分子生物學真核生物基因表達調控

分子生物學真核生物基因表達調控第1頁/共167頁真核生物基因表達與調控的復雜性：（1）真核生物具有由核膜包被的細胞核，其基因的轉錄發(fā)生在細胞核中，而翻譯則發(fā)生在細胞質中（2）基因組結構龐大。真核生物基因數目比原核生物多，大多數基因除了有不起表達作用的內含子，另外還有更多調節(jié)基因表達的非編碼序列，真核生物所轉錄的前體mRNA必須經過加工成熟后才進入表達階段。第2頁/共167頁(3)形成染色體結構。真核生物染色質由DNA與5種組蛋白結合組成，它們折疊和纏繞形成核小體，核小體及染色質進一步折疊纏繞形成細胞分裂的中期染色體。染色質的結構對基因的表達起總體控制作用。第3頁/共167頁（4）重復序列。真核生物基因普遍存在重復序列和異染色質。大多數為非編碼區(qū)。（5）斷裂基因。有外顯子和內含子。

（6）發(fā)育過程中高度分化的機制（7）信號傳遞復雜第4頁/共167頁一、真核細胞基因表達的特點①真核基因組比原核基因組大得多②原核基因組的大部分序列都為編碼基因，而哺乳類基因組中只有10%的序列編碼蛋白質、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重復序列功能至今還不清楚，可能參與調控③真核生物編碼蛋白質的基因是不連續(xù)的，轉錄后需要剪接去除內含子，這就增加了基因表達調控的層次第5頁/共167頁④原核生物的基因編碼序列在操縱子中，多順反子mRNA使得幾個功能相關的基因自然協(xié)調控制；而真核生物則是一個結構基因轉錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子（monocistron），許多功能相關的蛋白、即使是一種蛋白的不同亞基也將涉及到多個基因的協(xié)調表達第6頁/共167頁⑤真核生物DNA在細胞核內與多種蛋白質結合構成染色質，這種復雜的結構直接影響著基因表達；⑥真核生物的遺傳信息不僅存在于核DNA上，還存在線粒體DNA上，核內基因與線粒體基因的表達調控既相互獨立而又需要協(xié)調。

第7頁/共167頁1.根據其性質可分為兩大類：一是瞬時調控或稱為可逆性調控，它相當于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應。瞬時調控包括某種底物或激素水平升降時，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調節(jié)。二是發(fā)育調控或稱不可逆調控，是真核基因調控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發(fā)育的全部進程。真核生物基因表達調控的種類：第8頁/共167頁2.根據基因調控在同一事件中發(fā)生的先后次序又可分為：第9頁/共167頁真核基因表達調控的環(huán)節(jié)更多真核基因轉錄發(fā)生在細胞核(線粒體基因的轉錄在線粒體內)，翻譯則多在胞漿，兩個過程是分開的，因此其調控增加了更多的環(huán)節(jié)和復雜性.同原核生物一樣，轉錄依然是真核生物基因表達調控的主要環(huán)節(jié)。但轉錄后的調控占有了更多的分量。

第10頁/共167頁8.1真核生物的基因結構與轉錄活性

8.2真核生物DNA水平上的基因表達調控8.3真核生物轉錄水平上的基因表達調控8.4真核基因轉錄后水平上的調控Contents第11頁/共167頁8.1真核生物的基因結構與轉錄活性1.真核細胞與原核細胞的差異2.基因家族（genefamily)3.斷裂基因第12頁/共167頁1.真核細胞與原核細胞在基因轉錄、翻譯及DNA的空間結構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錄，翻譯及DNA的空間結構方面存在的主要差異，表現在哪些方面？武漢大學2003年分子生物學碩士入學試題第13頁/共167頁①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。②真核細胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結合，只有一小部分DNA是裸露的。第14頁/共167頁③高等真核細胞DNA中很大部分是不轉錄的，大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內含子。④真核生物能夠有序地根據生長發(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某些基因的拷貝數。第15頁/共167頁⑤在真核生物中，基因轉錄的調節(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，這些調節(jié)區(qū)一般通過改變整個所控制基因5’上游區(qū)DNA構型來影響它與RNA聚合酶的結合能力。在原核生物中，轉錄的調節(jié)區(qū)都很小，大都位于啟動子上游不遠處，調控蛋白結合到調節(jié)位點上可直接促進或抑制RNA聚合酶與它的結合。第16頁/共167頁⑥真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經轉運穿過核膜，到達細胞質后，才能被翻譯成蛋白質，原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。⑦許多真核生物的基因只有經過復雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質。

