2003 11 28 chapter7
Download
Skip this Video
Download Presentation
2003 年11月28日 Chapter7. 基因的表达与调控 ------真核基因表达调控模式

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 137

2003 年11月28日 Chapter7. 基因的表达与调控 ------真核基因表达调控模式 - PowerPoint PPT Presentation


  • 116 Views
  • Uploaded on

2003 年11月28日 Chapter7. 基因的表达与调控 ------真核基因表达调控模式. 本章所讲述内容: 1、真核生物的基因结构与转录活性; 2、真核基因的转录水平调控; 3、反式作用因子的调控作用; 4、真核基因转录调控的主要模式; 5、其他水平的基因调控; 本节课所讲述内容: 真核生物的基因结构与转录活性: 1、简述真核生物基因表达调控总论; 2、真核基因组的一般构造特点; 3、 基因的典型结构及特点; 4、真核生物 DNA 水平上的基因表达调控; 5、 DNA 甲基化与基因活性的调控;. 真核生物和原核生物由于基本生活方式不同所决定基因表达调控上的巨大差别。

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' 2003 年11月28日 Chapter7. 基因的表达与调控 ------真核基因表达调控模式' - meagan


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
2003 11 28 chapter7

2003年11月28日Chapter7.基因的表达与调控 ------真核基因表达调控模式

slide2

本章所讲述内容:1、真核生物的基因结构与转录活性;2、真核基因的转录水平调控;3、反式作用因子的调控作用;4、真核基因转录调控的主要模式;5、其他水平的基因调控;本节课所讲述内容:真核生物的基因结构与转录活性: 1、简述真核生物基因表达调控总论;2、真核基因组的一般构造特点;3、基因的典型结构及特点;4、真核生物DNA水平上的基因表达调控;5、DNA甲基化与基因活性的调控;

slide3
真核生物和原核生物由于基本生活方式不同所决定基因表达调控上的巨大差别。真核生物和原核生物由于基本生活方式不同所决定基因表达调控上的巨大差别。
  • 原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件,或使细胞在受到损伤时,尽快得到修复,所以,原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。
  • 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,每个真核细胞所携带的基因数量及总基因组中蕴藏的遗传信息量都大大高于原核生物。人类细胞单倍体基因组就包含有3×109bp总DNA,约为大肠杆菌总DNA的1000倍,是噬菌体总DNA的10万倍左右!
slide4
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。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。
slide5
真核生物基因调控,根据其性质可分为两大类: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。

slide6

在真核生物中基因表达的调节其特点是:

  • (1)多层次;
  • (2)无操纵子和衰减子;
  • (3)个体发育复杂;
  • (4)受环境影响较小;
slide7
研究基因调控主要应回答3个问题:
  • ① 什么是诱发基因转录的信号?
  • ② 基因调控主要是在哪一步(模板DNA的转录、mRNA的成熟或蛋白质合成)实现的?
  • ③ 不同水平基因调控的分子机制是什么?
slide8
真核基因组的一般构造特点

① 在真核细胞中,一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链,不存在原核生物中常见的多基因操纵子形式。

② 真核细胞DNA都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。

③ 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。

④ 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。

slide9
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。

slide10
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。
  • ⑦ 许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程(maturation and splicing),才能顺利地翻译成蛋白质。
slide11
7. 1. 1 基因的典型结构及特点

(1)染色体结构复杂

由DNA、组蛋白、非组蛋白等大分子组成。

  • 其基本结构物质是DNA和组蛋白。
  • 核小体是染色质的基本单位。
  • 真核染色体上三要素: DNA复制起始点、着丝点(centromere)和端粒(telomere)。

目前通用的酵母人工染色体(YAC)以及正在研制的哺乳动物细胞人工染色体(MAC)就是以此为基础, 再加自主复制序列(ARS)、选择标记和插入位点组建的。

2 dna
(2) DNA顺序重复
  • 轻度、中度、高度重复序列三种:
  • 轻度重复序列:单拷贝基因;一个基因组中有一个或几个拷贝的序列;例如结构基因基本上属于不重复序列,如蛋清蛋白、蚕的丝心蛋白等。
  • 中度重复序列:l0个至几百个拷贝的序列;各种rRNA、tRNA及某些结构蛋白基因(如组蛋白基因)。
  • 高度重复序列:从几百到几百万个,通常说的卫星DNA就属于高度重复序列。
  • 重复序列的存在是真核生物DNA区别于原核生物DNA的一个重要特征。
3 interrupted gene
(3) 基因不连续性(interrupted gene)
  • 基因的编码序列在DNA分子上是不连续的,为不编码的序列所隔开。
  • 不连续基因是通过mRNA和DNA杂交试验发现的。
  • 外显子(exon):编码序列
  • 内含子(intron):非编码序列
  • 外显子和内含子的概念与是否编码氨基酸的概念并不相对应。
  • 从不连续基因到成熟mRNA之间存在着一个基因转录的中间体,叫做初级转录物,叫做不均一核RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA), 这个基因的初级转录物既含有外显子又含有内合子序列,
  • 从不均一核RNA到成熟mRNA要经过一转录后的加工拼接过程。
  • 真核生物基因的不连续性和转录后加工是真核基因有别于原核基因的又一重要特征。
slide14

