郜剛分子生物學-14-真核基因表達調控-3-蛋白質磷酸化對基因轉錄的調控課件

1、8.3蛋白質磷酸化與基因轉錄調控本節(jié)重點：A激酶信號傳遞與基因表達C激酶信號傳遞與基因表達第08章 真核生物基因表達的調控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression )郜剛分子生物學講義山西師范大學生命科學學院1、細胞應答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的信息傳遞,染色質水平上的基因活性調控,特定基因的表達，即從DNARNA蛋白質的遺傳信息傳遞過程。細胞信號發(fā)放（c

2、ell signaling），細胞釋放信號分子，將信息傳遞給其它細胞。細胞通訊（cell communication）指一個細胞發(fā)出的信息通過介質傳遞到另一個細胞產生相應反應的過程。細胞識別（cell recognition）指細胞與細胞之間通過細胞表面的信息分子相互作用，從而引起細胞反應的現象信號轉導（signal transduction） 指外界信號（如光、電、化學分子）與細胞細胞表面受體作用，通過影響細胞內信使的水平變化，進而引起細胞應答反應的一系列過程。信號轉導的復習信號轉導細胞外刺激信號作用于細胞的特殊結構，通過一系列反應實現對細胞功能活動的調控。1、細胞外刺激信號：胞外信息分子：

3、配體 一般為生物活性物質： 神經遞質、激素、細胞因子等， 多數為水溶性物質2、受體(receptor)概念：位于細胞膜或細胞內能與某些信號物質（激素，神經遞質，抗原細胞粘附分子、藥物毒素）結合并能引起特定生物效應的大分子化學本質：多為蛋白質，個別是糖脂受體與配體結合的特點： (1) 特異性：高親和力的空間結構互補 (2) 可逆性：以非共價鍵（H鍵、離子鍵、VDW力）結合 (3) 飽和性：受體數目有限 (4) 傳遞信息： 將二者相互作用產生的信息傳遞到第二信使或效應器上，如酶、離子通道等受體的結構與功能型名稱舉例在信息傳遞增中的作用膜受體I1.離子通道型2。配體門控離了通道型1,n-Ach受體2

4、.GABA-A（r-氨基丁酸-A型受體）快速反應神經遞質受體配受體結合受體變構離子通道II1.G蛋白效應蛋白型受體2.G蛋白偶聯型受體1.m-Ach受體2.激素激素和慢反應神經遞質信息物質受體結合受體變構激活效應蛋白（酶或其它功能蛋白質）酶催化生成一些小分子物質（第二信使）后者入胞產生效應III1.酪氨酸蛋白激酶型受體1.胰島素2.各種生長因子受體本身激酶活性控制蛋白磷酸化產生生物效應核受體IV1.DNA轉錄調節(jié)型受體2.轉錄因子型受體位于可溶性胞漿或核內，又稱核受體受體激活直接影響DNA轉錄效應時程需數天或更長三類膜受體page308G蛋白GTP結合蛋白或GTP結合調節(jié)蛋白，廣泛存在于各種組

5、織細胞膜上。是（G蛋白偶聯）受體與效應酶（酶或離子通道）之間的中介物質，是一種酶G蛋白均通過第二信使引起級聯反應，產生生物效應。配體與受體結合后，通過G蛋白，才能將信號傳遞到效應系統G蛋白的結構及功能G蛋白種類繁多，結構相似，都是膜蛋白，都由3個基組成，不同G蛋白不同， 相同（似），互換不影響G蛋白功能。 ：MW3946KD，含GTP、GDP受體3個結合位點，有GTPase活性，可水解GTPGDPPi，是決定G蛋白功能亞基。 35KD 與 10KD：常組成緊密二聚體，其主要功能是調節(jié)亞基活性在某些細胞也直接參入效應酶的調節(jié)G蛋白類型興奮性G蛋白（Gs）：能激活腺苷酸環(huán)化酶（AC）使 cAMP增

