第八章 真核生物基因表达的调控 分子生物学ppt课件.ppt

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1、1,第八章真核生物基因表达的调控,2,真核基因表达调控的最显著特征是能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。,3,真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。第二类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。,4,DNA水平调控（DNA regulation）;转录水平调控（transcript

2、ional regulation）；转录后水平调控（post transcriptional regulation）；翻译水平调控（translational regulation）；蛋白质加工水平的调控（regulation of protein maturation）等。,根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：,5,真核基因组的复杂性 与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，真核基因组比原核基因组大得多；真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传成分(如线粒体DNA等)；二倍体；单顺反子；真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，

3、这就涉及到多个基因协调表达的问题。大量的重复序列；不连续基因；增加了基因表达调控的层次和复杂性。,6,真核生物的基因表达调控要比原核复杂得多,7,多级调控,DNA水平,基因丢失基因扩增基因重排甲基化修饰染色质的结构状态,RNA水平,转录水平调控RNA的转录后加工mRNA向胞浆转运mRNA稳定性,蛋白质水 平,翻译过程翻译后加工蛋白质的稳定性,一、真核生物调控的特点,8,9,基因表达以正调控为主转录与翻译在不同的区域进行无操纵子和衰减子个体发育复杂受环境影响较小,10,1、基因家族（gene family）,A 定义：真核基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。可能由某一共同祖先基因(a

4、ncestral gene)经重复(duplication)和突变产生。B 特点：家族成员可以分布于不同染色体上 可集中于一条染色体上，串联排列在一起，形成基因簇(gene cluster)有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因(Pseudogene),一）DNA水平上的调控,11,1）简单基因家族,特点：家族成员串联排列在一起 组成一个转录单位 代表:rRNA基因家族(重复单元28S、18S、5.8s-rRNA),12,13,2）复杂基因家族,特点：相关基因家族排列在一起，之间有间隔序列，独立的转录单位 代表:组蛋白基因家族,间隔区,14,3）发育相关复杂基因家族,特点：分布在不

5、同的染色体上 独立的转录单位 基因顺序与表达顺序相关代表:珠蛋白基因家族,15,16,17,4）假基因(Pseudogene),核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能合成出功能蛋白质的失活基因。一般都不被转录,且没有明确生理意义,可能是产生一种功能性非编码RNA,调节来自其等位编码基因的mRNA的稳定性 根据其来源可分为 复制假基因 已加工假基因 完全缺失存在于功能基因中的间隔序列 无5端调控序列 3末端紧接着有多聚腺嘌呤尾 两端常被721bp的正向重复序列包围,18,19,果蝇的sexlethal基因转移到小鼠体内，大多数小鼠表现正常，但有一个品系的小鼠在幼年期全部死亡。研究发现

6、，sexlethal基因插入到makorin1p1假基因中部，破坏了该假基因的转录。如果将假基因makorin1p1敲除，makorin1基因将被关闭。,导致多种畸形，包括多囊肾和骨变形。这种老鼠无法正常产生Makorin-1（这是一种在分裂的细胞中与beta-catenin存在于同一位置的蛋白），不是因为makorin-1基因的某个缺陷，而是因为它所产生的mRNA在一个相关假基因中的一个突变的影响下失去了稳定性。,20,2、DNA水平调控,1）染色质结构对基因表达的影响 A 常染色质(euchromatin):压缩程度低，伸展状态，着色浅 常染色质是进行活跃转录的部位。异染色质(hetero

7、chromatin)：压缩程度高，聚缩状态，着色深 结构异染色质(constitutive heterochromatin)兼性异染色质(facultative heterochromatin)没有基因转录表达。异染色质化可能是关闭基因活性的一种途径。,21,22,23,DNase的敏感性和基因表达 含有转录活性基因的染色质区域对DNase降解的敏感性要比无转录活性区域高得多(超敏感位点)。这是由于此区域染色质的DNA蛋白质结构变得松散，DNase易于接触到DNA之故。,常染色质（活性染色质）结构上的特点：具有DNaseI超敏感位点 具有基因座控制区 具有核基质结合区（MAR序列）,24,25