在真核生物中也有些基因是不含内含子的,如组蛋白基因及α型、β型干扰素基因 、大多数酵母蛋白基因等。

  • 在一个结构基因中,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,而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。所以,真核基因有时被称为断裂基因(interrupted gene)。
  • 目前尚不清楚内含子的生理功能。研究发现,只有真核生物具有切除基因中内含子,产生功能型mRNA和蛋白质的能力,原核生物一般不具有这种本领。
  • 如果要在原核细胞里表达真核基因,必须首先构建切除内含子的重组基因,才有可能得到所研究的蛋白质。
4 gene family
(4) 存在许多基因家族(gene family)
  • 来源相同、结构相似、功能相关的基因组成为单一的基因簇或称基因家族。
  • 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;更多的时候,它们却分散在同一染色体的不同部位,甚至位于不同的染色体上,具有各自不同的表达调控模式。
slide17
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。在大肠杆菌中,16S,23S和5S rRNA基因联合成一个转录单位,各种rRNA分子都是从这个转录单位上剪切下来的。

在真核生物中,前rRNA转录产物的分子量为45S,包括18S,28S和5.8S三个主要rRNA分子。前rRNA分子中至少有100处被甲基化(主要是核糖的2-OH甲基化),原始转录产物也被特异性RNA酶切割降解,产生成熟rRNA分子。5S rRNA作为一个独立的转录单位,由RNA聚合酶III(而不是聚合酶I)完成转录。

slide18

复杂多基因家族

复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成,基因家族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。

海胆的组蛋白基因家族 串联单位中的每一个基因分别被转录成单顺反子RNA,这些RNA都没有内含子,而且各基因在同一条DNA链上按同一方向转录,每个基因的转录与翻译速度都受到调节。

研究还表明,在一个特定的细胞中,并不是所有串联的单位都得到转录。胚胎发育的不同阶段或不同组织中,有不同的串联单位被转录,暗示可能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。

slide19
(5)存在串联重复基因
  • 其特点是各成员之间有高度的序列一致性甚至完全相同,拷贝数高、非转录的间隔区短而一致。组蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因都是串联重复基因,这些基因的产物在细胞中都是大量需要的。
7 1 3 dna
7.1.3 真核生物DNA水平上的基因表达调控

分子生物学的最新研究表明,在个体发育过程中,用来合成RNA的DNA模板也会发生规律性变化,从而控制基因表达和生物体的发育。

高度重复基因的形成通常与个体分化阶段DNA的某些变化有关。例如,一个成熟的红细胞能产生大量的可翻译出成熟珠蛋白的mRNA,而其前体细胞却不产生珠蛋白。许多情况下,这种变化是由于基因本身或它的拷贝数发生了永久性变化。

这种DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式,它包括了基因丢失、扩增、重排和移位等方式,通过这些方式可以消除或变换某些基因并改变它们的活性。这些调控方式与转录及翻译水平的调控是不同的,因为它使基因组发生了改变。

slide21

7.1.3.1.“开放”型活性染色质(active chromatin)结构对转录的影响

真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的。转录发生之前,染色质常常会在特定的区域被解旋松弛,形成自由DNA。这种变化可能包括核小体结构的消除或改变,DNA本身局部结构的变化等,这些变化可导致结构基因暴露,促进转录因子与启动区DNA的结合,诱发基因转录。

用DNA酶I处理各种组织的染色质时,发现处于活跃状态的基因比非活跃状态的DNA更容易被DNA酶I所降解。

鸡成红细胞(erythroblast)染色质中,β-血红蛋白基因比卵清蛋白基因更容易被DNA酶I切割降解。

鸡输卵管细胞的染色质中被DNA酶I优先降解的是卵清蛋白基因,而不是β-血红蛋白基因。

slide22

存在于“灯刷型”染色体(lamp brush)上的环形结构可能与基因的活性转录有关。“灯刷型”染色体只有在两栖类动物卵细胞发生减数分裂时才能被观察到,它是染色体充分伸展时的一种形态。高倍电镜下观察发现,灯刷型染色体上存在许多突起的“泡”状或“环”状结构,有时还能看到RNP沿着这些突起结构移动,表明这些DNA正在被RNA聚合酶所转录。

slide23

7.1.3.2.基因扩增

基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象,它使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。

1 . 基因的扩增(amplification)

两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增非洲爪蟾的染色体上有约450拷贝编码18Sr RNA和28S rRNA的DNA,在卵母细胞中它们的拷贝数扩大了1000倍.一旦卵母细胞成熟,多余的rDNA就没有用了,将被逐渐降解。受精之后,染色体DNA开始复制,并通过有丝分裂的方式,不断扩大细胞群体。在此期间,多余的rDNA继续被降解,直到分裂产生几百个细胞时,rDNA的过剩现象就不复存在了。

slide24

 7.1.3.3.基因重排

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,这种方式被称为基因重排。

真核生物

最典型的例子是免疫球蛋白在成熟过程中的重排以及酵母的交配型转变.

