分子生物學(xué)課件07.ppt

第七章基因的表達與調(diào)控 真核基因表達調(diào)控模式 本章所講述內(nèi)容 1 真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性 2 真核基因的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控 3 反式作用因子的調(diào)控作用 4 真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要模式 5 其他水平的基因調(diào)控 本節(jié)課所講述內(nèi)容 真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性 1 簡述真核生物基因表達調(diào)控總論 2 真核基因組的一般構(gòu)造特點 3 基因的典型結(jié)構(gòu)及特點 4 真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控 5 DNA甲基化與基因活性的調(diào)控 基因表達是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄 翻譯 產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個過程 轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達調(diào)控的主要環(huán)節(jié) 真核基因表達調(diào)控的位點多 轉(zhuǎn)錄在細胞核 線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在線粒體內(nèi) 翻譯在胞漿 分開的 因此其調(diào)控增加了環(huán)節(jié)和復(fù)雜性 轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控占有了更多的分量 真核生物和原核生物由于基本生活方式不同所決定基因表達調(diào)控上的巨大差別 原核生物的調(diào)控系統(tǒng)就是要在一個特定的環(huán)境中為細胞創(chuàng)造高速生長的條件 或使細胞在受到損傷時 盡快得到修復(fù) 所以 原核生物基因表達的開關(guān)經(jīng)常是通過控制轉(zhuǎn)錄的起始來調(diào)節(jié)的 真核生物 除酵母 藻類和原生動物等單細胞類之外 主要由多細胞組成 每個真核細胞所攜帶的基因數(shù)量及總基因組中蘊藏的遺傳信息量都大大高于原核生物 人類細胞單倍體基因組就包含有3 109bp總DNA 約為大腸桿菌總DNA的1000倍 是噬菌體總DNA的10萬倍左右 真核基因表達調(diào)控的最顯著特征是能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因 從而實現(xiàn) 預(yù)定 的 有序的 不可逆轉(zhuǎn)的分化 發(fā)育過程 并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常功能 真核生物基因調(diào)控 根據(jù)其性質(zhì)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(dāng)于原核細胞對環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng) 包括某種底物或激素水平升降及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(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 它決定了真核細胞生長 分化 發(fā)育的全部進程 在真核生物中基因表達的調(diào)節(jié)其特點是 1 多層次 2 無操縱子和衰減子 3 個體發(fā)育復(fù)雜 4 受環(huán)境影響較小 基因表達的多級調(diào)控基因的結(jié)構(gòu)活化 轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運 mRNA降解 翻譯及翻譯后加工及蛋白質(zhì)降解等均為基因表達調(diào)控的控制點 可見 基因表達調(diào)控是在多級水平上進行的復(fù)雜事件 其中轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的基本控制點 研究基因調(diào)控主要應(yīng)回答3個問題 什么是誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄的信號 基因調(diào)控主要是在哪一步 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)控的分子機制是什么 真核基因組的一般構(gòu)造特點 在真核細胞中 一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈 不存在原核生物中常見的多基因操縱子形式 真核細胞DNA都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 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) 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(yán)格的空間間隔 許多真核生物的基因只有經(jīng)過復(fù)雜的成熟和剪接過程 maturationandsplicing 才能順利地翻譯成蛋白質(zhì) 7 1 1基因的典型結(jié)構(gòu)及特點 1 染色體結(jié)構(gòu)復(fù)雜由DNA 組蛋白 非組蛋白等大分子組成 其基本結(jié)構(gòu)物質(zhì)是DNA和組蛋白 核小體是染色質(zhì)的基本單位 真核染色體上三要素 DNA復(fù)制起始點 著絲點 centromere 和端粒 telomere 目前通用的酵母人工染色體 YAC 以及正在研制的哺乳動物細胞人工染色體 MAC 就是以此為基礎(chǔ) 再加自主復(fù)制序列 ARS 選擇標(biāo)記和插入位點組建的 2 DNA順序重復(fù) 輕度 中度 高度重復(fù)序列三種 輕度重復(fù)序列 單拷貝基因 一個基因組中有一個或幾個拷貝的序列 例如結(jié)構(gòu)基因基本上屬于不重復(fù)序列 如蛋清蛋白 蠶的絲心蛋白等 中度重復(fù)序列 l0個至幾百個拷貝的序列 各種rRNA tRNA及某些結(jié)構(gòu)蛋白基因 如組蛋白基因 高度重復(fù)序列 從幾百到幾百萬個 通常說的衛(wèi)星DNA就屬于高度重復(fù)序列 重復(fù)序列的存在是真核生物DNA區(qū)別于原核生物DNA的一個重要特征 3 基因不連續(xù)性 interruptedgene 基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)的 為不編碼的序列所隔開 不連續(xù)基因是通過mRNA和DNA雜交試驗發(fā)現(xiàn)的 外顯子 exon 編碼序列內(nèi)含子 intron 非編碼序列外顯子和內(nèi)含子的概念與是否編碼氨基酸的概念并不相對應(yīng) 