因為前者提高了C激酶對于Ca2+的親和力。磷酸肌醇級聯(lián)放大的細胞內(nèi)信使是磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP2）的兩個酶解產(chǎn)物：肌醇1，4，5-三磷酸（IP3）和二酰基

29、甘油（DAG）。8. 3. 3 CaM激酶及MAP激酶Ca2+的細胞學功能主要通過鈣調(diào)蛋白激酶（CaM-kinase）來實現(xiàn)，也是一類絲氨酸/蘇氨酸激酶，但僅應答于細胞內(nèi)Ca2+水平。MAP激酶（mitogen-activated protein kinase，MAP-kinase，又稱為extracellular-signal-regulated kinase，ERKS）活性受許多外源細胞生長、分化因子的誘導，也受到酪氨酸蛋白激酶及G蛋白受體系統(tǒng)的調(diào)控。圖8-32 Ras蛋白和C激酶激活絲氨酸/蘇氨酸“瀑布式”磷酸化（級聯(lián)磷酸化），引起相關(guān)生理反應圖示 。MAP-激酶的活性取決于該蛋白中僅有

30、一個氨基酸之隔的酪氨酸、絲氨酸殘基是否都被磷酸化。能同時催化這兩個氨基酸殘基磷酸化的酶稱為MAP-激酶-激酶，其反應底物是MAP激酶。MAP-激酶-激酶本身能被MAP-激酶-激酶-激酶所磷酸化激活，后者能同時被C激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白等激活，從而在信息傳導中發(fā)揮功能。8. 3. 4 酪氨酸蛋白激酶（PTK）途徑包括跨膜受體家族與胞質(zhì)非受體家族兩大類。受體類由胞外結(jié)合配體結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和細胞質(zhì)激酶結(jié)構(gòu)域組成，其PTK活性受胞外結(jié)構(gòu)域與配體的調(diào)節(jié)。配體與受體結(jié)合可誘導受體蛋白的二聚化，將受體胞質(zhì)區(qū)酪氨酸殘基磷酸化。c-Src蛋白功能區(qū)劃分（a）及第416位、527位酪氨酸殘基磷酸化或

31、點突變以后對該蛋白質(zhì)功能的影響（b）。 Src亞家族非受體酪氨酸激酶以及許多PTK作用底物分子都存在Src同源結(jié)構(gòu)域（Src homology domain，SH）。正常細胞中，pp60c-Src上的Tyr527被磷酸化并以頭尾相連的締合方式折入同一分子的SH2結(jié)構(gòu)域中，從而抑制了PTK活性。pp60c-Src與靶分子PI3激酶、rasGAP等的締合作用均涉及pp60c-SrcSH2結(jié)構(gòu)域與PI3激酶及rasGAP分子上酪氨酸磷酸化區(qū)的結(jié)合。圖8-34 Src激酶活化過程圖示 8. 3. 5 蛋白質(zhì)磷酸化與細胞分裂調(diào)控細胞通過P53及P21蛋白控制CDK（cyclin-dependent pr

32、otein kinase）活性，調(diào)控細胞分裂的進程。圖8-35 pRb蛋白的磷酸化和去磷酸化過程控制了細胞分裂的周期性 P21蛋白過量時，周期蛋白（cyclin）E-CDK2復合物與P21蛋白相結(jié)合，CDK2喪失磷酸化PRb蛋白的功能。未磷酸化的PRb蛋白與轉(zhuǎn)錄因子E2F結(jié)合使后者不能激活DNA合成酶基因表達，細胞不能由G1期進入S期，分裂受阻。如果P53基因活性降低，P21蛋白含量下降，周期蛋白E-CDK2復合物就能有效地將PRb蛋白磷酸化，與E2F相脫離，使后者激活與DNA合成有關(guān)的基因表達，細胞從G1期進入S期，引發(fā)細胞分裂。 圖8-36 CDK活性受磷酸化和蛋白質(zhì)水解通路直接調(diào)控。 C

33、DK活性受雙重調(diào)控（1）沒有周期蛋白，CDK無活性。（2）隨著周期蛋白的合成和積累，逐步形成周期蛋白-CDK復合物。（3）CDK上的酪氨酸位點被磷酸化，掩蓋了其ATP結(jié)合位點，ATP不能有效地與之相結(jié)合，CDK仍然無活性。（4）CDK蛋白T-環(huán)中的蘇氨酸位點被磷酸化，并將其酪氨酸位點上的磷酸基團去掉，CDK蛋白才能發(fā)揮其生物學活性。（5）同時，CDK蛋白還能使細胞中的磷酸酯酶磷酸化，以加速脫去自身酪氨酸位點上的磷酸基團。（6）有生物活性的周期蛋白-CDK復合物能將DBRP（Destruction Box Recognizing Protein）磷酸化，激活泛素連接酶，把大量泛素加到周期蛋白上并