slide25

通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因和T-细胞受体基因的表达,前者是由B淋巴细胞合成的,而后者则由T-淋巴细胞合成。抗体有100万种以上,一种淋巴细胞只产生一种抗体通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因和T-细胞受体基因的表达,前者是由B淋巴细胞合成的,而后者则由T-淋巴细胞合成。抗体有100万种以上,一种淋巴细胞只产生一种抗体

slide26

免疫球蛋白的肽链主要由可变区(V区)、恒定区(C区)以及两者之间的连接区(J区)组成免疫球蛋白的肽链主要由可变区(V区)、恒定区(C区)以及两者之间的连接区(J区)组成

slide27

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。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。

slide28

2003年12月1日本节课所讲述内容:真核生物的基因结构与转录活性:1、真核基因表达调控的最显著特征是什么? 2、真核生物基因调控根据其性质可分为哪两大类?3、真核生物中基因表达的调节特点是什么?4、相对于原核生物,真核基因组的一般构造特点是什么?5、基因的典型结构及特点?6、真核生物DNA水平上的基因表达调控:掌握几个概念:开放性活性染色体对基因转录的影响;基因扩增;基因重排;真核基因的转录水平调控;本节课所讲述内容:1、真核生物的基因结构与转录活性: DNA甲基化与基因活性的调控; 2、真核基因的转录;3、反式作用因子

slide29

7.1.4DNA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,这一修饰途径可能存在于所有高等生物中并与基因表达调控密切相关。

大量研究表明,DNA甲基化能关闭某些基因的活性,去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。

DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变,从而控制基因表达。研究证实,CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化导致了人体1/3以上由于碱基转换而引起的遗传病。

DNA甲基化修饰现象广泛存在于多种有机体中。

实验证明,这个过程不但与DNA复制起始及错误修正时的定位有关,还通过改变基因的表达参与细胞的生长、发育过程及染色体印迹、X染色体失活等的调控。

slide30

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。因为高等生物CpG二核苷酸序列中的C 通常是甲基化的,极易自发脱氨,生成胸腺嘧啶。

由于这些CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上,这段序列往往被称为CpG岛。

slide31

真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性:一种被称为日常型甲基转移酶,另一种是从头合成型甲基转移酶,前者主要在甲基化母链(模板链)指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。该酶催化特异性极强,对半甲基化的DNA有较高的亲和力,使新生的半甲基化DNA迅速甲基化,从而保证DNA复制及细胞分裂后甲基化模式不变。后者催化未甲基化的CpG成为mCpG,它不需要母链指导,但速度很慢。

slide32

7.1.4.2.DNA甲基化抑制基因转录的机理

DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化,从而影响了蛋白质与DNA的相互作用,抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。

研究表明,当组蛋白H1与含CCGG序列的甲基化或非甲基化DNA分别形成复合体时,DNA的构型存在着很大的差别,甲基化达到一定程度时会发生从常规的B-DNA向Z-DNA的过渡。由于Z-DNA结构收缩,螺旋加深,使许多蛋白质因子赖以结合的元件缩入大沟而不利于基因转录的起始。

有实验用序列相同但甲基化水平不同的DNA为材料,比较其作为RNA聚合酶转录模板的活性,发现甲基的引入不利于模板与RNA聚合酶的结合,降低了其体外转录活性。

slide33

5-甲基胞嘧啶在DNA上并不是随机分布的,基因的5\' 端和3\' 端往往富含甲基化位点,而启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密切相关。对于弱启动子来说,稀少的甲基化就能使其完全失去转录活性。当这一类启动子被增强时(带有增强子),即使不去甲基化也可以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密度,即使增强后的启动子仍无转录活性。因为甲基化对转录的抑制强度与MeCPl(methyl CpG-binding protein l)结合DNA的能力成正相关,甲基化CpG的密度和启动子强度之间的平衡决定了该启动子是否具有转录活性。

slide34

7.1.4.3.DNA甲基化与X染色体失活

X染色体失活是发育过程中独特的调节机制。

雌性胎生哺乳类动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活,以确保与只有一条X染色体的雄性个体内X染色体基因的剂量相同。一旦发生X染色体失活,这个信息便能够稳定地传递给子代细胞,使该细胞有丝分裂所产生的后代都保持同一条X染色体失活。

slide35

7.2 真核基因的转录

真核基因调控主要也是在转录水平上进行的,受大量特定的顺式作用元件(cis-acting element,又称顺式作用元件)和反式作用因子(trans-acting factor,又称跨域作用因子)的调控,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。

顺式元件:

(1) 核心启动子成分,如TATA框;

(2)上游启动子成分,如CAAT框,GC框;