從不連續(xù)基因到成熟mRNA之間存在著一個基因轉(zhuǎn)錄的中間體 叫做初級轉(zhuǎn)錄物 叫做不均一核RNA heterogeneousnuclearRNA hnRNA 這個基因的初級轉(zhuǎn)錄物既含有外顯子又含有內(nèi)合子序列 從不均一核RNA到成熟mRNA要經(jīng)過一轉(zhuǎn)錄后的加工拼接過程 真核生物基因的不連續(xù)性和轉(zhuǎn)錄后加工是真核基因有別于原核基因的又一重要特征 在真核生物中也有些基因是不含內(nèi)含子的 如組蛋白基因及 型 型干擾素基因 大多數(shù)酵母蛋白基因等 在一個結(jié)構(gòu)基因中 編碼某一蛋白質(zhì)不同區(qū)域的各個外顯子并不連續(xù)排列在一起 而常常被長度不等的內(nèi)含子所隔離 形成鑲嵌排列的斷裂方式 所以 真核基因有時被稱為斷裂基因 interruptedgene 目前尚不清楚內(nèi)含子的生理功能 研究發(fā)現(xiàn) 只有真核生物具有切除基因中內(nèi)含子 產(chǎn)生功能型mRNA和蛋白質(zhì)的能力 原核生物一般不具有這種本領(lǐng) 如果要在原核細胞里表達真核基因 必須首先構(gòu)建切除內(nèi)含子的重組基因 才有可能得到所研究的蛋白質(zhì) 4 存在許多基因家族 genefamily 來源相同 結(jié)構(gòu)相似 功能相關(guān)的基因組成為單一的基因簇或稱基因家族 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 更多的時候 它們卻分散在同一染色體的不同部位 甚至位于不同的染色體上 具有各自不同的表達調(diào)控模式 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5SrRNA基因聯(lián)合成一個轉(zhuǎn)錄單位 各種rRNA分子都是從這個轉(zhuǎn)錄單位上剪切下來的 在真核生物中 前rRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的分子量為45S 包括18S 28S和5 8S三個主要rRNA分子 前rRNA分子中至少有100處被甲基化 主要是核糖的2 OH甲基化 原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物也被特異性RNA酶切割降解 產(chǎn)生成熟rRNA分子 5SrRNA作為一個獨立的轉(zhuǎn)錄單位 由RNA聚合酶III 而不是聚合酶I 完成轉(zhuǎn)錄 復(fù)雜多基因家族 復(fù)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 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)存在不同形式的復(fù)雜多基因家族 海膽的組蛋白基因家族串聯(lián)單位中的每一個基因分別被轉(zhuǎn)錄成單順反子RNA 這些RNA都沒有內(nèi)含子 而且各基因在同一條DNA鏈上按同一方向轉(zhuǎn)錄 每個基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯速度都受到調(diào)節(jié) 研究還表明 在一個特定的細胞中 并不是所有串聯(lián)的單位都得到轉(zhuǎn)錄 胚胎發(fā)育的不同階段或不同組織中 有不同的串聯(lián)單位被轉(zhuǎn)錄 暗示可能存在具有不同專一性的組蛋白亞類和發(fā)育調(diào)控機制 5 存在串聯(lián)重復(fù)基因 其特點是各成員之間有高度的序列一致性甚至完全相同 拷貝數(shù)高 非轉(zhuǎn)錄的間隔區(qū)短而一致 組蛋白基因 rRNA基因 tRNA基因都是串聯(lián)重復(fù)基因 這些基因的產(chǎn)物在細胞中都是大量需要的 順式作用元件 是指那些與結(jié)構(gòu)基因表達調(diào)控相關(guān) 能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識別和結(jié)合的特異DNA序列 包括啟動子 上游啟動子元件 增強子 加尾信號和一些反應(yīng)元件等 反式作用因子 是指真核細胞內(nèi)含有的大量可以通過直接或間接結(jié)合順式作用元件而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性的蛋白質(zhì)因子 增強子 位于真核基因中遠離轉(zhuǎn)錄起始點 能明顯增強啟動子轉(zhuǎn)錄效率的特殊DNA序列 它可位于被增強的轉(zhuǎn)錄基因的上游或下游 也可相距靶基因較遠 7 1 3真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控 分子生物學(xué)的最新研究表明 在個體發(fā)育過程中 用來合成RNA的DNA模板也會發(fā)生規(guī)律性變化 從而控制基因表達和生物體的發(fā)育 高度重復(fù)基因的形成通常與個體分化階段DNA的某些變化有關(guān) 例如 一個成熟的紅細胞能產(chǎn)生大量的可翻譯出成熟珠蛋白的mRNA 而其前體細胞卻不產(chǎn)生珠蛋白 許多情況下 這種變化是由于基因本身或它的拷貝數(shù)發(fā)生了永久性變化 這種DNA水平的調(diào)控是真核生物發(fā)育調(diào)控的一種形式 它包括了基因丟失 擴增 重排和移位等方式 通過這些方式可以消除或變換某些基因并改變它們的活性 這些調(diào)控方式與轉(zhuǎn)錄及翻譯水平的調(diào)控是不同的 因為它使基因組發(fā)生了改變 7 1 3 1 開放 型活性染色質(zhì) activechromatin 結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)錄的影響 真核基因的活躍轉(zhuǎn)錄是在常染色質(zhì)上進行的 轉(zhuǎn)錄發(fā)生之前 染色質(zhì)常常會在特定的區(qū)域被解旋松弛 形成自由DNA 這種變化可能包括核小體結(jié)構(gòu)的消除或改變 DNA本身局部結(jié)構(gòu)的變化等 這些變化可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因暴露 促進轉(zhuǎn)錄因子與啟動區(qū)DNA的結(jié)合 誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄 用DNA酶I處理各種組織的染色質(zhì)時 發(fā)現(xiàn)處于活躍狀態(tài)的基因比非活躍狀態(tài)的DNA更容易被DNA酶I所降解 雞成紅細胞 erythroblast 染色質(zhì)中 血紅蛋白基因比卵清蛋白基因更容易被DNA酶I切割降解 雞輸卵管細胞的染色質(zhì)中被DNA酶I優(yōu)先降解的是卵清蛋白基因 而不是 血紅蛋白基因 存在于 燈刷型 染色體 lampbrush 上的環(huán)形結(jié)構(gòu)可能與基因的活性轉(zhuǎn)錄有關(guān) 燈刷型 染色體只有在兩棲類動物卵細胞發(fā)生減數(shù)分裂時才能被觀察到 它是染色體充分伸展時的一種形態(tài) 高倍電鏡下觀察發(fā)現(xiàn) 燈刷型染色體上存在許多突起的 泡 狀或 環(huán) 狀結(jié)構(gòu) 有時還能看到RNP沿著這些突起結(jié)構(gòu)移動 表明這些DNA正在被RNA聚合酶所轉(zhuǎn)錄 1 基因的擴增 amplification 兩棲類和昆蟲卵母細胞rRNA基因的擴增非洲爪蟾的染色體上有約450拷貝編碼18SrRNA和28SrRNA的DNA 在卵母細胞中它們的拷貝數(shù)擴大了1000倍 一旦卵母細胞成熟 多余的rDNA就沒有用了 將被逐漸降解 受精之后 染色體DNA開始復(fù)制 并通過有絲分裂的方式 不斷擴大細胞群體 在此期間 多余的rDNA繼續(xù)被降解 直到分裂產(chǎn)生幾百個細胞時 rDNA的過?