分子生物学-真核生物基因表达调控.ppt

基因的表达与调控 真核基因表达调控的一般规律,与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂。真核生物基因的表达调控系统远比原核生物复杂。真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类之外）主要由多细胞组成，每个细胞基因组中蕴藏的遗传信息量及基因数量都大大高于原核生物。人类细胞单倍体基因组有3109bp，为大肠杆菌总DNA的800倍，噬菌体的10万倍左右！,真核生物基因表达与调控的复杂性：,（1）真核生物具有由核膜包被的细胞核，其基因的转录发生在细胞核中，而翻译则发生在细胞质中（2）基因组结构庞大。真核生物基因数目比原核生物多，大多数基因除了有不起表达作用的内含子，另外还有更多调节基因表达的非编码序列，真核生物所转录的前体mRNA必须经过加工成熟后才进入表达阶段。,(3)形成染色体结构。真核生物染色质由DNA与5种组蛋白结合组成，它们折叠和缠绕形成核小体，核小体及染色质进一步折叠缠绕形成细胞分裂的中期染色体。染色质的结构对基因的表达起总体控制作用。,（4）重复序列。真核生物基因普遍存在重复序列和异染色质。大多数为非编码区。（5）断裂基因。有外显子和内含子。（6）发育过程中高度分化的机制（7）信号传递复杂,一、真核细胞基因表达的特点,真核基因组比原核基因组大得多 原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺乳类基因组中只有10%的序列编码蛋白质、rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控 真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达调控的层次,原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子（monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及到多个基因的协调表达,真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表达；真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上，还存在线粒体DNA上，核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调。,1.根据其性质可分为两大类：,一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。,二是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。,真核生物基因表达调控的种类：,2.根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：,真核基因表达调控的环节更多,真核基因转录发生在细胞核(线粒体基因的转录在线粒体内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性.同原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节。但转录后的调控占有了更多的分量。,8.1真核生物的基因结构与转录活性 8.2真核生物DNA水平上的基因表达调控 8.3真核生物转录水平上的基因表达调控 8.4真核基因转录后水平上的调控,Contents,8.1真核生物的基因结构与转录活性,1.真核细胞与原核细胞的差异2.基因家族（gene family)3.断裂基因,1.真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面存在以下几个方面的差异 P282,试说明真核细胞与原核细胞在基因转录，翻译及DNA的空间结构方面存在的主要差异，表现在哪些方面？武汉大学2003年分子生物学硕士入学试题,在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，很少存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。,真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分DNA是裸露的。,高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。,真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。,在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。在原核生物中，转录的调节区都很小，大都位于启动子上游不远处，调控蛋白结合到调节位点上可直接促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。,真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。,许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能顺利地翻译成蛋白质。,真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这些基因成套组合称为基因家族。,同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇(gene cluster)。,如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都属于基因家族,2.