8、,鸡胚红细胞,珠 蛋 白 基因+-,卵清蛋白基 因-+,鸡输卵管细胞,超敏感区域（hypersensitive region）或超敏感位点（hypersensitive site):一般在转录起始点附近，即5端启动子区域，少部分位于其它部位如转录单元的下游。反映出染色体DNA的有效性。,鸡的珠蛋白和卵清蛋白系统,26,核基质结合区（matrix attachment region，MAR）MAR一般位于DNA放射环或活性转录基因的两端。在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平10倍以上，说明MAR在基因表达调控中有作用。是一种新的基因调控元件。,27,28,B 组蛋白的变化,富含Lys组蛋

9、白水平降低,H2A,H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露,29,30,C 端粒位置效应（telomere position effect，TPE）端粒处核小体的堆积紧密，导致该处附近的基因不表达；基因在染色体的位置不同，表达的效果也不同。,31,32,2)DNA的甲基化与去甲基化 A 甲基化 DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一,可能存在于所有高等生物中，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化诱导了基因的重新活化和表达 DNA甲基化的主要形式：CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC,33,34,CG islands 高等真核生物中包含未甲基化CpG双核甘酸序列通常

10、成串出现在随时准备好转录或转译的脱氧核糖核酸中，这段序列称为CG岛。,35,36,甲基化酶 日常型（mainteance）从头合成型（denovo synthesis）,37,在一些不表达的基因中，启动区的甲基化程度 很高，而处于活化状态的基因则甲基化程度较 低.去甲基化又可使基因恢复活性。,卵黄原蛋白基因5调节区,雌激素结合位点,38,B DNA甲基化抑制基因转录的机制 甲基化抑制基因转录的直接机制,39,甲基化抑制转录的间接机制,甲基化以后改变染色质的构象或者通过与甲基化CpG结合的蛋白因子（MeCP1、MeCP2）间接影响转录因子与DNA结合。甲基化达到一定程度会发生从常规的BDNA向Z

11、DNA的转变。,40,41,甲基化提高了突变频率,42,C DNA甲基化与X染色体失活 X染色体失活中心(X-chromosome inactivation center,Xic)：X染色体上存在一个与X染色体失活有密切联系的核心部位，定位在Xq13区。Xi-specific transcript(Xist)基因：只在失活的X染色体上表达，产物是一功能性RNA，没有ORF却含有大量的终止密码子。Xist RNA分子可能与Xic位点相互作用，引起后者构象变化，易于结合各种蛋白因子，最终导致X染色体失活。,43,44,45,遗传印迹(genetic imprinting)或亲本印迹(parenta

12、l imprinting)：是指一对等位基因由于来源不同（父源或母源）而有不同表现（表达或不表达活性），使个体出现不同性状的遗传现象。如源于父本的IGF-(胰岛素样生长因子)基因 可表达，而源于母本的则不能表达。选择性甲基化,46,47,在生殖细胞形成或胚胎发育过程中DNA的甲基化修饰是引起父源和母源基因活性差异的关键。高度甲基化的等位基因常不被表达或表达活性减低，称为被印迹的基因。如果在卵子形成过程中被印迹，就会在后代细胞中表现出来自母方的该基因“沉默”，称为母源印迹；若在精子形成过程中被印迹，则来自父方的该基因表现“沉默”,称为父源印迹。,48,目前在人类和鼠身上已辨明了20种印迹基因。,

13、49,印记基因与疾病 印记丢失（loss of imprinting）在许多遗传性疾病中存在遗传印迹的现象。如亨廷顿舞蹈病属于常染色体显性遗传病，若由父源传递，则子女的发病年龄提前，临床症状加重，除舞蹈动作外，还出现神经系统功能紊乱。近年提出，IGF2或 H19 的印迹丢失(loss of imprinting,LOI),即被印迹的非活性等位基因重新激活，是肿瘤发生的一种新机制。,50,肿瘤发生 抑癌基因甲基化 不表达,51,3)染色体(质)丢失(chromosome diminution)有的生物个体发育早期在体细胞中要丢失部分染色体，而在生殖细胞中保持全部的基因组。马蛔虫（Parascar