(3)远上游顺序 :如增强子,酵母的UAS( upstream activator sequences)等。

(4)特殊细胞中的启动子成分:如淋巴细胞中的 Oct(octamer)和κB。

slide36

一个完整的基因,不但包括编码区(coding region),还包括5’和3’端长度不等的特异性序列,它们虽然不编码氨基酸,却在基因表达的过程中起着重要作用。所以,“基因”的分子生物学定义是:产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。

slide37

增强子及其对转录的影响

增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。作为基因表达的重要调节元件,增强子通常具有下列性质:

1、增强效应十分明显,一般能使基因转录频率增加10-200倍。2、增强效应与其位置和取向无关,不论增强子以什么方向排列(5\'→3\'或3\'→5\'),甚至和基因相距3 kb,或在基因下游,均表现出增强效应;3、大多为重复序列,一般长约50bp,适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列:(G)TGGA/TA/TA/T(G),是产生增强效应时所必需的; 4、 增强效应有严密的组织和细胞特异性,说明只有特定的蛋白质(转录因子)参与才能发挥其功能;5、 没有基因专一性,可以在不同的基因组合上表现增强效应;6、 许多增强子还受外部信号的调控,如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子,就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。

direction of transcription

5′

Enhancer

Gene

Enhancer

Enhancer

3′

slide38

增强子的作用原理是什么呢?

增强子可能有如下3种作用机制:

①影响模板附近的DNA双螺旋结构,导致DNA双螺旋弯折或在反式因子的参与下,以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间“成环”连接,活化基因转录;

②将模板固定在细胞核内特定位置,如连接在核基质上,有利于DNA拓扑异构酶改变DNA双螺旋结构的张力,促进RNA聚合酶II在DNA链上的结合和滑动;

③增强子区可以作为反式作用因子或RNA聚合酶II进入染色质结构的“入口”。

slide39

增强子的功能是可以累加的。SV40增强子序列可以被分为两半,每一半序列本身作为增强子功能很弱,但合在一起,即使其中间插入一些别的序列,仍然是一个有效的增强子。因此,要使一个增强子失活必须在多个位点上造成突变。对SV40增强子而言,没有任何单个的突变可以使其活力降低10倍。

slide40

7.3 反式作用因子

真核生物启动子和增强子是由若干DNA序列元件组成的,由于它们常与特定的功能基因连锁在一起,因此被称为顺式作用元件。这些序列组成基因转录的调控区,影响基因的表达。在转录调控过程中,除了需要调控区外,还需要反式作用因子。

一般认为,如果某个蛋白是体外转录系统中起始RNA合成所必需的,它就是转录复合物的一部分。根据各个蛋白成分在转录中的作用,能将整个复合物分为3部分:

反式作用因子是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。

  • ①参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基,不具有基因特异性。
  • ②与转录的起始或终止有关的辅助因子,不具有基因特异性。
  • ③与特异调控序列结合的转录因子。它们中有些被认为是转录复合物的一部分,因为所有或大部分基因的启动区都含有这一特异序列。更多的则是基因或启动子特异性结合调控蛋白,它们是起始某个(类)基因转录所必需的。
slide41
反式作用因子可以分为3类;

(1)通用反式作用因子,主要识别启动子的核心启动成分,如TBP;

(2)特殊组织与细胞中的反式作用因子,如淋巴细胞中的Oct-2;

(3)和反应性元件(response elenents)相结合的反式作用因子。

如HSE(热休克反应元件,heat shock response element),

GRE(糖皮质激素反应元件glucocorticoid response element);

MRE(金属反应元件,metal response element);

TRE(肿瘤诱导剂反应元件,tumorgenic agent response element);

slide42

螺旋转角螺旋

同源异形结构域

锌指结构

亮氨基拉链

螺旋环螺旋

(一) 蛋白质直接和DNA结合

slide43

1.  螺旋转角螺旋(Helix-turn-helix,HTH):

  • 最初在λ噬菌体的阻遏蛋白中发现的一种DNA结合结构域。
  • 在阻遏蛋白氨基端有5段α螺旋,每段螺旋之间折转成一定角度相连接,其中两段负责同DNA结合。
  • α螺旋3由9个氨基酸组成,与前面的由7个氨基酸组成的。螺旋2形成一个角度。α螺旋3通过氨基酸侧链同DNA碱基之间的氢键同DNA序列相结合,所以,螺旋α被称为识别螺旋(recognition helix)。
  • 螺旋2则是通过氢键同DNA的磷酸骨架相接触。这种相互作用对于同DNA结合是必需的,但并不控制对靶序列识别的专一性。
slide44

2.锌指结构(zinc fimger)