基因家族（gene family),1、简单多基因家族2、复杂多基因家族3.发育调控的复杂多基因家族,（一）基因家族（gene family),真核生物的基因组中有很多来源相同、结构相似、功能相关的基因，将这些基因称为基因家族。,同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇(gene cluster)。,如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都属于基因家族,1.简单多基因家族 简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。,The eukaryotic ribosomal DNA repeating unit,2.复杂多基因家族,复杂多基因家族一般由几个相关基因构成，基因之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。,Organization of histone genes in the animal genome,大多数真核基因在DNA分子上是不连续的，都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成，其中编码的序列称为外显子(Exon)，非编码序列称内含子(Intron)。,3.断裂基因,断裂基因（interrupted gene）：在一个基因结构中，编码某一蛋白质不同区域的各个外显子并不连续排列在一起，常常被长度不等的内含子所隔离，形成镶嵌排列的断裂方式，称为断裂基因。真核基因有时被称为断裂基因。,真核基因断裂结构的另一个重要特点是外显子-内含子连接区（exon-intron junction）的高度保守性和特异性碱基序列。,8.1真核生物的基因结构与转录活性 8.2真核生物DNA水平上的基因表达调控 8.3真核生物转录水平上的基因表达调控 8.4真核基因转录后水平上的调控,Contents,真核基因的断裂结构,基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为非编码序列所隔开，其中编码的序列称为外显子，非编码序列称内含子。,外显子(Exon)：真核细胞基因DNA中的编码序列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。内含子(Intron)：真核细胞基因DNA中的间插序列，这些序列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻译。,1.外显子与内含子的连接区,指外显子和内含子的交界或称边界序列，它有两个重要特征：1）内含子的两端序列之间没有广泛的同源性2）连接区序列很短，高度保守，是RNA剪接的信号序列（GT-AG法则）5GTAG 3,2.外显子与内含子的可变调控,组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一种成熟的mRNA。选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA。,假基因,是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产物。一般是启动子出现问题。,8.2 DNA水平的基因表达调控,1染色质水平的调节：“开放”型活性染色质（activechromatin）结构对转录的影响 2基因扩增3基因重排与交换4 DNA甲基化与基因活性的调控,1 染色质状态对基因表达的调控,按功能状态的不同可将染色质分为：（1）活性染色质（有转录活性）（2）非活性染色质（没有转录活性）活性染色质的核小体发生构象改变，具有松散的染色质结构，从而便于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键。,活性染色质上具有DNaseI超敏感位点,活性染色质的结构特征,是RNA聚合酶、转录因子和各种调节因子的结合部位。,在具有转录活性的染色质区域，可以观察到一些变化，最明显的是该区域对核酸酶介导的DNA降解的敏感性增强。,转录活跃区域对核酸酶敏感度增加,2 基因扩增,基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。,例如:1.非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷贝，在减数分裂I的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线期它的拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。2.许多昆虫的某些细胞，如唾腺细胞染色体不经发生细胞分裂就可进行重复复制。这种现象叫做多线性(polyteny)。,3 基因重排与交换,将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白和T-细胞受体基因的表达。,V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，从而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。,4 DNA甲基化与基因活性的调控,DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，DNA的甲基化修饰现象广泛存在于多种有机体中。与基因表达调控密切相关。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、组蛋白修饰及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。