14、is equoorum）,此可能是由于在植物极中有特殊的物质的存在，这种物质具有保护染色体不受削减的功能。,52,53,小表瘿蚊（Mayetiole destructor）受精卵的细胞核分裂，而受精卵不分裂，形成合胞体（syncytium）。当核第3次分裂后，有两核移向卵后端的一个特殊区域，叫做极细胞质，在极细胞质中的核保持了全套的染色体（2n=40），将来分化为生殖细胞。而在一般的细胞质中，染色丢失了32条，只保留8条，将来分化为体细胞。,54,55,4)基因扩增,定义 细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加作用 满足特定阶段生命活动的需要,56,组织中整个染色体组都进行扩增：在哺乳动物

15、肝细胞扩增为四倍体；在双翅目昆虫如果蝇（D.melanogaster）的唾腺中，细胞不分裂但染色体却多轮复制，产生巨大的多线染色体（polytenne chromosomes）（含多于1000条染色单体）。,57,果蝇的多线染色体polytenne chromosomes,George Rudkm 早在1960年就指出：果蝇唾腺的多线染色体其常染色质DNA可以特异扩增上千倍，而在异染区附近只可复制几次。,58,发育中的编程扩增A 特定的基因簇的染色体外扩增,非洲爪蟾的18S、5.8S 和28SrDNA的串联重复单位，它们成簇存在，形成核仁形成区。可是在卵母细胞中rDNA串联重复单位被剪切下来后

16、环化，以滚环复制的形式进行扩增，使拷贝数扩大了4000倍以上，到双线期拷贝数达到200万个,形成灯刷染色体。满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。,59,B 特定的基因簇原位扩增：在黑腹果蝇的发育中，卵壳蛋白基因不被剪切，但在基因组中通过复制的重叠环而被扩增。,卵泡细胞中选择性扩增来满足在短期中对卵壳蛋白的大量需要,60,61,C 哺乳动物培养细胞中定向基因的应激性扩增 某些试剂可使那些对其产生抗性的基因大量扩增。氨甲蝶呤（methotrexate）是二氢叶酸还原酶（DHFR）的竞争性抑制剂，可阻断叶酸盐的代谢。突变体dhfr基因可能扩增上千倍。在这种高抗性的细胞染色体中，可以观察到扩增区域

17、形成一延伸的染色体带称均匀染色区（homogeneously staining region,HSR）或形成小的点状染色体被称为双微体(double minute chromosomes)。,62,63,64,以染色体外的方式（双微体）存在。双微体可以复制；但它们没有着丝粒，结果它们不能附着在有丝分裂的纺锤丝上，因此不能均等分离进入子细胞。虽然它的名字叫双微体，实际上可看作为染色体外的微小染色体。,65,5)基因重排,定义 改变基因组中有关基因序列结构(片断水平的拼接)，使相距很远的片断靠近作用 调控基因差别表达,66,免疫球蛋白,67,用分子杂交的方法发现在胎鼠细胞中编码区和区的DNA顺序相

18、隔较远。但在成熟的抗体细胞中（淋巴瘤细胞）这两个区域却紧密相连；表明在淋巴细胞分化过程中，免疫球蛋白基因曾发生过体细胞重组。在任何动物中每家族的V基因和C基因都隔开一段距离。,68,69,多样性是由于：V、D和J-片段随机性重组；重组过程中不精确的连接；可变区的随机突变(体细胞超突变)。有很多基因编码V区，而只有少数几个基因编码C区。V基因编码可变区，C基因编码稳定区，它们都作为一种独立表达的单位。,70,体细胞重组是发生在前B淋巴细胞中,71,当B细胞发育时，一个特殊的L-VK片段和其中一个JK连接，再和CK连接，然后转录，切除内含子，成为成熟的mRNA,72,在小鼠中约有1000个L-VK

19、 基因片段，4个有功能的JK片段和1个CK基因片段。这样就可能产生10004=4000个不同的链。同样的机制也存在于小鼠轻链的基因中。但L-V基因片段只有2个，而有4个C基因，每个C基因都带有自己的J片段，这样产生的链的可变区产生要比链少得多。VK和JK基因的不同连接产生了链的多样化。,73,74,轻链和重链的组装涉及到相同的机制。每个B细胞只表达一种类型的轻链和重链，因在特定的的淋巴细胞内各种类型的链只有单个的有效重排，产生一个轻链基因和一个重链基因。当两条染色体都发生过重排时，通常其中只有一条是有效重排（productive rearrangement），可产生有功能的基因；而另一条是无效