是一个蛋白质结构域,由重复的半胱氨酸和组氨酸或重复的半胱氨酸在一个金属锌离子四周形成一个四面体的排列。长约30个aa,其中4个氨基酸(Cys或2个Cys,两个His)与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较稳定。

slide45

最初是在爪蟾(Xenopus laevis)的RNA聚合酶III转录因子(TFIIIA)中发现的。9个串联重复的锌指区组成,每个单位大约由30个氨基酸残基组成。

  • 基序因在锌结合位点上突出的氨基酸环的形状如同手指,所以称为“指状”结构。这种蛋白质结构域是同DNA或RNA结合的部位。

单个的锌指保守序列是:Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5- Leu-X2-His-X2-His

  • 这里x2、x5代表2个和5个任何一种氨基酸残基。根据锌指结构中与锌配位的半胱氨酸(C)和组氨酸(H)的数目和位置,可将指状结构分为2类。

Ⅰ型: 2Cys/2His : TF IIIA, SP1

Ⅱ型: 2cys/2cys : GAL4

slide46

3. 亮氨酸拉链

亲脂性(amphipathic)的α螺旋,包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸,两条多肽链以此形成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)组成DNA结合区。

(Leucine ziipper)

同二聚体(honwdimers)

异二聚体(hefercdimers)

C-Jun,C-Fos,Myc ,

slide47

亮氨酸是疏水性氨基酸,排列在双螺旋的一侧,所有带电荷的氨基酸残基排在另一侧。当2个蛋白质分子平行排列时,亮氨酸之间相互作用形成二聚体,形成“拉链”

  • 由于这类蛋白质都以二聚体形式与DNA结合,两个蛋白质α螺旋上的亮氨酸一侧是形成拉链型二聚体的基础。然而,亮氨酸拉链区并不能直接结合DNA,只有肽链氨基端20~30个富含碱性氨基酸结构域与DNA结合。
  • 在“拉链”式的蛋白质分子中,亮氨酸以外带电荷的氨基酸形式同DNA结合。不形成二聚体,该碱性区对DNA的亲和力明显降低。所以,这类蛋白质的DNA结合结构域实际是以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。
slide48

该调控区长约50个aa残基,同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能,其主要特点是可形成两个亲脂性α-螺旋,两个螺旋之间由环状结构相连,其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。该调控区长约50个aa残基,同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能,其主要特点是可形成两个亲脂性α-螺旋,两个螺旋之间由环状结构相连,其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。

在HLH中带有碱性区的肽链称为 碱性HLH(bHLH,protein)。 bHLH又分为两类。

A类是可以广泛表达的蛋白,包括哺乳动物的E12/E47(可和免疫球蛋基因增强子中的元件结合)和果蝇da(daughterless,性别控制的总开关基因)的产物;

B类是组织特异性表达的蛋白,包括哺乳动物的MyoD(肌浆蛋白(myogen)基因的转录因子

果蝇的AC-S(achaete-scute 无刚毛基因的产物)

4. 螺旋一环一螺旋(HLH)

slide49

DNA结合蛋白的共同特性:

  • (1)具有一些与DNA结合的螺旋区,
  • (2)能形成二聚体,
  • (3)有一个共同的基序。
  • 基序由40—50个氨基酸组成,含有2个两亲的(amphipathic,既有极性基也有非极性基)螺旋,由2个长度不等的连接区(环)相连。
  • 通过两条螺旋对应位置上的疏水性氨基酸残基之间的相互作用,可以生成同源二聚体或异源二聚体。每个螺旋区长15一16个氨基酸,其中有几个氨基酸残基是保守的。两个螺旋区之间的环使两个螺旋区可以彼此独立地相互作用。
slide50

2003年12月3日复习上节课所讲述内容:1、DNA甲基化抑制转录的机理; 2、DNA甲基化与X染色体失活;3、增强子通常具有下列性质;4、反式作用因子的概念;5、转录激活蛋白结构域与DNA结合的几种形式; 6、结论: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; 本节课所讲述内容:1、蛋白质磷酸化、信号转导及基因表达;2、激素及其影响;3、热激蛋白诱导的基因表达;4、金属硫蛋白基因的多重调控;

slide51

7.4.1 蛋白质磷酸化、信号转导及基因表达

蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把ATP或GTP上γ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。

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。

slide52

细胞表面受体与配体分子的高亲和力特异性结合,能诱导受体蛋白构象变化,使胞外信号顺利通过质膜进入细胞内,或使受体发生寡聚化而被激活。一般情况下,受体分子活化细胞功能的途径有两条:一是受体本身或受体结合蛋白具有内源酪氨酸激酶活性,胞内信号通过酪氨酸激酶途径得到传递;二是配体与细胞表面受体结合,通过G蛋白介异的效应系统产生介质,活化丝氨酸/苏氨酸或酪氨酸激酶,从而传递信号。

slide53

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。

slide56

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。

slide57

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。

slide59

4. 受cAMP调控的A激酶

被A激酶磷酸化的蛋白质其N端上游往往存在两个或两个以上碱性氨基酸,特异氨基酸的磷酸化(X-Arg-Arg-X-Ser-X)改变了这一蛋白的酶活性。这一酶活性代表了绝大多数细胞中cAMP所引起的全部反应。PKA全酶由4个亚基组成(R2C2)包括两个相同的调节亚基(R)和两个相同的催化亚基(C)。全酶的分子量为150-170kD。