,DNA的甲基化修饰与错误修正时的定位有关。错配修复:Dam甲基化酶；5GATC；MutS、MutH和MutL,DNA的甲基化的位点：5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）,在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。多个CpG序列集合成簇形成了富含甲基化位点的CpG岛（CpG island），具有很高的序列保守性。,真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：1）一种被称为日常型甲基转移酶；2）另一种是从头合成型甲基转移酶,真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：,日常型甲基转移酶：催化处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。,从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成为mCpG,基因丢失,在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。,基因丢失：在细胞分化过程中，某些原生动物、线虫、昆虫等体细胞通过丢失某些基因而除去这些基因的活性。马蛔虫：只有一对染色体，染色体上有许多着丝点。,发育早期：只有一个着丝点行使功能，保证了正常有丝分裂的进行；一定阶段：将来分化产生体细胞的细胞中染色体断裂，形成许多小染色体。含着丝点的小染色体：以后的细胞分裂中都保持下去；不含着丝点的小染色体：因不能在细胞中正常分配而丢失。将来行成生殖细胞的细胞中，不存在染色体断裂现象。,四膜虫：大核：营养核可转录 小核：生殖核无转录活性大核由小核发育而来，发育过程中有多处染色质断裂，并删除约10%的基因组DNA。被删除序列的存在可能抑制了基因的正常表达。高等生物中，基本上没有类似的基因丢失现象-全能性特例：红细胞,8.1真核生物的基因结构与转录活性 8.2真核生物DNA水平上的基因表达调控 8.3真核生物转录水平上的基因表达调控 8.4真核基因转录后水平上的调控,Contents,8.3 转录水平的基因表达调控,特点：真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件（cis-acting element）和反式作用因子（trans-acting factor）间复杂的相互作用来实现的。,8.3 转录水平的基因表达调控,1.真核基因转录机器的主要组成：1.1.顺式作用元件1.2.反式作用因子2.真核基因转录调控的主要模式,3.1顺式作用元件,DNA上一段序列，它们常与特定的功能基因连锁在一起，组成基因转录的调控区，影响自身基因的表达的DNA序列，称为顺式作用元件。,种类：启动子、增强子、沉默子、应答元件主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启动子(promoter)、增强子(enhancer)；近年又发现起负性调控作用的元件沉默子/静止子(silencer)。,在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵基因和调节基因组成。,真核基因表达以正性调控为主导,真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有两种作用者，但总的是以激活蛋白的作用为主。即多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要有激活的蛋白质来促进转录。换言之：真核基因表达以正性调控为主导。真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不普遍；,顺式作用元件,（1）启动子：在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。,核心启动子和上游启动子,核心启动子(core promoter)是指保证使RNA聚合酶II转录正常起始所必需的、最少的DNA序列。包括转录起始位点及转录起始位点上游一25一30bp处的富含TA的典型元件TATA盒。核心启动子单独起作用时，只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录。,上游启动子元件(upstream promoter element，UPE)包括通常位于一70bp附近的CAAT盒(CCAAT)和GC盒(GGGCGG)等，能通过TFII-D复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。,2.增强子对转录的影响增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，最早发现于SV40早期基因的上游，有两个长72bp的正向重复序列。增强子通常具有下列特性：增强效应十分明显。增强效应与其位置和取向无关。大多为重复序列（50bp）。其增强效应有严密的组织和细胞特异性。无基因专一性，可在不同的基因组合上表现增强效应；许多增强子还受外部信号的调控。,增强子作用机理：,（3）沉默子：一种负调控元件，参与基因表达的负调控。其作用可不受序列方向影响，能远距离发挥作用。当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,（）应答元件：一段DNA上游序列，能和专一性蛋白因子结合，调控基因特异性表达。