20、重排（nonproductive rearrangement）,75,酵母的变配型的转变 酵母的交配型（mating-type）不同交配型（mating-type）的菌株相互接合才能产生二倍体的合子。相同的交配型之间是不能接合的。细胞的交配型是由MAT（mating）座的遗传信息决定的。在此座位上带有MATa等位基因的细胞就叫做a型细胞；同样带有MAT等位基因的细胞就称为型细胞。,76,77,交配型的转换 某些品系的酵母具有转换（switch）交配型的能力，即从a型变成为型，或从型转变为a型。这些品系带有显性等位基因HO，并频繁地改变它们的交配型（常常每代改变一次）。转换的存在表明所有的细胞都

21、含有MATa和 MAT型的潜在信息，MAT和MATa同在一条染色体上，MAT样基因HML位于MAT的左边，MHR位于MAT的右边。,78,暗箱模型（cassette model）MAT是活性暗盒（active cassette），可以是型，也可以是a型。HML和HMR是沉默暗盒（silent cassettes），都不能表达，通常HML带有暗盒，而HMR带有a暗盒，所有的暗盒都带有编码交配型的信息，但只有MAT可以表达。当活性暗盒信息被沉默暗盒信息所取代时就发生了交配型转换。新“装进”活性暗盒的信息就可以表达。,79,80,81,MAT,MAT a,每种暗盒都有共同的序列，侧翼序列W，X和Z夹

22、着一个中心区Y。在a和型暗盒中仅Y区域是不同的，分别称之为Ya和Y。中心区的两侧区域本质上都是相同的，仅HMRa缺少了W区。,82,E沉默子和I沉默子，或EL（near HML）和ER（near HMR）。具有2个特点：它们具有负的增强子的作用，它们能对远隔25Kb的启动子发挥作用，而且没有方向性，所以它们被称为沉默子（silencers）；它们和可能具有复制起点作用的ASR序列相联。,4个不连锁的沉默信息调节基因SIR（silent information regulator）1、2、3和4，这些基因产物共同起反式作用阻止沉默暗盒中的基因表达。,83,Y交界处周围的24bp的全部序列或大部分

23、序列对于体外剪切是十分必要的。沉默暗盒不转录的机制可能与它们不受HO作用有关。,84,二）转录水平上的调控,真核生物的调控也主要发生在转录水平上，受大量特定的顺式作用元件（cis-acting element）和反式作用因子（trans-acting factor）的调控，大多数真核生物的转录调控是通过两者的相互作用来实现的。,85,（一）顺式作用元件 真核生物DNA序列（非编码序列）和被转录的结构基因距离较近，和转录调控有关。A 启动子（启动子上游近侧序列）B 增强子 C 沉默子,86,87,A 启动子（promoter）,包括核心启动子和上游启动子，在转录起始点上游约100200bp以内，

24、每个元件长度约为720bp，决定RNA聚合酶转录起始点和转录频率的关键元件。,88,a 核心启动子（core promoter）保证RNA聚合酶转录正常起始所必须，包括转录起始位点和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。,89,b 上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）包括CAAT盒和GC盒等，能通过TFD符合物调节转录起始的频率，提高转录效率。,90,91,B 增强子(enhancer)能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，顺式作用元件（DNA序列）。没有增强子 启动子不表现活性 没有启动子 增强子无法发

25、挥作用 特点：增强效应十分明显；不受序列方向和距离的制约；有细胞和组织特异性；大多为重复序列；无基因特异性；许多增强子还受外部信号的调控。,92,93,94,95,96,C 沉默子(silencer)负性调节元件，与相应的反式因子结合后，可以使正调控系统失去作用，阻遏基因转录。这类特定序列不受距离和方向的限制，但机理目前尚不清楚。,97,98,（二）反式作用因子,能直接或间接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。,99,真核生物的RNA聚合酶不能识别DNA上的结合位点，识别这些序列的是调节转录的反式作用因子，即转录因子。但有些转录因子是识别并结合其它转录因子以