，F(xiàn)象就不復(fù)存在了 7 1 3 2 基因擴增 基因擴增是指某些基因的拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象 它使細胞在短期內(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 7 1 3 3 基因重排 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(zhuǎn)錄 這種方式被稱為基因重排 真核生物最典型的例子是免疫球蛋白在成熟過程中的重排以及酵母的交配型轉(zhuǎn)變 通過基因重排調(diào)節(jié)基因活性的典型例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因和T 細胞受體基因的表達 前者是由B淋巴細胞合成的 而后者則由T 淋巴細胞合成 抗體有100萬種以上 一種淋巴細胞只產(chǎn)生一種抗體 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區(qū) J區(qū) 組成 V C和J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 從而產(chǎn)生了具有表達活性的免疫球蛋白基因 本節(jié)課所講述內(nèi)容 真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性 1 真核基因表達調(diào)控的最顯著特征是什么 2 真核生物基因調(diào)控根據(jù)其性質(zhì)可分為哪兩大類 3 真核生物中基因表達的調(diào)節(jié)特點是什么 4 相對于原核生物 真核基因組的一般構(gòu)造特點是什么 5 基因的典型結(jié)構(gòu)及特點 6 真核生物DNA水平上的基因表達調(diào)控 掌握幾個概念 開放性活性染色體對基因轉(zhuǎn)錄的影響 基因擴增 基因重排 真核基因的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控 本節(jié)課所講述內(nèi)容 1 真核生物的基因結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄活性 DNA甲基化與基因活性的調(diào)控 2 真核基因的轉(zhuǎn)錄 3 反式作用因子 7 1 4DNA甲基化與基因活性的調(diào)控 DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的修飾途徑之一 這一修飾途徑可能存在于所有高等生物中并與基因表達調(diào)控密切相關(guān) 大量研究表明 DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性 去甲基化則誘導(dǎo)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二核苷酸中胞嘧啶的甲基化導(dǎo)致了人體1 3以上由于堿基轉(zhuǎn)換而引起的遺傳病 DNA甲基化修飾現(xiàn)象廣泛存在于多種有機體中 實驗證明 這個過程不但與DNA復(fù)制起始及錯誤修正時的定位有關(guān) 還通過改變基因的表達參與細胞的生長 發(fā)育過程及染色體印跡 X染色體失活等的調(diào)控 7 1 4 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 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 因為高等生物CpG二核苷酸序列中的C通常是甲基化的 極易自發(fā)脫氨 生成胸腺嘧啶 由于這些CpG二核苷酸通常成串出現(xiàn)在DNA上 這段序列往往被稱為CpG島 真核生物細胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性 一種被稱為日常型甲基轉(zhuǎn)移酶 另一種是從頭合成型甲基轉(zhuǎn)移酶 前者主要在甲基化母鏈 模板鏈 指導(dǎo)下使處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對應(yīng)的胞嘧啶甲基化 該酶催化特異性極強 對半甲基化的DNA有較高的親和力 使新生的半甲基化DNA迅速甲基化 從而保證DNA復(fù)制及細胞分裂后甲基化模式不變 后者催化未甲基化的CpG成為mCpG 它不需要母鏈指導(dǎo) 但速度很慢 7 1 4 2 DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機理 DNA甲基化導(dǎo)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 研究表明 當(dāng)組蛋白H1與含CCGG序列的甲基化或非甲基化DNA分別形成復(fù)合體時 DNA的構(gòu)型存在著很大的差別 甲基化達到一定程度時會發(fā)生從常規(guī)的B DNA向Z DNA的過渡 由于Z DNA結(jié)構(gòu)收縮 螺旋加深 使許多蛋白質(zhì)因子賴以結(jié)合的元件縮入大溝而不利于基因轉(zhuǎn)錄的起始 有實驗用序列相同但甲基化水平不同的DNA為材料 比較其作為RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄模板的活性 發(fā)現(xiàn)甲基的引入不利于模板與RNA聚合酶的結(jié)合 降低了其體外轉(zhuǎn)錄活性 5 甲基胞嘧啶在DNA上并不是隨機分布的 基因的5 端和3 端往往富含甲基化位點 而啟動區(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(dāng)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(fù)其轉(zhuǎn)錄活性 若進一步提高甲基化密度 即使增強后的啟動子仍無轉(zhuǎn)錄活性 因為甲基化對轉(zhuǎn)錄的抑制強度與MeCPl methylCpG bindingproteinl 結(jié)合DNA的能力成正相關(guān) 甲基化CpG的密度和啟動子強度之間的平衡決定了該啟動子是否具有轉(zhuǎn)錄活性 7 1 4 3 DNA甲基化與X染色體失活 X染色體失活是發(fā)育過程中獨特的調(diào)節(jié)機制 雌性胎生哺乳類動物細胞中兩條X染色體之一在發(fā)育早期隨機失活 以確保與只有一條X染色體的雄性個體內(nèi)X染色體基因的劑量相同 一旦發(fā)生X染色體失活 這個信息便能夠穩(wěn)定地傳遞給子代細胞 使該細胞有絲分裂所產(chǎn)生的后代都保持同一條X染色體失活 7 2真核基因的轉(zhuǎn)錄 順式元件 1 核心啟動子成分 如TATA框 2 上游啟動子成分 