6、加抑制性G蛋白（Gi)：能抑制腺苷酸環(huán)化酶（AC）使 cAMP減少Gplc介導磷脂酶C（PLC）水解肌醇脂質，生成IP3和DG。Gpla介導磷脂酶A2（PLA）促使肌醇脂質釋放花生四烯酸合成前列腺素。Gt-r存在視網膜視錐細胞，偶聯光受體（視紫紅質與cGMP-PDE）Gt-c-存在視網膜桿細胞，功能同Gt- rGo-從魚腦中取得，有傳遞神經沖動和調節(jié)神經元Ca+及K+通訊功能；它只能被百日咳毒素ADP-核糖化，即百日咳毒素可阻斷Go參入的各種功能活動。GP-從血小板、胎盤及人腦細胞膜中分離所得，其亞基分子為2124KD，可被百日咳毒素所抑制，并參與磷脂酶的活化第一信使、第二信使、第三信使脂溶性

7、信號分子，如甾類激素和甲狀腺素，可直接穿膜進入靶細胞，與胞內受體結合形成激素-受體復合物，調節(jié)基因表達。水溶性信號分子，如神經遞質、細胞因子和水溶性激素，不能穿過靶細胞膜，只能與膜受體結合，經信號轉換機制，通過胞內信使（如cAMP）或激活膜受體的激酶活性（如受體酪氨酸激酶），引起細胞的應答反應。所以這類信號分子又稱為第一信使（primary messenger），而cAMP這樣的胞內信號分子被稱為第二信使（secondary messenger）。第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二?；视停―AG），Ca2+被稱為第三信使是因為其釋放有賴于第二信使。Ca2+Ca2+是細胞功

8、能調節(jié)最重要的陽離子。胞外Ca2+濃度高出細胞內1萬倍，當細胞接受外來信號刺激后，胞內鈣迅速上升，鈣迸發(fā)是由于IP3、TxA2（花生四烯酸（AA）代謝產物血栓烷A2）使胞內鈣庫釋放Ca2+ 受體活化，引發(fā)胞外鈣入胞蛋白質的磷酸化與去磷酸化是生物體內普遍存在的信息傳導調節(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、神經遞質的合成與釋放甚至癌變等page307真核細胞主要跨膜信號傳導途徑page309 第二信使 或 受體-配體 激活型G蛋白 激活的 G蛋白效應器 依賴于第二信使的酶或通道激活或抑制 生物效應 G蛋白 G蛋白效應器 配體 受體 G蛋白耦聯受體介導的信號轉導

9、的基本過程G蛋白作用模式相關鏈接：蛋白激酶是一類磷酸轉移酶，其作用是將 ATP 的 磷酸基轉移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質磷酸化（PAGE309）。根據底物蛋白質被磷酸化的氨基酸殘基可分為激酶磷酸基團受體蛋白絲氨酸蘇氨酸激酶page絲氨酸蘇氨酸羥基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羥基蛋白組賴精氨酸激酶咪唑環(huán)，胍基，氨基蛋白半胱氨酸激酶巰基蛋白天冬氨酸谷氨酸激酶?；鞍准っ父鶕欠裼姓{節(jié)物參與蛋白激酶活性可分為兩大類：信使依賴型（又分胞內信使、調節(jié)因子依賴型和激素或生長因子依賴型）非信使依賴型8.3.1 受cAMP水平調控的A激酶A激酶信號轉導與基因表達A激酶（PKA）：依賴于cAMP的蛋白激酶。

10、它能把ATP分子上的末端磷酸基團加到某個特定蛋白質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（X-Arg-Arg-X-Ser-X） ，特定氨基酸的磷酸化改變了這一蛋白的酶活性。cAMP能在不同靶細胞中誘發(fā)不同的反應，因為在不同的細胞中，A激酶的反應底物不一樣無活性蛋白激酶有活性蛋白激酶PCATPADPATPADP糖原磷酸化酶激活的糖原磷酸化酶糖原葡糖-1-磷酸A激酶活化其他蛋白激酶，再活化糖原磷酸化酶，發(fā)生糖酵解糖原代謝時，激素與其受體在肌肉細胞外表面相結合，誘發(fā)細胞質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