第17頁/共167頁真核生物的基因組中有很多來源相同、結構相似、功能相關的基因，這些基因成套組合稱為基因家族。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(genecluster)。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2.基因家族（genefamily)第18頁/共167頁1、簡單多基因家族2、復雜多基因家族3.發(fā)育調控的復雜多基因家族第19頁/共167頁（一）基因家族（genefamily)真核生物的基因組中有很多來源相同、結構相似、功能相關的基因，將這些基因稱為基因家族。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(genecluster)。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第20頁/共167頁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。TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit第21頁/共167頁2.復雜多基因家族

復雜多基因家族一般由幾個相關基因構成，基因之間由間隔序列隔開，并作為獨立的轉錄單位。現已發(fā)現存在不同形式的復雜多基因家族。

Organizationofhistonegenesintheanimalgenome第22頁/共167頁大多數真核基因在DNA分子上是不連續(xù)的，都是由蛋白質編碼序列和非蛋白質編碼序列兩部分組成，其中編碼的序列稱為外顯子(Exon)

，非編碼序列稱內含子(Intron)

。3.斷裂基因第23頁/共167頁斷裂基因（interruptedgene）：在一個基因結構中，編碼某一蛋白質不同區(qū)域的各個外顯子并不連續(xù)排列在一起，常常被長度不等的內含子所隔離，形成鑲嵌排列的斷裂方式，稱為斷裂基因。真核基因有時被稱為斷裂基因。第24頁/共167頁真核基因斷裂結構的另一個重要特點是外顯子-內含子連接區(qū)（exon-intronjunction）的高度保守性和特異性堿基序列。第25頁/共167頁8.1真核生物的基因結構與轉錄活性

8.2真核生物DNA水平上的基因表達調控8.3真核生物轉錄水平上的基因表達調控8.4真核基因轉錄后水平上的調控Contents第26頁/共167頁真核基因的斷裂結構

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，其中編碼的序列稱為外顯子，非編碼序列稱內含子。外顯子(Exon)：真核細胞基因DNA中的編碼序列，這些序列被轉錄成RNA并進而翻譯為蛋白質。內含子(Intron)：真核細胞基因DNA中的間插序列，這些序列被轉錄成RNA，但隨即被剪除而不翻譯。第27頁/共167頁第28頁/共167頁1.外顯子與內含子的連接區(qū)

指外顯子和內含子的交界或稱邊界序列，它有兩個重要特征：1）內含子的兩端序列之間沒有廣泛的同源性2）連接區(qū)序列很短，高度保守，是RNA剪接的信號序列（GT-AG法則）

5'GT……AG3'第29頁/共167頁2.外顯子與內含子的可變調控組成型剪接：一個基因的轉錄產物通過剪接只能產生一種成熟的mRNA。選擇性剪接：同一基因的轉錄產物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。第30頁/共167頁第31頁/共167頁假基因是基因組中因突變而失活的基因，無蛋白質產物。一般是啟動子出現問題。第32頁/共167頁8.2

DNA水平的基因表達調控

1染色質水平的調節(jié)：“開放”型活性染色質（activechromatin）結構對轉錄的影響2基因擴增3基因重排與交換4DNA甲基化與基因活性的調控第33頁/共167頁1染色質狀態(tài)對基因表達的調控

按功能狀態(tài)的不同可將染色質分為：（1）活性染色質（有轉錄活性）（2）非活性染色質（沒有轉錄活性）活性染色質的核小體發(fā)生構象改變，具有松散的染色質結構，從而便于轉錄調控因子和順式用元件結合和RNA聚合酶在轉錄模板上滑動。

染色質是否處于活化狀態(tài)是決定轉錄功能的關鍵。第34頁/共167頁活性染色質上具有DNaseI超敏感位點活性染色質的結構特征是RNA聚合酶、轉錄因子和各種調節(jié)因子的結合部位。第35頁/共167頁在具有轉錄活性的染色質區(qū)域，可以觀察到一些變化，最明顯的是該區(qū)域對核酸酶介導的DNA降解的敏感性增強。