26、形成转录装置的必需蛋白。,100,101,102,按功能特性分 基本转录因子(general transcription factors)是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种转录的类别。如：TFA、TFB、TFD、TFE等 特异转录因子(special transcription factors)个别基因转录所必需，决定该基因的时间，空间特异性。如:OCT-2：在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。,A 类型,103,和反应性元件（response elements）相结合的反式作用因子 反应性元件如热休克反应元件（heat shock response el

27、ement，HSE），糖皮质激素反应元件（glucocorticoid response element，GRE），金属反应元件（metal response element，MRE），肿瘤诱导剂反应元件（tumorgenic agent response element，TRE），血清反应元件（serum response element，SRE）。,104,105,106,B 反式作用因子结构,三个功能结构域：DNA识别结合域(DNA-binding domain)；转录活性域(transcriptional activation domain)；结合其他蛋白的结合域,107,反式作用因子

28、通过以下不同的途经发挥调控作用：蛋白质和DNA相互作用；蛋白质和配体结合；蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的修饰 正调控与负调控,108,109,110,111,C 反式作用因子DNA 结合域结构模式,Helix-turn-helix 螺旋-转角-螺旋,第一个被确立的DNA-结合结构最常见DNA结合域之一常结合CAAT盒例：Lac阻遏蛋白,Trp阻遏蛋白、分解代谢激活蛋白(CAP)等,112,113,114,Zinc-fingers 锌指,最常见DNA结合域之一约有30个AA残基 其中4个AA残基（2个Cys，2个His或4个Cys）配位键 Zn2+锌 指与DNA双螺旋大沟结合。常结合GC盒,1

29、15,116,117,118,不同蛋白质的锌指数不同，如两栖类5SrDNA转录因子TFA有9个锌指。结构也有些差异。,119,1,2,3,4,5,6,7,8,9,蛋白质,120,有两种类型的DNA结合蛋白：锌指蛋白和甾类受体具有这种结构。根据锌结合位点的氨基酸分为型和型。,121,一段肽链中每隔7个AA 即有一个Leu 螺旋 亲水面：亲水AA组成 疏水面：Leu组成（亮氨酸拉链条）可形成二聚体（发挥作用）（同二聚体/异二聚体）DNA的结合域：拉链区以外结构,Leucine-zippers 亮氨酸拉链,122,123,124,125,helix-loop-helix 螺旋-环-螺旋,两个-螺 旋

30、：由很长 的连（环）相连形成二聚体有利于其与 DNA结合,126,碱性螺旋环螺旋basic-helix/loop/helixbHLH只有形成二聚体时，才具有活性。当一方不含有碱性区，失去与DNA结合的能力,127,分为两类：A类：广泛表达的蛋白。如哺乳动物的E12E47（和免疫球蛋白基因增强子结合）；B类：组织特异性表达的蛋白。如哺乳动物的MyoD（肌浆蛋白基因的转录因子），果蝇的ACS（无刚毛基因的产物）。一种转录调控蛋白。,128,129,同源异形结构域（Homeodomains，HD）是一种编码60aa的序列，长180bp，它存在于很多控制果蝇早期发育基因中，在高等生物中也发现了相关基序

31、。,130,HD的C-端区域和原核阻遏蛋白的HTH同源，但也有不同:HD的C端由3个-螺旋构成，螺旋3结合于大沟，长17aa；而阻遏蛋白由5个-螺旋构成，螺旋3长仅9个 aa；原核的HTH的以二聚体形式与DNA结合，靶序列是回文结构，而HD是以单体形式与DNA结合，靶序列不是回文结构；HD N-端的臂位于小沟，而HTH螺旋1的末端与DNA的背面接触。,131,132,133,134,D 转录活化结构域,一般由20-100个氨基酸残基组成。如GAL4分子中有2个这种结构域，分别位于多肽链的第147-196位和第768-881位；GCN4的转录激活结构域位于多肽链的第106-125位。,135,a