11、原磷酸化酶，最終將糖原磷酸化，進入糖酵解.過程并提供ATPA激酶信號轉導與轉錄因子的激活許多轉錄因子都可以通過cAMP介導的蛋白質磷酸化過程而被激活，其作用的順式元件CRE （cAMP應答元件）位于基因的5端，一個或數個，CRE基本序列為TGACGTCA8.3.2 C激酶與PIP2、IP3和DAGC激酶與基因調控C激酶（PKC）：活性依賴于Ca2+的蛋白激酶。另外依賴于IP3、DAG。激發(fā)絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，具有一個催化結構域和一個調節(jié)結構域。與DNA結合以后還能解除調節(jié)區(qū)所造成的抑制作用，提高酶活性。C激酶信號轉導：激活SRE應答元件R外源配體L活性G蛋白磷酸酯酶ppppppDAGIP3

12、PIP2PIP2=磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸MAP=有絲分裂原活化蛋白激酶SRE=血清反應元件SRF=血清反應因子IkB=抑制性卡巴B蛋白NFkB=核因子卡巴B蛋白 MAPCa2+SRE元件SRF靶基因1MAPPKCNF-kB元件NF-kB靶基因1MAPIkBPNF-kB轉錄激活轉錄激活一石二鳥8.3.3 CaM激酶及MAP激酶Ca2+的細胞學功能主要通過鈣調蛋白激酶（CaM-kinase）來實現的，它們也是一類絲氨酸/蘇氨酸激酶，但僅應答于細胞內Ca2+水平。MAP激酶（MAP-kinase，ERKS）活性受許多外源細胞生長、分化因子的誘導。MAP-激酶活性取決于該蛋白中僅有一個氨基酸之隔的

13、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被稱為MAP-激酶-激酶，它的反應底物是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酪氨酸激酶（PTK）途徑包括跨膜受體家族與胞質非受體家族兩大類。受體類由胞外結合配體結構域、跨膜結構域和細胞質激酶結構域組成，其PTK活性受胞外結構域與配體的調節(jié)。配體與受體結合可誘導受體蛋白的二聚化，將受體胞質區(qū)酪氨酸殘基磷酸化。非受體酪氨酸激酶除有一段與前者同源的激酶結構域序列外，還有數個前體所不具備的保守區(qū)。因為Sr

14、c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被稱為Src同源結構域（SH）的序列。所以又將激酶功能區(qū)稱為SH1，而將另外兩個區(qū)分別命名為SH2和SH3。SH2由約100個氨基酸殘基組成，能與帶有磷酸酪氨酸的蛋白質結合，SH3由約60個氨基酸殘基組成，參與將前者定為于質膜內側或與細胞骨架蛋白相互作用，與SH2結合無關。在正常細胞中，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結構域中，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結構域與PI3激酶及rasGAP分子上酪氨酸磷酸

15、化區(qū)的結合。10/17/2022348.3.5蛋白質磷酸化與細胞分裂調控細胞通過p53及p21蛋白控制CDK（cyclin-dependent protein kinase）活性，調控細胞分裂的進程。P21蛋白過量時，大量周期蛋白（cyclin）E-CDK2復合物與P21蛋白相結合，使CDK2喪失磷酸化PRb蛋白的功能。沒有被磷酸化的PRb蛋白與轉錄因子E2F相結合并使后者不能激活與DNA合成有關的酶，導致細胞不能由G1期進入S期，細胞分裂受阻。如果細胞中P53基因活性降低，P21蛋白含量急劇下降，周期蛋白E-CDK2復合物就能有效地將PRb蛋白磷酸化。此時，PRb蛋白不能與E2F相結合，后者發(fā)揮轉錄調控因子的作用， 激 活10/17/202236許多與DNA合成有關的基因表達，細胞從G1期進入S期，開始分裂。注意教材上這個圖不好CDK活性受雙重調控沒有周期蛋白，CDK