轉錄活躍區(qū)域對核酸酶敏感度增加第36頁/共167頁2基因擴增基因擴增是指某些基因的拷貝數專一性增大的現象，它使得細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發(fā)育的需要，是基因活性調控的一種方式。第37頁/共167頁例如:1.非洲爪蟾的卵母細胞中原有rRNA基因（rDNA）約500個拷貝，在減數分裂I的粗線期，這個基因開始迅速復制，到雙線期它的拷貝數約為200萬個，擴增近4000倍，可用于合成1012個核糖體，以滿足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白質的需要。2.許多昆蟲的某些細胞，如唾腺細胞染色體不經發(fā)生細胞分裂就可進行重復復制。這種現象叫做多線性(polyteny)。第38頁/共167頁3基因重排與交換將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉錄，這種方式稱為基因重排。通過基因重排調節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白和T-細胞受體基因的表達。第39頁/共167頁第40頁/共167頁V、C和J基因片段在胚胎細胞中相隔較遠。編碼產生免疫球蛋白的細胞發(fā)育分化時，通過染色體內DNA重組把4個相隔較遠的基因片段連接在一起，從而產生了具有表達活性的免疫球蛋白基因。第41頁/共167頁第42頁/共167頁第43頁/共167頁4DNA甲基化與基因活性的調控DNA甲基化是最早發(fā)現的修飾途徑之一，DNA的甲基化修飾現象廣泛存在于多種有機體中。與基因表達調控密切相關。DNA甲基化能引起染色質結構、DNA構象、組蛋白修飾及DNA與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達。第44頁/共167頁DNA的甲基化修飾與錯誤修正時的定位有關。錯配修復:Dam甲基化酶；5’GATC；MutS、MutH和MutL第45頁/共167頁DNA的甲基化的位點：5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）第46頁/共167頁在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。多個CpG序列集合成簇形成了富含甲基化位點的CpG島（CpGisland），具有很高的序列保守性。第47頁/共167頁真核生物細胞內存在兩種甲基化酶活性：1）一種被稱為日常型甲基轉移酶；2）另一種是從頭合成型甲基轉移酶第48頁/共167頁真核生物細胞內存在兩種甲基化酶活性：日常型甲基轉移酶：催化處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對應的胞嘧啶甲基化。從頭合成型甲基轉移酶：催化未甲基化的CpG成為mCpG第49頁/共167頁第50頁/共167頁基因丟失在細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。第51頁/共167頁

基因丟失： 在細胞分化過程中，某些原生動物、線蟲、昆蟲等體細胞通過丟失某些基因而除去這些基因的活性。 馬蛔蟲：只有一對染色體，染色體上有許多著絲點。

第52頁/共167頁發(fā)育早期：只有一個著絲點行使功能，保證了正常有絲分裂的進行；一定階段：將來分化產生體細胞的細胞中染色體斷裂，形成許多小染色體。含著絲點的小染色體：以后的細胞分裂中都保持下去；不含著絲點的小染色體：因不能在細胞中正常分配而丟失。將來行成生殖細胞的細胞中，不存在染色體斷裂現象。第53頁/共167頁四膜蟲： 大核： 營養(yǎng)核 可轉錄 小核： 生殖核 無轉錄活性 大核由小核發(fā)育而來，發(fā)育過程中有多處染色質斷裂，并刪除約10%的基因組DNA。被刪除序列的存在可能抑制了基因的正常表達。 高等生物中，基本上沒有類似的基因丟失現象-全能性 特例：紅細胞第54頁/共167頁8.1真核生物的基因結構與轉錄活性

8.2真核生物DNA水平上的基因表達調控8.3真核生物轉錄水平上的基因表達調控8.4真核基因轉錄后水平上的調控Contents第55頁/共167頁8.3轉錄水平的基因表達調控第56頁/共167頁特點：真核生物的轉錄調控大多數是通過順式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（trans-actingfactor）間復雜的相互作用來實現的。

第57頁/共167頁8.3轉錄水平的基因表達調控1.真核基因轉錄機器的主要組成：1.1.順式作用元件1.2.反式作用因子2.真核基因轉錄調控的主要模式第58頁/共167頁3.1順式作用元件DNA上一段序列，它們常與特定的功能基因連鎖在一起，組成基因轉錄的調控區(qū)，影響自身基因的表達的DNA序列，稱為順式作用元件。第59頁/共167頁種類：啟動子、增強子、沉默子、應答元件主要是起正性調控作用的順式作用元件，包括啟動子(promoter)、增強子(enhancer)；近年又發(fā)現起負性調控作用的元件沉默子/靜止子(silencer)。第60頁/共167頁在原核生物中，大多數基因表達通過操縱子模型進行調控，其順式作用元件主要由啟動基因、操縱基因和調節(jié)基因組成。第61頁/共167頁真核基因表達以正性調控為主導真核基因轉錄表達的調控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以激活蛋白的作用為主。即多數真核基因在沒有調控蛋白作用時是不轉錄的，需要表達時就要有激活的蛋白質來促進轉錄。換言之：真核基因表達以正性調控為主導。真核基因調控中雖然也發(fā)現有負性調控元件，但其存在并不普遍；第62頁/共167頁順式作用元件（1）啟動子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識別、結合并導致轉錄起始的序列。核心啟動子和上游啟動子第63頁/共167頁①核心啟動子(corepromoter)是指保證使RNA聚合酶II轉錄正常起始所必需的、最少的DNA序列。包括轉錄起始位點及轉錄起始位點上游一25／一30bp處的富含TA的典型元件TATA盒。核心啟動子單獨起作用時，只能確定轉錄起始位點并產生基礎水平的轉錄。