如CAAT框 GC框 3 遠上游順序 如增強子 酵母的UAS upstreamactivatorsequences 等 4 特殊細胞中的啟動子成分 如淋巴細胞中的Oct octamer 和 B 真核基因調(diào)控主要也是在轉(zhuǎn)錄水平上進行的 受大量特定的順式作用元件 cis actingelement 又稱順式作用元件 和反式作用因子 trans actingfactor 又稱跨域作用因子 的調(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(fù)雜的相互作用來實現(xiàn)的 一個完整的基因 不但包括編碼區(qū) codingregion 還包括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(xué)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 增強子及其對轉(zhuǎn)錄的影響 增強子是指能使和它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列 作為基因表達的重要調(diào)節(jié)元件 增強子通常具有下列性質(zhì) 1 增強效應(yīng)十分明顯 一般能使基因轉(zhuǎn)錄頻率增加10 200倍 2 增強效應(yīng)與其位置和取向無關(guān) 不論增強子以什么方向排列 5 3 或3 5 甚至和基因相距3kb 或在基因下游 均表現(xiàn)出增強效應(yīng) 3 大多為重復(fù)序列 一般長約50bp 適合與某些蛋白因子結(jié)合 其內(nèi)部常含有一個核心序列 G TGGA TA TA T G 是產(chǎn)生增強效應(yīng)時所必需的 4 增強效應(yīng)有嚴(yán)密的組織和細胞特異性 說明只有特定的蛋白質(zhì) 轉(zhuǎn)錄因子 參與才能發(fā)揮其功能 5 沒有基因?qū)Ｒ恍?可以在不同的基因組合上表現(xiàn)增強效應(yīng) 6 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(yīng) Enhancer Gene 5 3 directionoftranscription Enhancer Enhancer 增強子可能有如下3種作用機制 影響模板附近的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 導(dǎo)致DNA雙螺旋彎折或在反式因子的參與下 以蛋白質(zhì)之間的相互作用為媒介形成增強子與啟動子之間 成環(huán) 連接 活化基因轉(zhuǎn)錄 將模板固定在細胞核內(nèi)特定位置 如連接在核基質(zhì)上 有利于DNA拓撲異構(gòu)酶改變DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的張力 促進RNA聚合酶II在DNA鏈上的結(jié)合和滑動 增強子區(qū)可以作為反式作用因子或RNA聚合酶II進入染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的 入口 增強子的作用原理是什么呢 增強子的功能是可以累加的 SV40增強子序列可以被分為兩半 每一半序列本身作為增強子功能很弱 但合在一起 即使其中間插入一些別的序列 仍然是一個有效的增強子 因此 要使一個增強子失活必須在多個位點上造成突變 對SV40增強子而言 沒有任何單個的突變可以使其活力降低10倍 真核生物啟動子和增強子是由若干DNA序列元件組成的 由于它們常與特定的功能基因連鎖在一起 因此被稱為順式作用元件 這些序列組成基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控區(qū) 影響基因的表達 在轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程中 除了需要調(diào)控區(qū)外 還需要反式作用因子 一般認為 如果某個蛋白是體外轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)中起始RNA合成所必需的 它就是轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的一部分 根據(jù)各個蛋白成分在轉(zhuǎn)錄中的作用 能將整個復(fù)合物分為3部分 反式作用因子是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) 參與所有或某些轉(zhuǎn)錄階段的RNA聚合酶亞基 不具有基因特異性 與轉(zhuǎn)錄的起始或終止有關(guān)的輔助因子 不具有基因特異性 與特異調(diào)控序列結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子 它們中有些被認為是轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的一部分 因為所有或大部分基因的啟動區(qū)都含有這一特異序列 更多的則是基因或啟動子特異性結(jié)合調(diào)控蛋白 它們是起始某個 類 基因轉(zhuǎn)錄所必需的 7 3反式作用因子 反式作用因子可以分為3類 1 通用反式作用因子 主要識別啟動子的核心啟動成分 如TBP 2 特殊組織與細胞中的反式作用因子 如淋巴細胞中的Oct 2 3 和反應(yīng)性元件 responseelenents 相結(jié)合的反式作用因子 如HSE 熱休克反應(yīng)元件 heatshockresponseelement GRE 糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件glucocorticoidresponseelement MRE 金屬反應(yīng)元件 metalresponseelement TRE 腫瘤誘導(dǎo)劑反應(yīng)元件 tumorgenicagentresponseelement 一 蛋白質(zhì)直接和DNA結(jié)合 1 螺旋轉(zhuǎn)角螺旋 Helix turn helix HTH 最初在 噬菌體的阻遏蛋白中發(fā)現(xiàn)的一種DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域 在阻遏蛋白氨基端有5段 螺旋 每段螺旋之間折轉(zhuǎn)成一定角度相連接 其中兩段負責(zé)同DNA結(jié)合 螺旋3由9個氨基酸組成 與前面的由7個氨基酸組成的 螺旋2形成一個角度 螺旋3通過氨基酸側(cè)鏈同DNA堿基之間的氫鍵同DNA序列相結(jié)合 所以 螺旋 被稱為識別螺旋 recognitionhelix 螺旋2則是通過氫鍵同DNA的磷酸骨架相接觸 這種相互作用對于同DNA結(jié)合是必需的 但并不控制對靶序列識別的專一性 2 鋅指結(jié)構(gòu) zincfimger 是一個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域 由重復(fù)的半胱氨酸和組氨酸或重復(fù)的半胱氨酸在一個金屬鋅離子四周形成一個四面體的排列 長約30個aa 其中4個氨基酸 Cys或2個Cys 兩個His 與一個Zinc原子相結(jié)合 與Zinc結(jié)合后鋅指結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定 