32、.酸性-螺旋(acidic-helix)该结构域含有由酸性氨基酸残基组成的保守序列，多呈带负电荷的亲脂性-螺旋，包含这种结构域的转录因子有GAL4、GCN4、糖皮质激素受体和AP-1/Jun等。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。可能是通过非特异性的相互作用与转录起始复合物上的TFIID等因子结合生成稳定的转录复合物而促进转录。,136,137,b.谷氨酰胺丰富区(glutamine-rich domain)SP1的N末端含有2个主要的转录激活区，氨基酸组成中有25%的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。酵母的HAP1、HAP2和GAL2及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP2

33、和SRF也含有这种结构域。c.脯氨酸丰富区(proline-rich domain)CTF家族（包括CTF-1、CTF-2、CTF-3）的C末端与其转录激活功能有关，含有20%-30%的脯氨酸残基。,138,139,真核基因转录调节是复杂的、多样的,*不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；,*多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。,*转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。,140,141,142,2、转录起始和加工的调节,（1）转录起始的调节 A 转录起始复合物的形成关键：转录因子(transcription factor,TF

34、)；启动子与TF结合后，才能被RNA pol识别与结合；-25-30区：TATA盒,143,144,TBP:TATA-binding proteinTAFs:TBP associated factors,145,B 反式作用因子的活性调节合成后即有活性：需要时合成，可迅速降解共价修饰：磷酸化-去磷酸化，糖基化配体结合：如激素与受体的结合蛋白质与蛋白质相互作用：二聚体 反式作用因子与顺式作用元件的结合,146,147,C 反式作用因子的作用方式成环、扭曲、滑动、Oozing等反式作用因子的组合式调控作用(conbinatorial gene regulation)使有限的反式作用因子可以调控不同

35、基因的表达,148,149,150,151,（2）RNA聚合酶,RNA聚合酶中最大的亚基相当于细菌RNA聚合酶的亚基。其羧基末端有多磷酸化位点的 7肽重复序列，或称羧基末端结构域（CTD）。7肽序列是Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser，为RNA聚合酶所独有。这个序列的重复次数很重要，若缺失数目达一半以上，则对细胞有致死效应。CTD中的丝氨酸和苏氨酸残基可高度磷酸化。,152,153,（1）概 述,单细胞生物 直接作出反应,多细胞生物 通过细胞间复杂的信息传递系统来传递信息，从而调控机体活动。,外界环境变化时,3、真核基因转录调控的主要模式,154,跨膜信息传递的一般步骤：,

36、特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血液循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信息进行转换并启动细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应,155,细胞间信息物质：是由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质的统称，又称作第一信使。如生长因子、细胞因子、胰岛素等,第二信使(secondary messenger)：在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。,156,受体：是细胞膜上或细胞内能特异识别信息物质并与之结合的成分。它是一种能把识别和接受的信息正确无误地放大并传递到细胞内部、进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。,配体(ligand)

37、：能与受体特异性结合的信息物质。,两种类型：膜受体与胞内受体,157,存在于细胞膜上的受体，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、跨膜蛋白激酶受体。,膜受体(membrane receptor),158,离子通道受体,G蛋白偶联受体,跨膜蛋白激酶受体,159,G 蛋白偶联受体又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体,160,G蛋白(guanylate binding protein),是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由、三个亚基组成。有两种构象：非活化型；活化型,161,两种G蛋白的活性型和非活性型的互变,霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs

38、的亚基上，致使亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的亚基上，使亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。,162,胞内受体(endocellular receptor),高度可变区,位于N端，具有转录活性,DNA结合区,含有锌指结构,激素结合区,位于C端，结合激素、热休克蛋白，使受体二聚化，激活转录,163,配体：类固醇激素、甲状腺素等,功 能：多为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，调节基因转录。,164,（2）信息传递途径,165,166,A、膜受体介导的信息传递,（1）cAMP-激酶途

39、径,A激酶（PKA）：依赖于cAMP的蛋白激酶。,两种：信使依赖型和非信使依赖型,把ATP末端的P加到丝氨酸或苏氨酸上,167,cAMP调控的A激酶活性,4个亚基R2C2组成，分子质量约为150103170103R为调节亚基，C为催化亚基。,168,实例：在肌肉细胞，激活的A激酶可在1秒钟内启动糖原磷酸化为葡萄糖-1-磷酸，而抑制糖原的合成。,169,170,在某些分泌细胞，激活的A激酶需要几个小时才进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMP response element，cAMP应答元件）是DNA上的调节区域，是一个顺式作用元件。(TGACGTCA)CRE结