slide60

C亚基具有催化活性,R亚基具有调节功能,有两个cAMP结合位点。R亚基对C亚基具有抑制作用,所以,R和C聚合后的全酶(R2C2)无催化活性。R亚基与cAMP的结合导致C亚基解离并表现出催化活性。C亚基具有催化活性,R亚基具有调节功能,有两个cAMP结合位点。R亚基对C亚基具有抑制作用,所以,R和C聚合后的全酶(R2C2)无催化活性。R亚基与cAMP的结合导致C亚基解离并表现出催化活性。

slide61

激素与其受体在肌肉细胞外表面相结合,诱发细胞质cAMP的合成并活化A激酶,再将活化磷酸基团传递给无活性的磷酸化酶激酶,活化糖原磷酸化酶,最终将糖原磷酸化,进入糖酵解并提供ATP。激素与其受体在肌肉细胞外表面相结合,诱发细胞质cAMP的合成并活化A激酶,再将活化磷酸基团传递给无活性的磷酸化酶激酶,活化糖原磷酸化酶,最终将糖原磷酸化,进入糖酵解并提供ATP。

slide62

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。

slide64

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。

slide66

7. 酪氨酸蛋白激酶

对于许多生长因子受体的研究表明,跨膜的酪氨酸蛋白激酶在信息传递过程中起着重要作用。表皮生长因子(EGF)、胰岛素样生长因子(IGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、神经生长因子(NGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)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。

slide67

具有受体功能的酪氨酸蛋白激酶 (receptor protein tyrosine kinase, RPTK)。包括三个结构域:胞外的配体结合区,细胞内部具有酪氨酸蛋白激酶活性的区域和连接这两个区域的跨膜结构。

slide68

8. 蛋白质磷酸化与基因表达

处于信号传递链终端的蛋白质磷酸化既能对许多酶蛋白及生理代谢过程起直接的调节作用,又能通过使转录因子磷酸化来调节基因活性。

slide69

7.4.2 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启始基因转录而实现的。

靶细胞具有专一的细胞质受体,可与激素形成复合物,导致三维结构甚至化学性质的变化。经修饰的受体与激素复合物通过核膜进入细胞核内,并与染色质的特定区域相结合,导致基因转录的起始或关闭。

研究发现,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,这是激素调节转录组织特异性的根本原因。

slide70

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。

slide71

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。

slide73

激素受体对各自特定的激素具有高度特异的识别能力及亲和力,激素到达靶细胞时能迅速与受体结合生成激素-受体复合物,诱导生理生化效应。

激素与其受体的作用假说

(1)受体流动假说。

当激素与受体结合时,激素-受体复合物可在膜内移动并与腺苷酸环化酶结合,激活环化酶,引发后续效应。

(2)中介物假说。

研究腺苷酸环化酶和胰高血糖素受体发现,受体与酶之间可能通过膜脂耦联在一起。

(3)邻位互调假说 。

根据GTP能影响激素与受体结合并进而影响腺苷酸环化酶活性的现象,认为该酶系统至少存在3个活性部位,即激素-受体结合部位、Mg2+-ATP作用中心和核苷酸调节部位。

slide74

7.4.3 热激蛋白诱导的基因表达

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),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)等等,这些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。

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)。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)与hsp70基因TATA区上游60bp处的HSE相结合,诱发转录起始。

slide76

真核细胞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,HSP70的主要功能是参与蛋白质的代谢,而泛素的的主要功能是清除细胞内的变性蛋白质。HSP还常与具有不同功能的多种蛋白质形成天然复合物,参与有关蛋白质折叠、亚基的组装、细胞内运输以及降解等过程。热休克蛋白参与靶蛋白活性和功能的调节,却不是靶蛋白的组成部分,因此,一般称它为分子伴侣或伴侣蛋白(chaperonine)。

hsp基因中内含子数量都很少,至今为止尚未发现hsp70基因中有内含子,而人hsp90、果蝇hsp82、人hsp27、鸡hsp108和泛素等都只有少量内含子。hsp的这一基本特征保证了它们一旦起始转录不需剪接就可产生出成熟mRNA以适应hsp大量快速表达的需要,防止严重的热休克影响mRNA前体的剪接。

slide77

7.4.4 金属硫蛋白基因的多重调控

金属硫蛋白(metallothionein,MT)基因,其5\' 端调控区有着十分复杂的结构,包含许多调控元件,可以同时受几种转录因子的影响。作为细胞内多余重金属离子的螯合蛋白,这个基因平时就有本底水平的表达,还能受重金属离子(如镉)或糖皮质的诱导而高效表达。该基因5’端调控区除了含有TATA区和GC区外,还有两个序列类似于增强子的本底水平调控元件(basal level element,BLE),它们共同参与了该基因本底水平的表达。