34、使之迅速降解，CDK失活，新的周期開始。 Contents真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性真核基因轉(zhuǎn)錄機器的主要組成蛋白質(zhì)磷酸化對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙?；瘜Φ鞍妆磉_的影響 激素與熱激蛋白對基因表達的影響其它水平上的表達調(diào)控1. 組蛋白的乙酰化及去乙?；?.1. 組蛋白的基本組成：組蛋白是組成核小體的基本成分，核小體是組成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元。組蛋白： H1 H2A H2B H3 H4非組蛋白核小體DNA蛋白質(zhì)染色體核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個分子生成的八聚體和由大約200bpDNA組成的。八聚體在中間，DNA分子盤繞在外，而H1則在核小體的外面。每個核小體只有一個H1。核小體組成

35、念珠狀結(jié)構(gòu)，有一條細絲連著一串直徑為10nm的球狀體。核小體1.2. 核心組蛋白的乙?；c去乙?；诵慕M蛋白朝向外部的N-端部分被稱為”尾巴”, 可被組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶和乙酰基去乙?；?修飾，加上或去掉乙?；鶊F。圖：組蛋白N端”尾巴” 主要修飾位點圖8-37 已知組蛋白N-端“尾巴”主要被修飾位點 1.3. 組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（HAT）目前已發(fā)現(xiàn)的HAT有兩類：一類與轉(zhuǎn)錄有關(guān)另一類與核小體組裝以及染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。HAT并不是染色質(zhì)結(jié)合蛋白，但通過蛋白相互作用影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的HAT催化亞基是酵母調(diào)控蛋白質(zhì)GCN5，具有乙酰化組蛋白H3和H4的活性。1.4. 組蛋白去乙?；福℉D

36、AC）組蛋白去乙?；肛撠熑コM蛋白上的乙?；鶊F負責去除組蛋白上的乙酰基團，研究比較深入的是人類HDAC1和酵母Rpd3，都形成很大的蛋白復合體發(fā)揮作用。Rpd3能特異性去除組蛋白上的乙?；鶊F，使核小體相互靠近，并在轉(zhuǎn)錄共抑制子Sin3及R的的協(xié)同作用下，抑制基因轉(zhuǎn)錄。 圖8-39 組蛋白去乙?；笍秃象w能與靶基因啟動子區(qū)結(jié)合，抑制基因轉(zhuǎn)錄 2. 組蛋白的乙?；叭ヒ阴；瘜虮磉_的影響 p320組蛋白乙?；臓顟B(tài)與基因表達有關(guān)。組蛋白N端“尾巴”上賴氨酸殘基的乙?；泻土私M蛋白尾巴的正電荷，降低了它與DNA的親和性，導致核小體構(gòu)象發(fā)生有利于轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白與染色質(zhì)相結(jié)合的變化，從和提高了基因轉(zhuǎn)錄

37、的活性。相反，組蛋白去乙?；c基因活性的阻遏有關(guān)。8. 4. 3 p53乙酰化對轉(zhuǎn)錄活性的影響p53蛋白的活性受翻譯后修飾（如磷酸化、乙?；龋C制調(diào)控，經(jīng)修飾的p53蛋白能與不同靶分子或蛋白復合體相結(jié)合，抑制或激活參與特定生理反應的靶基因。p53在所有細胞中都轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生2.2-2.5千核苷酸的mRNA，編碼由393個氨基酸組成的分子量為53 kDa的蛋白。p53蛋白可分為3個不同區(qū)域：N端酸性區(qū)(1-80位氨基酸殘基)；C端堿性區(qū)(319-393位)和中間(100-300位)的疏水區(qū)（圖8-40A）。 Contents真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性真核基因轉(zhuǎn)錄機器的主要組成蛋白質(zhì)磷酸化對基因轉(zhuǎn)錄

38、的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙?；瘜Φ鞍妆磉_的影響 激素與熱激蛋白對基因表達的影響其它水平上的表達調(diào)控1. 激素對靶基因的影響許多類固醇激素（如雌激素、孕激素、醛固酮、糖皮質(zhì)激素和雄激素）以及一般代謝性激素（如胰島素）的調(diào)控作用都是通過起始基因轉(zhuǎn)錄而實現(xiàn)的。8.5 激素與熱激蛋白對基因表達的影響P 323 幾種常見的疏水性小分子激素的結(jié)構(gòu)式1. 激素對靶基因的影響體內(nèi)存在的許多糖皮質(zhì)類激素應答基因都有一段大約20bp的順式作用元件（激素應答元件，簡稱HRE），該序列具有類似增強子的作用，其活性受激素制約。激素元件序列糖皮質(zhì)GRETGGTACANNNTGTTCG雌激素EREGGTCANNNTGTCC甲狀腺素T