40、合蛋白(cAMP response element bound protein,CREB)，是一个反式作用因子。,171,172,小结：该信息传递途径涉及的反应链可表示为 激素G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的A激酶反式作用因子基因转录,173,磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）,磷脂酶C（PLC-）,肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）,二酰基甘油（DAG）,（2）磷脂酰肌醇途径,174,分子质量为7.7104，对丝氨酸、苏氨酸进行磷酸化，有一个催化结构域和调节结构域,175,（3）酪氨酸蛋白激酶途径（PTK/TPK）,分类：跨膜受体型PTK和胞质非受体型TPK,胞外结

41、合配体结构域；跨膜结构域；细胞质激酶结构域,激酶结构域（SH1）；调节区（SH2）；抑制区（SH3）,176,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,177,Grb2是生长因子受体结合蛋白2,又叫Ash蛋白。该蛋白参与细胞内各种受体激活后的下游调节。它能够直接与激活的表皮生长因子受体磷酸化的酪氨酸结合,参与EGF受体介导的信号转导,也能通过与Shc磷酸化的酪氨酸结合间接参与由胰岛素受体介导的信号转导。Grb2能够同时与Shc、Sos结合形成Shc-Grb2-Sos复合物,并将Sos激活，激活的Sos与质膜上的Ras蛋白结合，并将其激活

42、,引起信号级联反应。Grb2蛋白含有一个SH2结构域和两个SH3结构域,属SH蛋白。,Sos蛋白是编码鸟苷释放蛋白的基因sos的产物（sos是son of sevenless 的缩写）。Sos蛋白在Ras信号转导途径中的作用是促进Ras释放GDP,结合GTP,使Ras蛋白由非活性状态转变为活性状态，所以,Sos蛋白是Ras激活蛋白。Sos蛋白不含SH结构域,不属于SH蛋白。Ras相对分子质量为21kDa，属单体 GTP结合蛋白，具有弱的 GTP酶活性。,178,胞质非受体型TPK：,受体分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性，但它们能借助细胞内的一类具有激酶结构的连接蛋白JAK完成信息转导。,179,干扰

43、素诱导JAK、STAT复合体核内转移及调节基因转录机制,STAT：信号转导子和转录激活子,JAK-STAT途径,180,181,B、胞内受体介导的信息传递,激素激活胞内受体的分子机制,胞内受体的基本结构分析,细胞内受体的本质是激素激活的反式作用因子,182,甲状腺激素与类固醇激素通过胞内受体调节生理过程,183,184,185,激素受体复合物的结合机制：受体流动假说；中介物假说；邻位互调假说,186,4、应答元件的作用机制,把能与某个（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（response element）。它们与细胞内高度专一的转录因子相互作用，协调相关基因

44、的转录。,187,A热激应答激活蛋白 特异转录因子与应答元件的结合，是起始该基因转录的必要条件。许多生物受热诱导时能合成一系列热休克蛋白（heat shock protein）。无论细菌还是高等真核生物，热休克基因散布于染色体的各个部位或不同染色体上。,188,受热后，果蝇细胞内Hsp70 mRNA水平提高1000倍，就是因为热激因子（heat shock factor，HSF）与hsp70基因TATA区上游60bp处的HSE相结合，激发转录起始。研究发现，在没有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

45、式。,189,受到热激或其他环境胁迫时，细胞内变性蛋白增多，与HSF竞争结合Hsp70，从而释放HSF，使之形成三体并输入核内。热激以后，HSF不但形成三体，还迅速被磷酸化。HSF与HSE的特异性结合，引起包括Hsp70在内的许多热激应答基因表达，大量产生Hsp70蛋白。随着热激温度消失，细胞内出现大量游离的Hsp70蛋白，它们与HSF相结合，并使其脱离DNA序列，最终形成没有DNA结合能力的单体。,190,对果蝇和人HSF蛋白的分析表明，热激转录因子具有多个可形成拉链的疏水重复区，其中3个位于N端，靠近DNA结合区，参与促进HSF三体的形成。第4个拉链位于C端，与第452-488位保守区一道