第64頁/共167頁②上游啟動子元件(upstreampromoterelement，UPE)包括通常位于一70bp附近的CAAT盒(CCAAT)和GC盒(GGGCGG)等，能通過TFII-D復合物調節(jié)轉錄起始的頻率，提高轉錄效率。第65頁/共167頁2.增強子對轉錄的影響增強子是指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序列，最早發(fā)現于SV40早期基因的上游，有兩個長72bp的正向重復序列。增強子通常具有下列特性：增強效應十分明顯。增強效應與其位置和取向無關。大多為重復序列（50bp）。其增強效應有嚴密的組織和細胞特異性。無基因專一性，可在不同的基因組合上表現增強效應；許多增強子還受外部信號的調控。第66頁/共167頁增強子作用機理：第67頁/共167頁（3）沉默子：一種負調控元件，參與基因表達的負調控。其作用可不受序列方向影響，能遠距離發(fā)揮作用。當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。第68頁/共167頁（４）應答元件：一段DNA上游序列，能和專一性蛋白因子結合，調控基因特異性表達。包括：如熱激應答元件（heatshockresponseelement，HSE），糖皮質應答元件（glucocorticoidresponseelement，GRE），金屬應答元件（metalresponseelement，MRE）等第69頁/共167頁3.2反式作用因子3.2.1基本概念3.2.2反式作用因子的DNA識別或結合域3.2.3反式作用因子中的轉錄激活域第70頁/共167頁反式作用因子

1、定義：能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件核心序列上，參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質。P300

TFⅡD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（熱激蛋白啟動區(qū)）功能：激活或阻遏基因的表達第71頁/共167頁聚合酶Ⅱ轉錄起始復合體的組裝第72頁/共167頁2、結構DNA結合結構域轉錄活化結構域結構域主要包括：蛋白質-蛋白質結合域第73頁/共167頁DNA識別或結合域

①螺旋-轉折-螺旋②鋅指結構（zincfinger）③堿性-亮氨酸拉鏈④堿性-螺旋-環(huán)-螺旋⑤同源域蛋白（homeodomains，HD）第74頁/共167頁最初在λ噬菌體的阻遏蛋白中發(fā)現的一種DNA結合結構域?，F廣泛分布在從酵母到人類的各種真核生物中，雖彼此在氨基酸的順序上差別很大，但高級結構高度保守，如同源域蛋白。①螺旋-轉折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）第75頁/共167頁兩段а-螺旋夾一段β-折迭構成，а-螺旋與β-折迭之間通過β-轉角或成環(huán)連接第76頁/共167頁Helix3ofthehomeodomainbindsinthemajorgrooveofDNA,withhelices1and2lyingoutsidethedoublehelix.TheN-terminalarmliesintheminorgroove,andmakesadditionalcontacts.第77頁/共167頁②鋅指結構配位鍵2-9個C——CysH——His第78頁/共167頁“鋅指”:

據其結構命名,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或2個Cys和2個His配位的Zn構成，形成的結構像手指狀。C——CysH——His第79頁/共167頁典型“鋅指蛋白”(typiczinicfingers)含一連串鋅指。重復的鋅指結構都是以鋅將α螺旋與一個反向平行的?片層的基部以鋅原子為中心，通過與一對半胱氨酸和一對組氨酸間形成配位鍵相連接，鋅指環(huán)上突出的賴氨酸、精氨酸參與DNA結合。

第80頁/共167頁Zincfingersmayformα-helicesthatinsertintothemajorgroove,associatedwithβ-sheetsontheotherside.第81頁/共167頁這種基序含4-8個亮氨酸，每隔6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基間隔，這導致第7個亮氨酸殘基都在螺旋的同側。又因這類蛋白質都以二聚體形式與DNA結合，兩個蛋白質α螺旋上的亮氨酸靠近而形成拉鏈樣結構。③堿性-亮氨酸拉鏈(basic-leucinezipper,bZIP)肽鏈氨基端20～30個富含堿性氨基酸結構域與DNA結合。第82頁/共167頁ThebasicregionsofthebZIPmotifareheldtogetherbythedimerizationattheadjacentzipperregionwhenthehydrophobicfacesoftwoleucinezippersinteractinparallelorientation.N-end第83頁/共167頁④堿性-螺旋-環(huán)-螺旋（basic–helix/loop/helix，bHLH）其主要特點是可形成兩個α-螺旋，兩個螺旋之間由環(huán)狀結構相連。螺旋負責二聚體的形成，在HLH中帶有堿性區(qū)的肽鏈稱為堿性HLH（bHLH）。負責結合DNA。研究發(fā)現，bH-L-H類蛋白只有形成同源或異源二聚體時，才具有足夠的DNA結合能力，當這類異源二聚體中的一方不含有堿性區(qū)時，明顯缺乏對靶基因的親和力。第84頁/共167頁⑤同源域蛋白同源域（homeodomains）是指編碼60個保守氨基酸序列的DNA片段，廣泛存在于真核基因組內，最早從果蠅同源異型座位homeoticloci中克隆得到而命名。具有轉錄調控功能。同源域蛋白是一個DNA結合域，它由60個氨基酸組成，并形成3個α螺旋。C端α螺旋有17個氨基酸，結合DNA大溝。N端臂插入DNA小溝。蛋白C末端區(qū)域類似于原核基因阻遏物螺旋-轉角-螺旋結構有關。第85頁/共167頁轉錄活化結構域