包括：如热激应答元件（heat shock response element，HSE），糖皮质应答元件（glucocorticoid response element，GRE），金属应答元件（metal response element，MRE）等,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识别或结合域反式作用因子中的转录激活域,反式作用因子,1、定义：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质。P300,TFD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）,功能：激活或阻遏基因的表达,聚合酶转录起始复合体的组装,2、结构,DNA结合结构域,转录活化结构域,结构域,主要包括：,蛋白质-蛋白质结合域,DNA识别或结合域,螺旋-转折-螺旋锌指结构（zinc finger）碱性-亮氨酸拉链碱性-螺旋-环-螺旋同源域蛋白（homeo domains，HD）,最初在噬菌体的阻遏蛋白中发现的一种DNA结合结构域。现广泛分布在从酵母到人类的各种真核生物中，虽彼此在氨基酸的顺序上差别很大，但高级结构高度保守，如同源域蛋白。,螺旋-转折-螺旋（Helix-turn-helix，H-T-H）,两段-螺旋夹一段-折迭构成，-螺旋与-折迭之间通过-转角或成环连接,Helix 3 of the homeodomain binds in the major groove of DNA,with helices 1 and 2 lying outside the double helix.The N-terminal arm lies in the minor groove,and makes additional contacts.,锌指结构,配位键,2-9个,CCysHHis,“锌指”:据其结构命名,是由一个含有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4个Cys或2个Cys和2个His配位的Zn构成，形成的结构像手指状。,C CysH His,典型“锌指蛋白”(typic zinic fingers)含一连串锌指。重复的锌指结构都是以锌将螺旋与一个反向平行的片层的基部以锌原子为中心，通过与一对半胱氨酸和一对组氨酸间形成配位键相连接，锌指环上突出的赖氨酸、精氨酸参与DNA结合。,Zinc fingers may form-helices that insert into the major groove,associated with-sheets on the other side.,这种基序含4-8个亮氨酸，每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基间隔，这导致第7个亮氨酸残基都在螺旋的同侧。又因这类蛋白质都以二聚体形式与DNA结合，两个蛋白质螺旋上的亮氨酸靠近而形成拉链样结构。,碱性-亮氨酸拉链(basic-leucine zipper,bZIP),肽链氨基端2030个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。,The basic regions of the bZIP motif are held together by the dimerization at the adjacent zipper region when the hydrophobic faces of two leucine zippers interact in parallel orientation.,N-end,碱性-螺旋-环-螺旋（basic helix/loop/helix，bHLH）,其主要特点是可形成两个-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连。螺旋负责二聚体的形成，在HLH中带有碱性区的肽链称为 碱性HLH（bHLH）。负责结合DNA。研究发现，bH-L-H类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，才具有足够的DNA结合能力，当这类异源二聚体中的一方不含有碱性区时，明显缺乏对靶基因的亲和力。,同源域蛋白,同源域（homeo domains）是指编码60个保守氨基酸序列的DNA片段，广泛存在于真核基因组内，最早从果蝇同源异型座位homeotic loci中克隆得到而命名。具有转录调控功能。同源域蛋白是一个DNA结合域，它由60个氨基酸组成，并形成3个螺旋。C端螺旋有17个氨基酸，结合DNA大沟。N端臂插入DNA小沟。蛋白C末端区域类似于原核基因阻遏物螺旋-转角-螺旋结构有关。,转录活化结构域,反式作用因子的功能具有多样性，其转录活化域也有多种，通常是依赖于DNA结合结构域以外的30l00个氨基酸残基。不同的转录活化域大体上有下列几组特征性结构：带负电荷的螺旋结构。富含谷氨酰胺的结构。富含脯氨酸的结构。,真核基因转录调节是复杂的、多样的,真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。,真核基因转录调控的主要模式,2.1 蛋白质磷酸化对基因表达影响2.2 蛋白的乙酰化对基因表达影响2.3 激素及热激蛋白对基因表达影响,1.蛋白质磷酸化,蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程（图8-25，p307）是生物体内普遍存在的信息传导调节方式，在细胞信号的传递过程中占有极其重要的地位，几乎涉及所有的生理及病理过程，如糖代谢、光合作用、细胞的生长发育、神经递质的合成与释放甚至癌变等等。,细胞是生命活动的基本单位。细胞通过DNA的复制和细胞分裂将本身所固有的遗传信息由亲代传至子代，实现增殖繁衍。它们还不断地“感知”环境变化，并对其作出特定的应答。