46、参与维持HSF的单体构象。无论是去除第4个拉链区，还是更换该区甲硫氨酸391赖氨酸，亮氨酸395脯氨酸，都会导致HSF突变体对HSE在常温下的高亲和力。删除第452-488位氨基酸，也可部分替代热激效应。,191,192,常温下，Hsp蛋白第1和4号拉链发生相互作用，从而阻断了三体的形成；热激或其他环境胁迫导致内源拉链之间的解离，蛋白质伸展成长链，不同链上的拉链发生作用，形成具有DNA结合能力的三体。Hsp70能够被热激或其他形式的胁迫迅速诱导，与变性多肽结合，防止形成不可逆聚集。在正常生长条件下，Hsp70主要作用于新生肽的从头折叠。,193,194,195,B转录延伸：HIV Tat,HI

47、V编码一种称为Tat的激活蛋白，该蛋白为HIV基因的大量表达所必需。Tat与RNA上的一段称为TAR的茎环结构结合（TAR是HIV RNA5端的转录起始点后的一段不翻译区域）。在哺乳动物细胞中Tat所起的主要作用表现在转录延伸的过程中，若没有Tat的存在，RNA聚合酶转录复合体将因进程过慢而使HIV的转录过早终止。,196,Tat可与RNA结合因子一起以复合体形式结合在转录物的TAR序列上，Tat-RNA复合体可以向后成环，并与装配在启动子处的新形成的转录起始复合体作用，这种作用导致TFH的激酶活性被激活，结果RNA聚合酶的羧基端结构域(CTD)实现磷酸化，使得RNA聚合酶前进，完成HIV转录

48、单位的阅读，实现HIV蛋白的大量合成。,197,198,转录调节是基因表达调控的最重要方式，但还有其他方式。基因表达的过程中可能被调控，步骤越多产生调控的形式也会越多。真核生物转录之后到达翻译的路比原核生物长，所经步骤也多，因此，基因的转录后调控就显得更为重要。RNA的加工成熟和蛋白质合成，在真核基因调控中起着重要作用。,5、真核基因转录后水平上的调控,199,（1）RNA的加工成熟,A、rRNA和tRNA的加工成熟,rRNA的加工：分子内的切割和化学修饰,200,rRNA的切割,201,rRNA的化学修饰 原核生物：碱基甲基化 真核生物：核糖甲基化,202,tRNA基因转录时也可能先生成前体

49、tRNA，然后再进行加工成熟。一般认为，tRNA基因的初级转录产物在进入细胞质后，首先经过核苷的修饰，生成4.5S前体tRNA，再行剪接成为成熟tRNA（4S）。,tRNA的加工：,203,编码蛋白质的基因转录时首先生成前体pre-mRNA(或称hnRNA)，然后再加工剪接为成熟有生物功能的mRNA。这些加工主要包括在mRNA的5末端加“帽子”，在其3末端加上poly(A)，进行RNA的剪接以及核苷酸的甲基化修饰等。由于hnRNA被不同的加工会产生不同mRNA，它作为蛋白质合成模板的功能就会不同，所以mRNA的加工成熟是基因表达的重要调控环节。,B、mRNA的加工成熟,204,205,A、真核

50、生物基因转录后加工的多样性,真核生物的基因可以按其转录方式分为两大类：简单转录单位和复杂转录单位。,(1)简单转录单位。这类基因只编码产生一个多肽，其原始转录产物有时需要加工，有时则不需要加工。这类基因转录后加工有3种不同形式：,206,207,(2)复杂转录单位。含有复杂转录单位的主要是一些编码组织和发育特异性蛋白质的基因，它们除了含有数量不等的内含子以外，其原始转录产物能通过多种不同方式加工成两个或两个以上的mRNA，能编码产生多个多肽。,208,209,a 转录起始的选择,酵母蔗糖酶基因，有6个基因（Suc15，7）位于不同的染色体上。有胞内酶和胞外酶两种。两种酶结构相似，胞外酶多了信号