第四节真核生物转录水平上的基因表达调控.ppt

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　　Contents

　　第四节真核生物转录水平上的基因表达调控

　　一、真核基因转录二、真核基因转录调控的主要模式

　　信号转导

　　(一)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号传递系统来传递信息，从而调控机体活动。

　　外界环境变化时

　　跨膜信号转导的一般步骤

　　特定的细胞释放信息物质

　　信息物质经扩散或血循环到达靶细胞

　　与靶细胞的受体特异性结合

　　受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统

　　靶细胞产生生物学效应

　　※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

　　在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、IP3、DAG、cAMP、cGMP等。

　　※第二信使(secondary messenger)

　　能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称配体(ligand)。

　　受体的定义

　　是细胞膜上或细胞内能特别识别生物活性分子并与之结合的成分。它能把识别和接受的信号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。

　　存在于细胞质膜上的受体，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蛋白偶联受体和跨膜蛋白激酶受体。

　　1、膜受体(membrane receptor)

　　细胞膜表面三类受体示意图

　　(1)G 蛋白偶联受体又称七个跨膜?螺旋受体/蛇型受体

　　※ 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

　　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的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α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。

　　2、胞内受体(membrane 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

　　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。

　　(二)信号传导途径

　　1、膜受体介导的信息传递

　　(1) cAMP - 蛋白激酶A途径/(P269)

　　A激酶(PKA)：依赖于cAMP的蛋白激酶。

　　cAMP调控的A激酶活性

　　不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同： ●在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸(图)，而抑制糖原的合成

　　cAMP活化糖原磷酸化酶示意图

　　●在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 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。 (TGACGTCA)

　　CRE结合蛋白(cAMP response element bound protein,CREB)

　　cAMP信号与基因表达

　　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

　　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)磷脂酰肌醇途径

　　(3)酪氨酸蛋白激酶途径(PTK/TPK)

　　分类：跨膜受体型TPK和胞质非受体型TPK

　　细胞外信号 EGF、PDGF等

　　具PTK活性的受体

　　(Gp:) GRB2

　　(Gp:) P

　　(Gp:) SOS

　　(Gp:) P

　　Ras-GTP

　　(Gp:) P

　　(Gp:) Raf

　　(Gp:) 调节其他蛋白活性

　　(Gp:) MAPKK

　　(Gp:) MAPK

　　(Gp:) P

　　(Gp:) 细胞核

　　(Gp:) 反式作用因子

　　(Gp:) 调控基因表达

　　细胞膜

　　二聚化

　　跨膜受体型TPK

　　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。

　　干扰素诱导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

　　2、胞内受体介导的信息传递

　　小分子激素激活其受体分子的机制

　　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基因调控蛋白

　　类固醇激素与甲状腺素通过胞内受体调节生理过程

　　Contents

　　第五节、真核基因转录后水平上的调控

　　(一)RNA的加工成熟

　　1、rRNA和tRNA的加工成熟

　　rRNA的加工：分子内的切割和化学修饰

　　rRNA化学修饰：甲基化原核生物：碱基甲基化真核生物：核糖甲基化

　　tRNA基因转录时也可能先生成前体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)。

　　2、mRNA的加工成熟

　　hnRNA确定是mRNA前体的证据

　　3、真核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：即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：

　　(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。

　　①利用多个5’端转录起始位点或剪接位点产生不同的蛋白质。

　　②利用多个加多聚(A)位点和不同的剪接方式产生不同的蛋白质。

　　③虽无剪接，但有多个转录起始位点或加多聚(A)位点的基因。

　　(二)翻译水平的调控

　　1、mRNA的稳定性与基因表达调控真核生物能否长时间、及时地利用成熟的mRNA分子翻译出蛋白质以供生长、发育的需要，是和mRNA的稳定性以及屏蔽状态的解除相关的。 ? 原核生物mRNA的半衰期很短，平均大约3min。高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均3h。在高度分化的终端细胞中许多mRNA极其稳定，有的寿命长达数天。

　　例：转运铁蛋白受体(TfR)和铁蛋白负责铁吸收和铁解毒。这两个mRNA上存在相似的顺式作用元件，称为铁应答元件(iron response element，IRE)。 IRE与IRE结合蛋白(IREBP)相互作用控制了这两个mRNA的翻译效率。当细胞缺铁时，IREBP与IRE具有高亲和力，两者的结合有效地阻止了铁蛋白mRNA的翻译，与此同时，TfR mRNA上3'非翻译区中的IRE也与IREBP特异结合，有效地阻止了TfR mRNA的降解，促进TfR的合成。

　　2、蛋白质因子的修饰与翻译起始调控用兔网织红细胞粗抽提液研究蛋白质合成时发现，如果不向这一体系中添加氯高铁血红素，网织红细胞粗抽提液中的蛋白质合成抑制剂HCI就被活化，蛋白质合成活性在几分钟之内急剧下降，很快就彻底消失。现已查明，网织红细胞蛋白质合成的抑制剂HCI是受氯高铁血红素调节的eIF-2的激酶，可以使该因子的α-亚基磷酸化并由活性型转变为非活性型。

　　(三)翻译后调控

　　多肽的切割：切去前端的信号肽多肽的有限水解：酶原水解多肽的化学修饰：磷酸化、糖基化多肽的剪接：剪接成数个片段，再以一定的顺序结合起来，形成有活性的蛋白质。

　　真核基因表达调控举例

　　现代分子生物学上把能与某个(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，协调相关基因的转录。

　　最常见的应答元件有：?热激应答元件(heatshock response element，HSE)，糖皮质应答元件(glucocorticoid response element，GRE)，金属应答元件(metal response element，MRE)

　　真核基因表达研究方法与应用

　　1、基因敲除技术 (Gene Knockout) 2.蛋白质相互作用(Pull-down assay)Science, 289:1550-1554 (2000) 3、导弹药物--药物导向治疗

　　肿瘤或癌细胞表面通常过量表达某些特征性蛋白质(如人乳腺癌细胞表面的28 kD 蛋白)，可作为肿瘤导向治疗的作用靶。将抗体的某些部分与外毒素相连接，就可以把毒素直接送到病变细胞表面，有效地杀死病变细胞，保护健康细胞。

　　复习题 (A) 顺式作用元件 (B) 反式作用元件 (C) 顺式作用因子 (D) 反式作用因子 (E) 顺/反式作用元件对自身基因转录激活具有调控作用的DNA序列??? ?????? 由特定基因编码、对另一基因转录具有调控作用的转录因子 ????? ???? ???? ???? ????

　　反式作用因子上的几种重要的DNA结合结构域有:

　　螺旋-转折-螺旋、锌指结构、亮氨酸拉链和碱性-螺旋-环-螺旋

　　真核生物基因表达不需要 (A)转录因子?? (B)衰减子?? (C)启动子?? (D)沉默子? (E)增强子