细胞应答可以分为3个阶段：外界信息的“感知”，即由细胞膜到细胞核内的信息传递,染色质水平上的基因活性调控,特定基因的表达，即从DNARNA蛋白质的遗传信息传递过程。,1.蛋白质磷酸化,一.蛋白质磷酸化、信号转导及基因表达,蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程是生物体内普遍存在的信息传导调节方式，几乎涉及所有的生理及病理过程，如糖代谢、光合作用、细胞的生长发育、神经递质的合成与释放甚至癌变等等。,蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把ATP或GTP上位的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，称为蛋白质脱磷酸化。蛋白质的磷酸化反应是生物体内存在的一种普遍的调节方式，在细胞信号的传递过程中占有极其重要的地位。已经发现在人体内有多达2000个左右的蛋白质激酶和1000个左右的蛋白质磷酸酶基因。,1 蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作用,(1).在胞内介导胞外信号时具有专一应答特点。与信号传递有关的蛋白激酶类主要受控于胞内信使，如cAMP，Ca2+，DG（二酰甘油，diacyl glycerol）等，这种共价修饰调节方式显然比变构调节较少受胞内代谢产物的影响。(2).蛋白质的磷酸化与脱磷酸化控制了细胞内已有的酶“活性”。与酶的重新合成及分解相比，这种方式能对外界刺激做出更迅速的反应。(3).对外界信号具有级联放大作用；(4).蛋白质的磷酸化与脱磷酸化保证了细胞对外界信号的持续反应。被磷酸化的主要氨基酸残基：丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸。组氨酸和赖氨酸残基也可能被磷酸化。,signal magnification,信号转导中的一系列过程,特异的膜受体对信号刺激的识别信号的跨膜转换细胞内信号分子被传递给效应分子，引起细胞的活性变化信号分子的失活引起细胞反应的终止,受体 Receptor,存在于细胞膜或细胞内；能接受外界的信号并 将这一信号转化为细胞 内的一系列生物化学反 应，而对细胞的结构 或功能产生影响,配体Ligand能与受体呈特异性结合的生物活性分子统称为配体。受体与配体结合特性：特异性、高效性、可饱和性、可逆性。,受体的基本类型,根据其结构和转换信号的方式又分为三大类：离子通道受体，G蛋白偶联受体和跨膜蛋白激酶受体系统。,1、膜受体(membrane receptor),受体,细胞表面受体,细胞内受体,配体闸门离子通道,生长因子类受体,G蛋白偶联的受体,离子通道受体，G蛋白偶联受体系统跨膜蛋白激酶受体系统。,2、胞内受体(membrane receptor),一氧化氮（NO）细胞内信号,1998 年诺贝尔医学与生理学奖,硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。,磷酸化与去磷酸化,蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把ATP或GTP上位的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，称为蛋白质脱磷酸化。已经发现在人体内有多达2000个左右的蛋白质激酶和1000个左右的蛋白质磷酸酶基因。,组氨酸和赖氨酸残基也可能被磷酸化。,蛋白激酶的种类与功能,根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基的种类可分为三大类：第一类为丝氨酸/苏氨酸型。第二类为酪氨酸型。第三类是组氨酸型。细胞受刺激以后，通过蛋白质磷酸化及一系列级联放大过程将胞外信号转化为细胞内信号，从而引起广泛的生理反应。,根据是否有调节物参与蛋白激酶活性又可分成两大类：信使依赖性蛋白质激酶（messenger-dependent protein kinase），包括胞内信使或调节因子依赖性蛋白激酶及激素（生长因子）依赖性激酶两个亚类；非信使依赖型蛋白激酶。,蛋白质磷酸化对基因表达影响,1.受cAMP水平调控的A激酶2.C激酶与PIP2、IP3和DAG 3.CaM激酶及MAP 4.酪氨酸激酶途径5.蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控,G蛋白偶联受体系统,跨膜蛋白激酶酶受体系统,3.蛋白激酶的种类与功能,根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基的种类可分为三大类：第一类为丝氨酸/苏氨酸型。这类蛋白激酶使底物蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化。第二类为酪氨酸型。被磷酸化的是底物的酪氨酸残基。第三类是“双重底物特异性蛋白激酶（dual-specificity protein kinase），既可使丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化又可使酪氨酸残基磷酸化。细胞受刺激以后，通过蛋白质磷酸化及一系列级联放大过程将胞外信号转化为细胞内信号，从而引起广泛的生理反应。,根据是否有调节物来分又可分成两大类：信使依赖性蛋白质激酶（messenger-dependent protein kinase），包括胞内第二信使或调节因子依赖性蛋白激酶及激素（生长因子）依赖性激酶两个亚类；非信使依赖型蛋白激酶。,G蛋白偶联受体,这类受体与G蛋白偶联，并通过G蛋白调节细胞的生物学效应，因而称之为G蛋白偶联的受体。由一条多肽链组成，其中带有7个疏水跨膜区域氨基末端朝向细胞外，羧基末端则朝向细胞内基质羧基末端有两个在蛋白激酶催化下发生磷酸化的位点，与受体活性调控有关。