39、RECAGGGACGTGACCGCA固醇類激素的受體蛋白分子有相同的結(jié)構(gòu)框架，包括保守性極高并位于分子中央的DNA結(jié)合區(qū)，位于C端的激素結(jié)合區(qū)和保守性較低的N端。N端功能不詳，但它的存在保證了轉(zhuǎn)錄的高效進行。保守性極高DNA結(jié)合區(qū)，位于C端的激素結(jié)合區(qū)和保守性較低的N端。圖示 不同激素受體的DNA結(jié)合區(qū)類固醇激素通過胞內(nèi)受體調(diào)節(jié)生理過程靶細胞中含有大量激素受體蛋白，而非靶細胞中沒有或很少有這類受體。研究表明，激素，受體，順式作用元件的結(jié)合位點三者缺一不可。2. 熱激蛋白誘導的基因表達能與某個（類）專一蛋白因子結(jié)合，從而控制基因特異表達的DNA上游序列稱為應答元件。應答元件主要有：熱激應答元件（

40、HSE）糖皮質(zhì)應答元件（GRE）金屬應答元件（MRE）應答元件與細胞內(nèi)專一的轉(zhuǎn)錄因子相互作用，協(xié)調(diào)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。調(diào)控因子應答元件DNA序列結(jié)合蛋白熱激HSECNNGAANNTCCNNGHSF鎘MRECGNCCCGGNCNC？佛波酯TRETGACTCAAP1血清SRECCATATTAGGSRF2. 熱激蛋白誘導的基因表達許多生物在最適溫度范圍以上，能受熱誘導合成一系列熱休克蛋白（heat shock protein，HSP），又稱熱激蛋白。受熱后，果蠅細胞內(nèi)Hsp70 mRNA水平提高1 000倍，就是因為熱激因子（heat shock factor，HSF）與hsp70基因TATA區(qū)上游60

41、bp處的HSE（熱激應答元件）相結(jié)合，誘發(fā)轉(zhuǎn)錄起始。不受熱或其他環(huán)境脅迫時，HSF（熱激因子）主要以單體的形式存在于細胞質(zhì)和核內(nèi)。單體HSF沒有DNA結(jié)合能力。受熱激或其他環(huán)境脅迫時，細胞內(nèi)變性蛋白增多，與HSF競爭結(jié)合Hsp70，從而釋放HSF，使之形成三體并輸入核內(nèi)。HSF的三體能與HSE（熱激應答元件）特異結(jié)合，促進基因轉(zhuǎn)錄。HSF的這種能力可能還受磷酸化水平的影響。熱激后，HSF不但形成三體，還會迅速被磷酸化。HSF與HSE的特異性結(jié)合，引起包括Hsp70在內(nèi)的許多熱激應答基因表達，大量產(chǎn)生Hsp70蛋白。隨著熱激溫度消失，細胞內(nèi)出現(xiàn)大量游離Hsp70蛋白，它們與HSF相結(jié)合，形成沒有

42、DNA結(jié)合能力的單體并脫離DNA。Contents真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性真核基因轉(zhuǎn)錄機器的主要組成蛋白質(zhì)磷酸化對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 蛋白質(zhì)乙酰化對蛋白表達的影響 激素與熱激蛋白對基因表達的影響其它水平上的表達調(diào)控8.6 其他水平上的表達調(diào)控8.6.1 RNA的加工成熟1、rRNA和tRNA的加工成熟rRNA加工有兩個內(nèi)容，一個是分子內(nèi)的切割，另一個是化學修飾。真核生物的rRNA基因轉(zhuǎn)錄時先產(chǎn)生一個45S的前體rRNA，然后前體rRNA很快就會被加工降解，生成不同相對分子質(zhì)量的成熟rRNA。rRNA化學修飾：甲基化 原核生物：堿基甲基化 真核生物：核糖甲基化tRNA基因轉(zhuǎn)錄時也可能先生成前體tRNA，然后再進行加工成熟。一般認為，tRNA基因的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在進入細胞質(zhì)后，首先經(jīng)過核苷的修飾，生成4.5S前體tRNA，再行剪接成為成熟tRNA（4S）。編碼蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA。這類基因產(chǎn)物在轉(zhuǎn)錄后要進行一系列的加工變化，才能成為成熟的有生物功能的mRNA。編碼蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄時首先生成前體pre-mRNA(或稱核不均一RNA，hnRNA)，然后再加工剪接為成熟mRNA。這些加工主要包括在mRNA的5末端加帽子，在其3末端加上poly(A)，進行RNA的剪接以及核苷酸的甲基化修飾等。由于mRNA的這些結(jié)構(gòu)與它作為蛋白