最初是在爪蟾 Xenopuslaevis 的RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄因子 TFIIIA 中發(fā)現(xiàn)的 9個串聯(lián)重復(fù)的鋅指區(qū)組成 每個單位大約由30個氨基酸殘基組成 基序因在鋅結(jié)合位點上突出的氨基酸環(huán)的形狀如同手指 所以稱為 指狀 結(jié)構(gòu) 這種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域是同DNA或RNA結(jié)合的部位 單個的鋅指保守序列是 Cys X2 4 Cys X3 Phe X5 Leu X2 His X2 His這里x2 x5代表2個和5個任何一種氨基酸殘基 根據(jù)鋅指結(jié)構(gòu)中與鋅配位的半胱氨酸 C 和組氨酸 H 的數(shù)目和位置 可將指狀結(jié)構(gòu)分為2類 型 2Cys 2His TFIIIA SP1 型 2cys 2cys GAL4 親脂性 amphipathic 的 螺旋 包含有許多集中在螺旋一邊的疏水氨基酸 兩條多肽鏈以此形成二聚體 每隔6個殘基出現(xiàn)一個亮氨酸 由賴氨酸 Lys 和精氨酸 Arg 組成DNA結(jié)合區(qū) Leucineziipper 同二聚體 honwdimers 異二聚體 hefercdimers C Jun C Fos Myc 3 亮氨酸拉鏈 亮氨酸是疏水性氨基酸 排列在雙螺旋的一側(cè) 所有帶電荷的氨基酸殘基排在另一側(cè) 當(dāng)2個蛋白質(zhì)分子平行排列時 亮氨酸之間相互作用形成二聚體 形成 拉鏈 由于這類蛋白質(zhì)都以二聚體形式與DNA結(jié)合 兩個蛋白質(zhì) 螺旋上的亮氨酸一側(cè)是形成拉鏈型二聚體的基礎(chǔ) 然而 亮氨酸拉鏈區(qū)并不能直接結(jié)合DNA 只有肽鏈氨基端20 30個富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合 在 拉鏈 式的蛋白質(zhì)分子中 亮氨酸以外帶電荷的氨基酸形式同DNA結(jié)合 不形成二聚體 該堿性區(qū)對DNA的親和力明顯降低 所以 這類蛋白質(zhì)的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域?qū)嶋H是以堿性區(qū)和亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域整體作為基礎(chǔ)的 該調(diào)控區(qū)長約50個aa殘基 同時具有DNA結(jié)合和形成蛋白質(zhì)二聚體的功能 其主要特點是可形成兩個親脂性 螺旋 兩個螺旋之間由環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連 其DNA結(jié)合功能是由一個較短的富堿性氨基酸區(qū)所決定的 在HLH中帶有堿性區(qū)的肽鏈稱為堿性HLH bHLH protein bHLH又分為兩類 A類是可以廣泛表達的蛋白 包括哺乳動物的E12 E47 可和免疫球蛋基因增強子中的元件結(jié)合 和果蠅da daughterless 性別控制的總開關(guān)基因 的產(chǎn)物 B類是組織特異性表達的蛋白 包括哺乳動物的MyoD 肌漿蛋白 myogen 基因的轉(zhuǎn)錄因子果蠅的AC S achaete scute無剛毛基因的產(chǎn)物 4 螺旋一環(huán)一螺旋 HLH DNA結(jié)合蛋白的共同特性 1 具有一些與DNA結(jié)合的螺旋區(qū) 2 能形成二聚體 3 有一個共同的基序 基序由40 50個氨基酸組成 含有2個兩親的 amphipathic 既有極性基也有非極性基 螺旋 由2個長度不等的連接區(qū) 環(huán) 相連 通過兩條螺旋對應(yīng)位置上的疏水性氨基酸殘基之間的相互作用 可以生成同源二聚體或異源二聚體 每個螺旋區(qū)長15一16個氨基酸 其中有幾個氨基酸殘基是保守的 兩個螺旋區(qū)之間的環(huán)使兩個螺旋區(qū)可以彼此獨立地相互作用 復(fù)習(xí)上節(jié)課所講述內(nèi)容 1 DNA甲基化抑制轉(zhuǎn)錄的機理 2 DNA甲基化與X染色體失活 3 增強子通常具有下列性質(zhì) 4 反式作用因子的概念 5 轉(zhuǎn)錄激活蛋白結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合的幾種形式 6 結(jié)論 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(fù)雜的相互作用來實現(xiàn)的 本節(jié)課所講述內(nèi)容 1 蛋白質(zhì)磷酸化 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因表達 2 激素及其影響 3 熱激蛋白誘導(dǎo)的基因表達 4 金屬硫蛋白基因的多重調(diào)控 7 4 1蛋白質(zhì)磷酸化 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因表達 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(dǎo)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)的合成與釋放甚至癌變等等 蛋白質(zhì)的磷酸化是指由蛋白質(zhì)激酶催化的把ATP或GTP上 位的磷酸基轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基上的過程 其逆轉(zhuǎn)過程是由蛋白質(zhì)磷酸酶催化的 稱為蛋白質(zhì)脫磷酸化 蛋白質(zhì)的磷酸化反應(yīng)是生物體內(nèi)存在的一種普遍的調(diào)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(jīng)發(fā)現(xiàn)在人體內(nèi)有多達2000個左右的蛋白質(zhì)激酶和1000個左右的蛋白質(zhì)磷酸酶基因 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(dǎo)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)生寡聚化而被激活 一般情況下 受體分子活化細胞功能的途徑有兩條 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(yīng)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 1 蛋白質(zhì)磷酸化在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用 1 在胞內(nèi)介導(dǎo)胞外信號時具有專一應(yīng)答特點 與信號傳遞有關(guān)的蛋白激酶類主要受控于胞內(nèi)信使 如cAMP Ca2 DG 二酰甘油 diacylglycerol 等 這種共價修飾調(diào)節(jié)方式顯然比變構(gòu)調(diào)節(jié)較少受胞內(nèi)代謝產(chǎn)物的影響 2 