反式作用因子的功能具有多樣性，其轉錄活化域也有多種，通常是依賴于DNA結合結構域以外的30～l00個氨基酸殘基。不同的轉錄活化域大體上有下列幾組特征性結構：①帶負電荷的α螺旋結構。②富含谷氨酰胺的結構。③富含脯氨酸的結構。

第86頁/共167頁真核基因轉錄調節(jié)是復雜的、多樣的真核生物的轉錄調控大多數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的。第87頁/共167頁真核基因轉錄調控的主要模式2.1蛋白質磷酸化對基因表達影響2.2蛋白的乙?；瘜虮磉_影響2.3激素及熱激蛋白對基因表達影響第88頁/共167頁1.蛋白質磷酸化蛋白質的磷酸化與去磷酸化過程（圖8-25，p307）是生物體內普遍存在的信息傳導調節(jié)方式，在細胞信號的傳遞過程中占有極其重要的地位，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等。第89頁/共167頁

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DNA→RNA→蛋白質的遺傳信息傳遞過程。1.蛋白質磷酸化第90頁/共167頁一.

蛋白質磷酸化、信號轉導及基因表達蛋白質的磷酸化與去磷酸化過程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等。蛋白質的磷酸化是指由蛋白質激酶催化的把ATP或GTP上γ位的磷酸基轉移到底物蛋白質氨基酸殘基上的過程，其逆轉過程是由蛋白質磷酸酶催化的，稱為蛋白質脫磷酸化。蛋白質的磷酸化反應是生物體內存在的一種普遍的調節(jié)方式，在細胞信號的傳遞過程中占有極其重要的地位。已經發(fā)現在人體內有多達2000個左右的蛋白質激酶和1000個左右的蛋白質磷酸酶基因。

第91頁/共167頁1．蛋白質磷酸化在細胞信號轉導中的作用(1).在胞內介導胞外信號時具有專一應答特點。與信號傳遞有關的蛋白激酶類主要受控于胞內信使，如cAMP，Ca2+，DG（二酰甘油，diacylglycerol）等，這種共價修飾調節(jié)方式顯然比變構調節(jié)較少受胞內代謝產物的影響。(2).蛋白質的磷酸化與脫磷酸化控制了細胞內已有的酶“活性”。與酶的重新合成及分解相比，這種方式能對外界刺激做出更迅速的反應。

(3).對外界信號具有級聯(lián)放大作用；

(4).蛋白質的磷酸化與脫磷酸化保證了細胞對外界信號的持續(xù)反應。被磷酸化的主要氨基酸殘基：絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸。組氨酸和賴氨酸殘基也可能被磷酸化。第92頁/共167頁signalmagnification信號轉導中的一系列過程特異的膜受體對信號刺激的識別信號的跨膜轉換細胞內信號分子被傳遞給效應分子，引起細胞的活性變化信號分子的失活引起細胞反應的終止第93頁/共167頁受體Receptor存在于細胞膜或細胞內；能接受外界的信號并將這一信號轉化為細胞內的一系列生物化學反應，而對細胞的結構或功能產生影響第94頁/共167頁配體Ligand能與受體呈特異性結合的生物活性分子統(tǒng)稱為配體。受體與配體結合特性：特異性、高效性、可飽和性、可逆性。第95頁/共167頁受體的基本類型第96頁/共167頁根據其結構和轉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系統(tǒng)。1、膜受體(membranereceptor)第97頁/共167頁受體細胞表面受體細胞內受體配體閘門離子通道生長因子類受體G蛋白偶聯(lián)的受體第98頁/共167頁離子通道受體，G蛋白偶聯(lián)受體系統(tǒng)跨膜蛋白激酶受體系統(tǒng)。第99頁/共167頁2、胞內受體(membranereceptor)第100頁/共167頁一氧化氮（NO）——細胞內信號