slide78

金属离子对该基因转录的诱导是由数个MRE序列介导的。人金属硫蛋白基因5’上游-40~-160处含有4个MRE序列。虽然单一MRE序列足以引发重金属离子诱导的基因表达,多个MRE序列被认为有利于该基因大量表达。位于MT基因5’上游-240~-260bp处的GRE,是固醇类激素受体的结合位点。删除这个区域不影响基因的本底水平表达和受金属离子诱导的特性,但不再对激素诱导作出反应。与TRE序列一样,GRE也属于增强子范畴。

slide79

2003年12月8日

复习上节课所讲述的主要内容:1、蛋白质磷酸化与去磷酸化

蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把ATP或GTP上γ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。

slide80

2、

细胞表面的三类受体示意图

slide81

3、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。

4、真核细胞主要跨膜信号转导途径

slide82

6、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。

slide83

7、 根据是否有调节物来分又可将蛋白激酶分成两大类:  (1)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;

(2)非信使依赖型蛋白激酶。

slide85

8、 激素及其基因调控

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启始基因转录而实现的。

靶细胞具有专一的细胞质受体,可与激素形成复合物,导致三维结构甚至化学性质的变化。经修饰的受体与激素复合物通过核膜进入细胞核内,并与染色质的特定区域相结合,导致基因转录的起始或关闭。

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,这是激素调节转录组织特异性的根本原因。

激素受体对各自特定的激素具有高度特异的识别能力及亲和力,激素到达靶细胞时能迅速与受体结合生成激素-受体复合物,诱导生理生化效应。

1 rna 2

学习本节课内容:真核生物其他水平上的基因调控:1、RNA的加工成熟;2、翻译水平的调控;学习本节课内容:真核生物其他水平上的基因调控:1、RNA的加工成熟;2、翻译水平的调控;

slide87

7.5 其他水平上的基因调控

7.5.1 RNA的加工成熟

各种基因的转录产物都是RNA,无论是rRNA、tRNA还是mRNA,初级转录产物只有经过加工,才能成为有生物功能的活性分子。

7.5.1.1.rRNA和tRNA的加工成熟

rRNA加工有两个内容,一个是分子内的切割,另一个是化学修饰。

真核生物的rRNA基因转录时,先产生一个45S的前体rRNA,然后被核酸酶逐渐降解,形成成熟的18S、28S和5.8S rRNA。

slide88

rRNA基因转录主要在细胞核仁内进行,初级转录产物45S前体rRNA很快就会被加工降解,生成不同相对分子质量的成熟rRNA。rRNA基因转录主要在细胞核仁内进行,初级转录产物45S前体rRNA很快就会被加工降解,生成不同相对分子质量的成熟rRNA。

rRNA的化学修饰主要是甲基化,原核生物rRNA主要是碱基甲基化,而真核生物rRNA则主要是核糖甲基化。

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)。

slide89

7.5.1.2.mRNA的加工成熟

编码蛋白质的基因转录产生mRNA。这类基因产物在转录后要进行一系列的加工变化,才能成为成熟的有生物功能的mRNA。

这些加工主要包括在mRNA的5’末端加“帽子”,在其3’末端加上多聚(A),进行RNA的剪接以及核苷酸的甲基化修饰等。

由于mRNA的这些结构与它作为蛋白质合成模板的功能有密切关系,所以是基因表达的重要调控环节。

与rRNA、tRNA相同,编码蛋白质的基因转录时首先生成前体pre-mRNA(或称核不均一RNA,hnRNA),然后再加工剪接为成熟mRNA。

slide90

hnRNA确定是mRNA前体的证据

①在真核生物细胞核中发现存在代谢十分活跃、平均相对分子质量为2×107,长度不均一的RNA,而细胞质中mRNA的平均相对分子质量仅为1.5×106。

②hnRNA很不稳定,半衰期只有5~15min,而真核生物mRNA的半衰期一般都比较长,这说明hnRNA不可能是转录的最终产物,而只能是中间产物。

③用放射性同位素作脉冲标记证明,75%被标记的RNA是hnRNA。这些标记的RNA大部分位于核内,只有10%进入细胞质,所以认为它们是mRNA的前体。

④hnRNA占细胞全部RNA的3%,说明它一经诞生就立即加工变化,不会长久积累下来。

⑤hnRNA 3’末端也带有多聚(A)。

⑥加入dAR(脱氧腺嘌呤核苷)抑制多聚(A)的生物合成,hnRNA和mRNA的合成都受到抑制。

slide91

7.5.1.3.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。这两种转录方式虽然最终都产生蛋白质,但它们的转录后加工方式是不同的。