蛋白質(zhì)的磷酸化與脫磷酸化控制了細胞內(nèi)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(yīng) 3 對外界信號具有級聯(lián)放大作用 4 蛋白質(zhì)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(yīng) 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 2 真核細胞主要跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 3 蛋白激酶的種類與功能 根據(jù)底物蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhì)磷酸化及一系列級聯(lián)放大過程將胞外信號轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)信號 從而引起廣泛的生理反應(yīng) 根據(jù)是否有調(diào)節(jié)物來分又可分成兩大類 信使依賴性蛋白質(zhì)激酶 messenger dependentproteinkinase 包括胞內(nèi)第二信使或調(diào)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 4 受cAMP調(diào)控的A激酶 被A激酶磷酸化的蛋白質(zhì)其N端上游往往存在兩個或兩個以上堿性氨基酸 特異氨基酸的磷酸化 X Arg Arg X Ser X 改變了這一蛋白的酶活性 這一酶活性代表了絕大多數(shù)細胞中cAMP所引起的全部反應(yīng) PKA全酶由4個亞基組成 R2C2 包括兩個相同的調(diào)節(jié)亞基 R 和兩個相同的催化亞基 C 全酶的分子量為150 170kD C亞基具有催化活性 R亞基具有調(diào)節(jié)功能 有兩個cAMP結(jié)合位點 R亞基對C亞基具有抑制作用 所以 R和C聚合后的全酶 R2C2 無催化活性 R亞基與cAMP的結(jié)合導(dǎo)致C亞基解離并表現(xiàn)出催化活性 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 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 進入糖酵解并提供ATP 5 C激酶與PIP2 IP3和DAG 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?；视?DAG C激酶 PKC 是依賴于Ca2 的蛋白質(zhì)激酶 由于IP3所引起的細胞質(zhì)Ca2 濃度升高 導(dǎo)致C激酶從胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到靠原生質(zhì)膜內(nèi)側(cè)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(jié)構(gòu)域和一個調(diào)節(jié)結(jié)域 6 CaM激酶及MAP激酶 Ca2 的細胞學(xué)功能主要通過鈣調(diào)蛋白激酶 CaM kinase 來實現(xiàn) 它們也是一類絲氨酸 蘇氨酸激酶 但僅應(yīng)答于細胞內(nèi)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(dǎo) 也受到酪氨酸蛋白激酶及G蛋白受體系統(tǒng)的調(diào)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(xué)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(yīng)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(dǎo)中發(fā)揮功能 7 酪氨酸蛋白激酶 對于許多生長因子受體的研究表明 跨膜的酪氨酸蛋白激酶在信息傳遞過程中起著重要作用 表皮生長因子 EGF 胰島素樣生長因子 IGF 成纖維細胞生長因子 FGF 神經(jīng)生長因子 NGF 血小板衍生生長因子 PDGF 和血管內(nèi)皮細胞生長因子 VEGF 受體都擁有定位于胞內(nèi)的酪氨酸激酶功能區(qū)域和膜外區(qū) 具有受體功能的酪氨酸蛋白激酶 receptorproteintyrosinekinase RPTK 包括三個結(jié)構(gòu)域 胞外的配體結(jié)合區(qū) 細胞內(nèi)部具有酪氨酸蛋白激酶活性的區(qū)域和連接這兩個區(qū)域的跨膜結(jié)構(gòu) 8 蛋白質(zhì)磷酸化與基因表達 處于信號傳遞鏈終端的蛋白質(zhì)磷酸化既能對許多酶蛋白及生理代謝過程起直接的調(diào)節(jié)作用 又能通過使轉(zhuǎn)錄因子磷酸化來調(diào)節(jié)基因活性 7 4 2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(zhì)激素和雄激素 以及一般代謝性激素 如胰島素 的調(diào)控作用都是通過啟始基因轉(zhuǎn)錄而實現(xiàn)的 靶細胞具有專一的細胞質(zhì)受體 可與激素形成復(fù)合物 導(dǎo)致三維結(jié)構(gòu)甚至化學(xué)性質(zhì)的變化 經(jīng)修飾的受體與激素復(fù)合物通過核膜進入細胞核內(nèi) 并與染色質(zhì)的特定區(qū)域相結(jié)合 導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄的起始或關(guān)閉 研究發(fā)現(xiàn) 體內(nèi)存在的許多糖皮質(zhì)類激素應(yīng)答基因都有一段大約20bp的順式作用元件 激素應(yīng)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 這是激素調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄組織特異性的根本原因 所有固醇類激素的受體蛋白分子都有相同的結(jié)構(gòu)框架 包括保守性極高的 位于分子中央的DNA結(jié)合區(qū) 位于C端的有較強同源性的激素結(jié)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(zhuǎn)錄的高效進行 研究還發(fā)現(xiàn) 如果糖皮質(zhì)激素受體蛋白激素結(jié)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(dǎo)也有激活基因轉(zhuǎn)錄的作用 科學(xué)家認為 激素 受體與順式作用元件的結(jié)合位點三者缺一不可 其中無論是受體蛋白與激素的結(jié)合 還是激素本身 都不是與DNA結(jié)合并激活轉(zhuǎn)錄所必須的 其實 通常情況下 受體蛋白中激素結(jié)合結(jié)構(gòu)域妨礙了DNA結(jié)合區(qū)及轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)發(fā)揮生理功能 只有與相應(yīng)激素結(jié)合后才能打破這種障礙 激素受體對各自特定的激素具有高度特異的識別能力及親和力 激素到達靶細胞時能迅速與受體結(jié)合生成激素 受體復(fù)合物 