1998年諾貝爾醫(yī)學與生理學獎

硝酸甘油治療心絞痛具有百年的歷史，其作用機理是在體內轉化為NO，可舒張血管，減輕心臟負荷和心肌的需氧量。

第101頁/共167頁磷酸化與去磷酸化蛋白質的磷酸化是指由蛋白質激酶催化的把ATP或GTP上γ位的磷酸基轉移到底物蛋白質氨基酸殘基上的過程其逆轉過程是由蛋白質磷酸酶催化的，稱為蛋白質脫磷酸化。已經發(fā)現在人體內有多達2000個左右的蛋白質激酶和1000個左右的蛋白質磷酸酶基因。組氨酸和賴氨酸殘基也可能被磷酸化。第102頁/共167頁蛋白激酶的種類與功能

根據底物蛋白質被磷酸化的氨基酸殘基的種類可分為三大類：

第一類為絲氨酸/蘇氨酸型。第二類為酪氨酸型。第三類是組氨酸型。細胞受刺激以后，通過蛋白質磷酸化及一系列級聯(lián)放大過程將胞外信號轉化為細胞內信號，從而引起廣泛的生理反應。第103頁/共167頁

根據是否有調節(jié)物參與蛋白激酶活性又可分成兩大類：信使依賴性蛋白質激酶（messenger-dependentproteinkinase），包括胞內信使或調節(jié)因子依賴性蛋白激酶及激素（生長因子）依賴性激酶兩個亞類；非信使依賴型蛋白激酶。第104頁/共167頁蛋白質磷酸化對基因表達影響1.受cAMP水平調控的A激酶2.C激酶與PIP2、IP3和DAG

3.CaM激酶及MAP

4.酪氨酸激酶途徑5.蛋白質磷酸化參與細胞分裂的調控G蛋白偶聯(lián)受體系統(tǒng)跨膜蛋白激酶酶受體系統(tǒng)第105頁/共167頁3.蛋白激酶的種類與功能

根據底物蛋白質被磷酸化的氨基酸殘基的種類可分為三大類：

第一類為絲氨酸/蘇氨酸型。這類蛋白激酶使底物蛋白質的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化。第二類為酪氨酸型。被磷酸化的是底物的酪氨酸殘基。

第三類是“雙重底物特異性蛋白激酶（dual-specificityproteinkinase），既可使絲氨酸和蘇氨酸殘基磷酸化又可使酪氨酸殘基磷酸化。細胞受刺激以后，通過蛋白質磷酸化及一系列級聯(lián)放大過程將胞外信號轉化為細胞內信號，從而引起廣泛的生理反應。第106頁/共167頁根據是否有調節(jié)物來分又可分成兩大類：

信使依賴性蛋白質激酶（messenger-dependentproteinkinase），包括胞內第二信使或調節(jié)因子依賴性蛋白激酶及激素（生長因子）依賴性激酶兩個亞類；非信使依賴型蛋白激酶。第107頁/共167頁第108頁/共167頁G蛋白偶聯(lián)受體這類受體與G蛋白偶聯(lián)，并通過G蛋白調節(jié)細胞的生物學效應，因而稱之為G蛋白偶聯(lián)的受體。由一條多肽鏈組成，其中帶有7個疏水跨膜區(qū)域氨基末端朝向細胞外，羧基末端則朝向細胞內基質羧基末端有兩個在蛋白激酶催化下發(fā)生磷酸化的位點，與受體活性調控有關。當受體與相應的配體結合后，觸發(fā)受體蛋白的構象改變，后者再進一步調節(jié)G蛋白的活性而將配體的信號傳遞到細胞內。第109頁/共167頁G蛋白偶聯(lián)受體又稱七個跨膜螺旋受體/蛇型受體第110頁/共167頁αβγ結合GTP或GDPG蛋白——鳥苷酸結合蛋白（guaninenucleotide－bindingprotein）由αβγ3個不同的亞單位構成異聚體;具有結合GTP或GDP的能力和GTPase的活性；其本身的構象改變可進一步激活效應蛋白effectorprotein，實現把細胞外的信號傳遞到細胞內的過程。最早是由Rodbell，Gilman等分離純化，并將其命名，獲得了1994年的諾貝爾獎。

第111頁/共167頁G蛋白的分子開關第112頁/共167頁1.受cAMP水平調控的A激酶（P269）

A激酶（ProteinKinaseA，PKA）：依賴于cAMP的蛋白激酶。第113頁/共167頁蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由兩個催化亞基和兩個調節(jié)亞基組成?；罨牡鞍准っ窤催化亞基可使細胞內某些蛋白的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，于是改變這些蛋白的活性，進一步影響到相關基因的表達。第114頁/共167頁腺苷酸環(huán)化酶（adenylatecyclase）：是相對分子量為150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP第115頁/共167頁cAMP信號與基因表達膜上的受體與外源配基相結合，引起受體構象上的變化，并與GTP結合蛋白相結合，激活了與膜相關的腺苷酸環(huán)化酶（AC），導致胞內cAMP濃度上升，活化A激酶，釋放催化亞基并進入核內，實施底物磷酸化。被磷酸化的底物，如CREB、CREM等，可作為轉錄激活因子誘發(fā)基因轉錄。