当受体与相应的配体结合后，触发受体蛋白的构象改变，后者再进一步调节G蛋白的活性而将配体的信号传递到细胞内。,G 蛋白偶联受体又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体,G蛋白鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotidebinding protein）由3个不同的亚单位构成异聚体;具有结合GTP或GDP的能力和GTPase的活性；其本身的构象改变可进一步激活效应蛋白effector protein，实现把细胞外的信号传递到细胞内的过程。,最早是由Rodbell，Gilman等分离纯化，并将其命名，获得了1994年的诺贝尔奖。,G蛋白的分子开关,1.受cAMP水平调控的A激酶（P269）,A激酶（Protein Kinase A，PKA）：依赖于cAMP的蛋白激酶。,蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。活化的蛋白激酶A 催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。,腺苷酸环化酶（adenylate cyclase）：是相对分子量为150KD 的糖蛋白，跨膜12 次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP 生成cAMP,cAMP信号与基因表达,膜上的受体与外源配基相结合，引起受体构象上的变化，并与GTP结合蛋白相结合，激活了与膜相关的腺苷酸环化酶（AC），导致胞内cAMP浓度上升，活化A激酶，释放催化亚基并进入核内，实施底物磷酸化。被磷酸化的底物，如CREB、CREM等，可作为转录激活因子诱发基因转录。,已经证实，许多转录因子都可以通过cAMP介导的蛋白质磷酸化过程而被激活，因为这类基因的5端启动区大都拥有一个或数个cAMP应答元件（cAMPresponse element,CRE），其基本序列是TGACGTCA。CRE结合蛋白(cAMP response element bound protein,CREB),该信号途径涉及的反应链可表示为：激素G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录,蛋白质磷酸化、信号转导及基因表达,1.受cAMP水平调控的A激酶2.C激酶与PIP2、IP3和DAG 3.CaM激酶及MAP 4.酪氨酸激酶途径5.蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控,G蛋白偶联受体系统,跨膜蛋白激酶受体系统,4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）,磷脂酶C（PLC-）,1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）,二酰基甘油（DAG）,2.C激酶与PIP2、IP3和DAG磷脂酰肌醇途径又称为“双信使系统”(double messenger system)。,5.C激酶与PIP2、IP3和DAG,磷酸肌醇级联放大的细胞内信使是磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP2）的两个酶解 产物：肌醇1，4，5-三磷酸（IP3）和二酰基甘油（DAG）。C激酶（PKC）是依赖于Ca2+的蛋白质激酶。由于IP3所引起的细胞质Ca2+浓度升高，导致C激酶从胞质转运到靠原生质膜内侧处，并被DAG和Ca2+的双重影响所激活。C激酶的活性也受磷脂酰丝氨酸的影响，原因是后者大大提高了C激酶对于Ca2+的亲和力，从而使得C激酶能被生理水平的Ca2+离子所活化。C激酶主要实施对丝氨酸、苏氨酸的磷酸化，它具有一个催化结构域和一个调节结域。,C激酶（PKC）是依赖于Ca2+的蛋白质激酶。由于IP3所引起的细胞质Ca2+浓度升高，导致C激酶从胞质转运到靠原生质膜内侧处，并被DAG和Ca2+的双重影响所激活。C激酶主要实施对丝氨酸、苏氨酸的磷酸化，它具有一个催化结构域和一个调节结域。,3.CaM激酶及MAP,钙调蛋白(calmodulin,CaM)为钙结合蛋白，由一条肽链组成，有四个Ca2+结合位点。与Ca2+结合后可激活CaM激酶（CaM-kinase），再磷酸化多种功能蛋白质的丝、苏氨基酸残基。,6.CaM激酶及MAP激酶,Ca2+的细胞学功能主要通过钙调蛋白激酶（CaM-kinase）来实现，它们也是一类丝氨酸/苏氨酸激酶，但仅应答于细胞内Ca2+水平。MAP激酶（mitogen-activated proteinkinase,MAP-kinase，又称为extracellular-signal-regulated kinase，ERKS）活性受许多外源 细胞生长、分化因子的诱导，也受到酪氨酸蛋白激酶及G蛋白受体系统的调控。MAP-激酶的活性取决于该蛋白中仅有一个氨基酸之隔的酪氨酸、丝氨酸残基是否都被磷酸化。科学家把能同时催化这两个氨基酸残基磷酸化的酶称为MAP-激酶-激酶，它的反应底物是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，后者能同时被C激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白等激活，从而在信息传导中发挥功能。,MAP激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK,有丝分裂活化蛋白激酶）活性受许多外源细胞生长、分化因子的诱导，也受到酪氨酸蛋白激酶及G蛋白受体系统的调控。MAP-激酶的活性取决于该蛋白中仅有一个氨基酸之隔的酪氨酸、丝氨酸残基是否都被磷酸化（图8-32）。,把能同时催化这两个氨基酸残基磷酸化的酶称为MAP-激酶-激酶（MAPKK），它的反应底物是MAP激酶。