誘導(dǎo)生理生化效應(yīng) 1 受體流動假說 當(dāng)激素與受體結(jié)合時 激素 受體復(fù)合物可在膜內(nèi)移動并與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合 激活環(huán)化酶 引發(fā)后續(xù)效應(yīng) 2 中介物假說 研究腺苷酸環(huán)化酶和胰高血糖素受體發(fā)現(xiàn) 受體與酶之間可能通過膜脂耦聯(lián)在一起 3 鄰位互調(diào)假說 根據(jù)GTP能影響激素與受體結(jié)合并進而影響腺苷酸環(huán)化酶活性的現(xiàn)象 認為該酶系統(tǒng)至少存在3個活性部位 即激素 受體結(jié)合部位 Mg2 ATP作用中心和核苷酸調(diào)節(jié)部位 激素與其受體的作用假說 7 4 3熱激蛋白誘導(dǎo)的基因表達 現(xiàn)代分子生物學(xué)上把能與某個 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(yīng)答元件 responseelement 如熱激應(yīng)答元件 heatshockresponseelement HSE 糖皮質(zhì)應(yīng)答元件 glucocorticoidresponseelement GRE 金屬應(yīng)答元件 metalresponseelement MRE 等等 這些應(yīng)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 許多生物在最適溫度范圍以上 能受熱誘導(dǎo)合成一系列熱休克蛋白 heatshockprotein 受熱后 果蠅細胞內(nèi)Hsp70mRNA水平提高1000倍 就是因為熱激因子 heatshockfactor HSF 與hsp70基因TATA區(qū)上游60bp處的HSE相結(jié)合 誘發(fā)轉(zhuǎn)錄起始 真核細胞的熱休克蛋白可能具有機體保護功能并在細胞的正常生長和發(fā)育中起重要作用 HSP70的主要功能是參與蛋白質(zhì)的代謝 而泛素的的主要功能是清除細胞內(nèi)的變性蛋白質(zhì) HSP還常與具有不同功能的多種蛋白質(zhì)形成天然復(fù)合物 參與有關(guān)蛋白質(zhì)折疊 亞基的組裝 細胞內(nèi)運輸以及降解等過程 熱休克蛋白參與靶蛋白活性和功能的調(diào)節(jié) 卻不是靶蛋白的組成部分 因此 一般稱它為分子伴侶或伴侶蛋白 chaperonine hsp基因中內(nèi)含子數(shù)量都很少 至今為止尚未發(fā)現(xiàn)hsp70基因中有內(nèi)含子 而人hsp90 果蠅hsp82 人hsp27 雞hsp108和泛素等都只有少量內(nèi)含子 hsp的這一基本特征保證了它們一旦起始轉(zhuǎn)錄不需剪接就可產(chǎn)生出成熟mRNA以適應(yīng)hsp大量快速表達的需要 防止嚴(yán)重的熱休克影響mRNA前體的剪接 7 4 4金屬硫蛋白基因的多重調(diào)控 金屬硫蛋白 metallothionein MT 基因 其5 端調(diào)控區(qū)有著十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 包含許多調(diào)控元件 可以同時受幾種轉(zhuǎn)錄因子的影響 作為細胞內(nèi)多余重金屬離子的螯合蛋白 這個基因平時就有本底水平的表達 還能受重金屬離子 如鎘 或糖皮質(zhì)的誘導(dǎo)而高效表達 該基因5 端調(diào)控區(qū)除了含有TATA區(qū)和GC區(qū)外 還有兩個序列類似于增強子的本底水平調(diào)控元件 basallevelelement BLE 它們共同參與了該基因本底水平的表達 金屬離子對該基因轉(zhuǎn)錄的誘導(dǎo)是由數(shù)個MRE序列介導(dǎo)的 人金屬硫蛋白基因5 上游 40 160處含有4個MRE序列 雖然單一MRE序列足以引發(fā)重金屬離子誘導(dǎo)的基因表達 多個MRE序列被認為有利于該基因大量表達 位于MT基因5 上游 240 260bp處的GRE 是固醇類激素受體的結(jié)合位點 刪除這個區(qū)域不影響基因的本底水平表達和受金屬離子誘導(dǎo)的特性 但不再對激素誘導(dǎo)作出反應(yīng) 與TRE序列一樣 GRE也屬于增強子范疇 2003年12月8日復(fù)習(xí)上節(jié)課所講述的主要內(nèi)容 1 蛋白質(zhì)磷酸化與去磷酸化 蛋白質(zhì)的磷酸化是指由蛋白質(zhì)激酶催化的把ATP或GTP上 位的磷酸基轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基上的過程 其逆轉(zhuǎn)過程是由蛋白質(zhì)磷酸酶催化的 稱為蛋白質(zhì)脫磷酸化 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(dǎo)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)的合成與釋放甚至癌變等等 2 細胞表面的三類受體示意圖 3 蛋白質(zhì)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(yīng) 被磷酸化的主要氨基酸殘基 絲氨酸 蘇氨酸和酪氨酸 4 真核細胞主要跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 6 蛋白激酶的種類與功能 根據(jù)底物蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhì)磷酸化及一系列級聯(lián)放大過程將胞外信號轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)信號 從而引起廣泛的生理反應(yīng) 7 根據(jù)是否有調(diào)節(jié)物來分又可將蛋白激酶分成兩大類 1 信使依賴性蛋白質(zhì)激酶 messenger dependentproteinkinase 包括胞內(nèi)第二信使或調(diào)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 2 非信使依賴型蛋白激酶 8 激素及其基因調(diào)控 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)控作用都是通過啟始基因轉(zhuǎn)錄而實現(xiàn)的 靶細胞具有專一的細胞質(zhì)受體 可與激素形成復(fù)合物 導(dǎo)致三維結(jié)構(gòu)甚至化學(xué)性質(zhì)的變化 經(jīng)修飾的受體與激素復(fù)合物通過核膜進入細胞核內(nèi) 并與染色質(zhì)的特定區(qū)域相結(jié)合 導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄的起始或關(guān)閉 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 這是激素調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄組織特異性的根本原因 激素受體對各自特定的激素具有高度特異的識別能力及親和力 激素到達靶細胞時能迅速與受體結(jié)合生成激素 受體復(fù)合物 