第116頁/共167頁已經證實，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，因為這類基因的5’端啟動區(qū)大都擁有一個或數個cAMP應答元件（cAMP–responseelement,CRE），

其基本序列是TGACGTCA。CRE結合蛋白(cAMPresponseelementboundprotein,CREB)第117頁/共167頁該信號途徑涉及的反應鏈可表示為：激素→G蛋白耦聯(lián)受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→依賴cAMP的蛋白激酶A→基因調控蛋白→基因轉錄第118頁/共167頁7.3.1蛋白質磷酸化、信號轉導及基因表達1.受cAMP水平調控的A激酶2.C激酶與PIP2、IP3和DAG

3.CaM激酶及MAP

4.酪氨酸激酶途徑5.蛋白質磷酸化參與細胞分裂的調控G蛋白偶聯(lián)受體系統(tǒng)跨膜蛋白激酶受體系統(tǒng)第119頁/共167頁4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）磷脂酶C（PLC-β）1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）二酰基甘油（DAG）2.C激酶與PIP2、IP3和DAG

—磷脂酰肌醇途徑又稱為“雙信使系統(tǒng)”(doublemessengersystem)。第120頁/共167頁5.C激酶與PIP2、IP3和DAG磷酸肌醇級聯(lián)放大的細胞內信使是磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP2）的兩個酶解

產物：肌醇1，4，5-三磷酸（IP3）和二?；视停―AG）。C激酶（PKC）是依賴于Ca2+的蛋白質激酶。由于IP3所引起的細胞質Ca2+濃度升高，導致C激酶從胞質轉運到靠原生質膜內側處，并被DAG和Ca2+的雙重影響所激活。C激酶的活性也受磷脂酰絲氨酸的影響，原因是后者大大提高了C激酶對于Ca2+的親和力，從而使得C激酶能被生理水平的Ca2+離子所活化。C激酶主要實施對絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，它具有一個催化結構域和一個調節(jié)結域。第121頁/共167頁

C激酶（PKC）是依賴于Ca2+的蛋白質激酶。由于IP3所引起的細胞質Ca2+濃度升高，導致C激酶從胞質轉運到靠原生質膜內側處，并被DAG和Ca2+的雙重影響所激活。C激酶主要實施對絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，它具有一個催化結構域和一個調節(jié)結域。第122頁/共167頁第123頁/共167頁第124頁/共167頁3.CaM激酶及MAP鈣調蛋白(calmodulin,CaM)為鈣結合蛋白，由一條肽鏈組成，有四個Ca2+結合位點。與Ca2+結合后可激活CaM激酶（CaM-kinase），再磷酸化多種功能蛋白質的絲、蘇氨基酸殘基。

第125頁/共167頁6.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，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（mitogen-activatedproteinkinase,MAP-kinase，又稱為extracellular-signal-regulatedkinase，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)的調控。MAP-激酶的活性取決于該蛋白中僅有一個氨基酸之隔的酪氨酸、絲氨酸殘基是否都被磷酸化。科學家把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，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。第126頁/共167頁第127頁/共167頁MAP激酶（mitogen-activatedproteinkinase,MAPK,有絲分裂活化蛋白激酶）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)的調控。

MAP-激酶的活性取決于該蛋白中僅有一個氨基酸之隔的酪氨酸、絲氨酸殘基是否都被磷酸化（圖8-32）。

第128頁/共167頁把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（MAPKK

），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（MAPKKK）所磷酸化，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)揮作用。（圖8-32）第129頁/共167頁

MAPKK

MAPKKK

MAPK第130頁/共167頁4.酪氨酸激酶途徑（TPK）酪氨酸激酶(tyrosineproteinkinase,TPK)通過受體本身的酪氨酸激酶的激活來完成信號的裝導，不需要G蛋白。跨膜受體型TPK和胞質非受體型TPK※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TPK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?！鞘荏w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)。第131頁/共167頁（一）受體酪氨酸激酶

receptorTyrosineKinase,receptortrK（RPTK）酶蛋白以跨膜結構形式存在于細胞膜上;胞外的部分是配體結合區(qū)，起受體的作用；細胞質一側的部分稱為激酶活性區(qū)，具有酪氨酸激酶的活性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，具有酪氨酸蛋白激酶活性。第132頁/共167頁第133頁/共167頁酪氨酸蛋白激酶包含6個亞家族：表皮生長因子（EGF）、胰島素樣生長因子（IGF）、神經生長因子（NGF）、血小板衍生生長因子（PDGF）、成纖維細胞生長因子（FGF）和血管內皮細胞生長因子（VEGF）受體都擁有定位于胞內的酪氨酸激酶功能區(qū)域和膜外區(qū)。第134頁/共167頁各類受體酪氨酸激酶第135頁/共167頁