MAP-激酶-激酶本身能被MAP-激酶-激酶-激酶（MAPKKK）所磷酸化，后者能同时被C激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白等激活，从而在信息传导中发挥作用。（图8-32）,MAPKK,MAPKKK,MAPK,4.酪氨酸激酶途径（TPK）,酪氨酸激酶(tyrosine protein kinase,TPK)通过受体本身的酪氨酸激酶的激活来完成信号的装导，不需要G蛋白。跨膜受体型TPK和胞质非受体型TPK,受体类由胞外结合配体结构域、跨膜结构域和细胞质激酶结构域组成，其TPK活性受胞外结构域与配体的调节。配体与受体结合可诱导受体蛋白的二聚化，将受体胞质区酪氨酸残基磷酸化。非受体酪氨酸激酶除有一段与前者同源的激酶结构域序列外，还有数个前体所不具备的保守区。,（一）受体酪氨酸激酶receptor Tyrosine Kinase,receptor trK（RPTK）,酶蛋白以跨膜结构形式存在于细胞膜上;胞外的部分是配体结合区，起受体的作用；细胞质一侧的部分称为激酶活性区，具有酪氨酸激酶的活性配体与受体结合可诱导受体蛋白的二聚化，将受体胞质区酪氨酸残基磷酸化，具有酪氨酸蛋白激酶活性。,酪氨酸蛋白激酶,包含6个亚家族：表皮生长因子（EGF）、胰岛素样生长因子（IGF）、神经生长因子（NGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）和血管内皮细胞生长因子（VEGF）受体都拥有定位于胞内的酪氨酸激酶功能区域和膜外区。,各类受体酪氨酸激酶,细胞外信号EGF、PDGF等,具PTK活性的受体,Ras-GTP,细胞膜,二聚化,跨膜受体型TPK,生长因子受体结合蛋白（Grb2）,5.蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控,CDK（cyclin-dependent protein kinase）周期蛋白依赖性蛋白激酶，简称CDK激酶 蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控,第四节 蛋白质乙酰化对基因表达的影响,1.组蛋白的乙酰化及去乙酰化1.1.组蛋白的基本组成：组蛋白是组成核小体的基本成分，核小体是组成染色质的基本结构单元。1.2.核心组蛋白的乙酰化与去乙酰化,组蛋白的乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响组蛋白乙酰化的状态与基因表达有关。组蛋白N端“尾巴”上赖氨酸残基的乙酰化中和了组蛋白尾巴的正电荷，降低了它与DNA的亲和性，导致核小体构象发生有利于转录调节蛋白与染色质相结合的变化，从和提高了基因转录的活性。相反，组蛋白去乙酰化与基因活性的阻遏有关。组蛋白乙酰基转移酶和去乙酰化酶只能有选择地影响一部分基因的转录。,激素及其影响,许多类固醇激素（如雌激素、孕激素、醛固酮、糖皮质激素和雄激素）以及一般代谢性激素（如胰岛素）的调控作用都是通过起始基因转录而实现的。靶细胞中还有大量激素受体蛋白，而非靶细胞中没有或很少有这类受体，这是激素调节转录组织特异性的根本原因。,所有固醇类激素的受体蛋白分子都有相同的结构框架，包括保守性极高的、位于分子中央的DNA结合区，位于C端的有较强同源性的激素结合区和保守性较小的N端。该区的具体功能不详，但它的存在保证了转录的高效进行。研究还发现，如果糖皮质激素受体蛋白激素结合区的某个部分丢失，就变成一种永久型的活性分子，即无需激素诱导也有激活基因转录的作用。,1.激素对靶基因的影响体内存在的许多糖皮质类激素应答基因都有一段大约20bp的顺式作用元件（激素应答元件，简称HRE），该序列具有类似增强子的作用，其活性受激素制约。靶细胞中含有大量激素受体蛋白，而非靶细胞中没有或很少有这类受体。,1.激素对靶基因的影响固醇类激素的受体蛋白分子有相同的结构框架，包括保守性极高并位于分子中央的DNA结合区，位于C端的激素结合区和保守性较低的N端。,固醇类激素的受体蛋白分子都有相同的结构框架，包括：保守性极高的（9442）、位于分子中央的DNA结合区，位于C端的有5715同源性的激素结合区和保守性小于15的N端。,科学家认为，激素、受体与顺式作用元件的结合位点三者缺一不可，其中无论是受体蛋白与激素的结合，还是激素本身，都不是与DNA结合并激活转录所必须的。其实，通常情况下，受体蛋白中激素结合结构域妨碍了DNA结合区及转录调控区发挥生理功能，只有与相应激素结合后才能打破这种障碍。,类固醇激素与甲状腺素通过胞内受体调节生理过程,能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的DNA上游序列称为应答元件。应答元件与细胞内专一的转录因子相互作用，协调相关基因的转录。应答元件主要有：如热激应答元件（heat shock response element，HSE），糖皮质应答元件（glucocorticoid response element，GRE），金属应答元件（metal response element，MRE）等,热激蛋白诱导的基因表达,许多生物在最适温度范围以上，能受热诱导合成一系列热休克蛋白（heat shock protein，HSP）。按相对分子质量的大小以及同源程度可将热休克蛋白分为Hsp90、Hsp70、小分子Hsp及泛素4个家族，各家族Hsp又由多种不同形式或经不同修饰的蛋白质分子所组成。,真核生物的热休克蛋白可能具有机体保护功能并在细胞的正常生长和发育中起重要作用。,2.热激蛋白诱导的基因表达不受热或其他环境胁迫时，HSF主要以单体的形式存在于细胞质和核内。单体HSF没有DNA结合能力，Hsp70可能参与了维持HSF的单体形式。受热后，果蝇细胞内Hsp70 mRNA水平提高1 000倍，就是因为热激因子（heat shock factor，HSF）