誘導(dǎo)生理生化效應(yīng) 學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容 真核生物其他水平上的基因調(diào)控 1 RNA的加工成熟 2 翻譯水平的調(diào)控 7 5其他水平上的基因調(diào)控 7 5 1RNA的加工成熟 各種基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物都是RNA 無論是rRNA tRNA還是mRNA 初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只有經(jīng)過加工 才能成為有生物功能的活性分子 7 5 1 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(xué)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 然后被核酸酶逐漸降解 形成成熟的18S 28S和5 8SrRNA rRNA基因轉(zhuǎn)錄主要在細胞核仁內(nèi)進行 初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物45S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的化學(xué)修飾主要是甲基化 原核生物rRNA主要是堿基甲基化 而真核生物rRNA則主要是核糖甲基化 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 7 5 1 2 mRNA的加工成熟 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 這些加工主要包括在mRNA的5 末端加 帽子 在其3 末端加上多聚 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)與它作為蛋白質(zhì)合成模板的功能有密切關(guān)系 所以是基因表達的重要調(diào)控環(huán)節(jié) 與rRNA tRNA相同 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 hnRNA確定是mRNA前體的證據(jù) 在真核生物細胞核中發(fā)現(xiàn)存在代謝十分活躍 平均相對分子質(zhì)量為2 107 長度不均一的RNA 而細胞質(zhì)中mRNA的平均相對分子質(zhì)量僅為1 5 106 hnRNA很不穩(wěn)定 半衰期只有5 15min 而真核生物mRNA的半衰期一般都比較長 這說明hnRNA不可能是轉(zhuǎn)錄的最終產(chǎn)物 而只能是中間產(chǎn)物 用放射性同位素作脈沖標(biāo)記證明 75 被標(biāo)記的RNA是hnRNA 這些標(biāo)記的RNA大部分位于核內(nèi) 只有10 進入細胞質(zhì) 所以認為它們是mRNA的前體 hnRNA占細胞全部RNA的3 說明它一經(jīng)誕生就立即加工變化 不會長久積累下來 hnRNA3 末端也帶有多聚 A 加入dAR 脫氧腺嘌呤核苷 抑制多聚 A 的生物合成 hnRNA和mRNA的合成都受到抑制 7 5 1 3 真核生物基因轉(zhuǎn)錄后加工的多樣性 真核生物的基因可以按其轉(zhuǎn)錄方式分為兩大類 即簡單轉(zhuǎn)錄單位和復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位 這兩種轉(zhuǎn)錄方式雖然最終都產(chǎn)生蛋白質(zhì) 但它們的轉(zhuǎn)錄后加工方式是不同的 1 簡單轉(zhuǎn)錄單位 這類基因只編碼產(chǎn)生一個多肽 其原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有時需要加工 有時則不需要加工 這類基因轉(zhuǎn)錄后加工有3種不同形式 第一種簡單轉(zhuǎn)錄單位 如組蛋白基因 它們沒有內(nèi)含子 因此不存在轉(zhuǎn)錄后加工問題 其mRNA3 末端沒有多聚 A 但有一個保守的回文序列作為轉(zhuǎn)錄終止信號 第二種簡單轉(zhuǎn)錄單位包括腺病毒蛋白IX 干擾素和許多酵母蛋白質(zhì)基因 它們沒有內(nèi)含子 所編碼的mRNA不需要剪接 但需要加多聚 A 第三種簡單轉(zhuǎn)錄單位包括 和 珠蛋白基因及許多細胞蛋白基因 這些基因雖然都有內(nèi)含子 需要進行轉(zhuǎn)錄后加工剪接 還要加多聚 A 但它們只產(chǎn)生一個有功能的mRNA 所以仍然是簡單轉(zhuǎn)錄單位 2 復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位 含有復(fù)雜轉(zhuǎn)錄單位的主要是一些編碼組織和發(fā)育特異性蛋白質(zhì)的基因 它們除了含有數(shù)量不等的內(nèi)含子以外 其原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物能通過多種不同方式加工成兩個或兩個以上的mRNA Transcript1 Transcript2 利用多個5 端轉(zhuǎn)錄起始位點或剪接位點產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì) 利用多個加多聚 A 位點和不同的剪接方式產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì) 雖無剪接 但有多個轉(zhuǎn)錄起始位點或加多聚 A 位點的基因 雖然原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的蛋白質(zhì)編碼區(qū)和3 末端都相同 不同的5 末端卻導(dǎo)致了分泌型和胞內(nèi)型蛋白的產(chǎn)生 其中分泌型蔗糖酶是可調(diào)節(jié)的 而胞內(nèi)型則是組成型的 7 5 2翻譯水平的調(diào)控 一 mRNA運輸控制 transportcontrol 是對轉(zhuǎn)錄本從細胞核運送到細胞質(zhì)中的數(shù)量進行調(diào)節(jié) 二 mRNA翻譯的控制三 mRNA的結(jié)構(gòu)和翻譯的效率四 翻譯的起始調(diào)節(jié)五 選擇性翻譯六 反義RNA調(diào)控七 翻譯的自我調(diào)節(jié) 1 mRNA的穩(wěn)定性與基因表達調(diào)控 真核生物能否長時間 及時地利用成熟的mRNA分子翻譯出蛋白質(zhì)以供生長 發(fā)育的需要 是與mRNA的穩(wěn)定性以及屏蔽狀態(tài)的解除密切相關(guān)的 原核生物mRNA的半衰期很短 平均大約3分鐘 高等真核生物迅速生長的細胞中mRNA的半衰期平均約為3小時 在高度分化的終端細胞中許多mRNA極其穩(wěn)定 有的壽命長達幾天或十幾天 加上強啟動子的轉(zhuǎn)錄 使一些終端細胞特有的蛋白質(zhì)合成達到驚人的水平 例2 轉(zhuǎn)運鐵蛋白受體 TfR 和鐵蛋白負責(zé)鐵吸收和鐵解毒 這兩個mRNA上存在相似的順式作用元件 稱為鐵應(yīng)答元件 ironresponseelement IRE IRE與IRE結(jié)合蛋白 IREBP 相互作用控制了這兩個mRNA的翻譯效率 當(dāng)細胞缺鐵時 IREBP與IRE具有高親和力 兩者的結(jié)合有效