細胞外信號EGF、PDGF等具PTK活性的受體GRB2

PSOS

PRas-GTP

PRaf調節(jié)其他蛋白活性MAPKKMAPK

P

P

P細胞核反式作用因子調控基因表達細胞膜二聚化

跨膜受體型TPK生長因子受體結合蛋白（Grb2）

第136頁/共167頁第137頁/共167頁5.蛋白質磷酸化參與細胞分裂的調控CDK（cyclin-dependentproteinkinase）周期蛋白依賴性蛋白激酶，簡稱CDK激酶蛋白質磷酸化參與細胞分裂的調控第138頁/共167頁第139頁/共167頁第四節(jié)蛋白質乙酰化對基因表達的影響1.組蛋白的乙?；叭ヒ阴；?.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的基本結構單元。1.2.核心組蛋白的乙?；c去乙?；?40頁/共167頁組蛋白的乙?；叭ヒ阴；瘜虮磉_的影響組蛋白乙酰化的狀態(tài)與基因表達有關。組蛋白N端“尾巴”上賴氨酸殘基的乙酰化中和了組蛋白尾巴的正電荷，降低了它與DNA的親和性，導致核小體構象發(fā)生有利于轉錄調節(jié)蛋白與染色質相結合的變化，從和提高了基因轉錄的活性。相反，組蛋白去乙?；c基因活性的阻遏有關。組蛋白乙酰基轉移酶和去乙?；钢荒苡羞x擇地影響一部分基因的轉錄。第141頁/共167頁激素及其影響許多類固醇激素（如雌激素、孕激素、醛固酮、糖皮質激素和雄激素）以及一般代謝性激素（如胰島素）的調控作用都是通過起始基因轉錄而實現的。靶細胞中還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，這是激素調節(jié)轉錄組織特異性的根本原因。第142頁/共167頁

所有固醇類激素的受體蛋白分子都有相同的結構框架，包括保守性極高的、位于分子中央的DNA結合區(qū)，位于C端的有較強同源性的激素結合區(qū)和保守性較小的N端。該區(qū)的具體功能不詳，但它的存在保證了轉錄的高效進行。研究還發(fā)現，如果糖皮質激素受體蛋白激素結合區(qū)的某個部分丟失，就變成一種永久型的活性分子，即無需激素誘導也有激活基因轉錄的作用。第143頁/共167頁1.激素對靶基因的影響體內存在的許多糖皮質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。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。激素元件序列糖皮質GRETGGTACANNNTGTTCG雌激素EREGGTCANNNTGTCC甲狀腺素TRECAGGGACGTGACCGCA第144頁/共167頁1.激素對靶基因的影響固醇類激素的受體蛋白分子有相同的結構框架，包括保守性極高并位于分子中央的DNA結合區(qū)，位于C端的激素結合區(qū)和保守性較低的N端。第145頁/共167頁固醇類激素的受體蛋白分子都有相同的結構框架，包括：保守性極高的（94％～42％）、位于分子中央的DNA結合區(qū)，位于C端的有57％～15％同源性的激素結合區(qū)和保守性小于15％的N端。第146頁/共167頁

科學家認為，激素、受體與順式作用元件的結合位點三者缺一不可，其中無論是受體蛋白與激素的結合，還是激素本身，都不是與DNA結合并激活轉錄所必須的。其實，通常情況下，受體蛋白中激素結合結構域妨礙了DNA結合區(qū)及轉錄調控區(qū)發(fā)揮生理功能，只有與相應激素結合后才能打破這種障礙。第147頁/共167頁類固醇激素與甲狀腺素通過胞內受體調節(jié)生理過程第148頁/共167頁能與某個（類）專一蛋白因子結合，從而控制基因特異表達的DNA上游序列稱為應答元件。應答元件與細胞內專一的轉錄因子相互作用，協(xié)調相關基因的轉錄。應答元件主要有：如熱激應答元件（heatshockresponseelement，HSE），糖皮質應答元件（glucocorticoidresponseelement，GRE），金屬應答元件（metalresponseelement，MRE）等調控因子應答元件DNA序列結合蛋白熱激HSECNNGAANNTCCNNGHSF鎘MRECGNCCCGGNCNC？佛波酯TRETGACTCAAP1血清SRECCATATTAGGSRF熱激蛋白誘導的基因表達第