(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

第一种简单转录单位,如组蛋白基因,它们没有内含子,因此不存在转录后 加工问题,其mRNA 3’末端没有多聚(A),但有一个保守的回文序列作为转录终止信号。

第二种简单转录单位包括腺病毒蛋白IX,α-干扰素和许多酵母蛋白质基因,它们没有内含子,所编码的mRNA不需要剪接,但需要加多聚(A)。

第三种简单转录单位包括α-和β-珠蛋白基因及许多细胞蛋白基因,这些基因虽然都有内含子,需要进行转录后加工剪接,还要加多聚(A),但它们只产生一个有功能的mRNA,所以仍然是简单转录单位。

slide93

Exon 1

Exon 2

Exon 3

Exon 4

Different proteins

(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。

Transcript 1

Transcript 2

slide97

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。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。

slide98

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。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。

虽然原始转录产物的蛋白质编码区和3’末端都相同,不同的5’末端却导致了分泌型和胞内型蛋白的产生,其中分泌型蔗糖酶是可调节的,而胞内型则是组成型的。

7 5 2
7.5.2 翻译水平的调控
  • 一.mRNA运输控制(transport control)是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节;
  • 二.mRNA翻译的控制
  • 三.mRNA的结构和翻译的效率
  • 四.翻译的起始调节
  • 五.选择性翻译
  • 六.反义RNA调控
  • 七.翻译的自我调节
slide100

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,是与mRNA的稳定性以及屏蔽状态的解除密切相关的。

原核生物mRNA的半衰期很短,平均大约3分钟。高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均约为3小时。在高度分化的终端细胞中许多mRNA极其稳定,有的寿命长达几天或十几天,加上强启动子的转录,使一些终端细胞特有的蛋白质合成达到惊人的水平。

slide102
例2:
  • 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蛋白的合成。
slide104
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。
slide106
在蛋白质生物合成的过程中,特别是在起始反应中,mRNA的“可翻译性”是起决定作用的,其5’末端的帽子结构、二级结构、与rRNA的互补性以及起始密码附近的核苷酸序列都是蛋白质生物合成的信号系统。
  • 蛋白质生物合成的调控,就是通过mRNA本身所固有的信号与可溶性蛋白因子或者与核糖体之间的相互作用而实现的。
slide107
2003年12月10日

复习上节课所讲述内容:

RNA的加工成熟:各种基因的转录产物都是RNA,无论是rRNA、tRNA是mRNA,初级转录产物只有经过加工,才能成为有生物功能的活性分子。

1、rRNA加工有两个内容?真核生物的rRNA基因是如何转录的?

2、 rRNA的化学修饰? 3、mRNA的加工成熟?

4、真核生物基因转录后加工的多样性:知道简单转录单位和复杂转录单位;

5、大致了解翻译水平的调控;

本节课所讲述内容:

1、English Review Chapter 7;

2、第八章:疾病与人类健康 第一节:肿瘤与癌症

slide108
在蛋白质生物合成的过程中,特别是在起始反应中,mRNA的“可翻译性”是起决定作用的,其5’末端的帽子结构、二级结构、与rRNA的互补性以及起始密码附近的核苷酸序列都是蛋白质生物合成的信号系统。
  • 蛋白质生物合成的调控,就是通过mRNA本身所固有的信号与可溶性蛋白因子或者与核糖体之间的相互作用而实现的。
english review control of expression in eukaryotes
English Review:Control Of Expression In Eukaryotes
  • Eukaryotic genes are controlled individually and each gene has specific control sequences preceding the transcription start site
eukaryotes have large complex geneomes
Eukaryotes Have Large Complex Geneomes
  • The human genome is about 3 x 109 base pairs or ≈ 1 m of DNA
  • Because humans are diploid, each nucleus contains 6 x 109 base pairs or ≈ 2 m of DNA
  • That is a lot to pack into a little nucleus!
eukaryotic dna must be packaged
Eukaryotic DNA Must be Packaged
  • Eukaryotic DNA exhibits many levels of packaging
  • The fundamental unit is the nucleosome, DNA wound around histone proteins
  • Nucleosomes arrange themselves together to form higher and higher levels of packaging.
highly packaged dna cannot be expressed
Highly Packaged DNA Cannot be Expressed
  • The most highly packaged form of DNA is “heterochromatin”
  • Heterochromatin cannot be transcribed, therefore expression of genes is prevented
  • Chromosome puffs on some insect chomosomes illustrate where active gene expression is going on
only a subset of genes is expressed at any given time
Only a Subset of Genes is Expressed at any Given Time
  • It takes lots of energy to express genes
  • Thus it would be wasteful to express all genes all the time
  • By differential expression of genes, cells can respond to changes in the environment
  • Differential expression, allows cells to specialize in multicelled organisms.
  • Differential expression also allows organisms to develop over time.
control of gene expression

Cytoplasm

Nuclear

pores

Degradation

AAAAAA

AAAAAA

DNA

Transcription

Modification

RNA

RNA

Processing

G

G

Degradation etc.

Ribosome

mRNA

G

AAAAAA

Export

Translation

Nucleus

Control of Gene Expression

Packaging

Transportation

logical expression control points

Increasing cost

Logical Expression Control Points

The logical place to control expression is before the gene is transcribed

  • DNA packaging
  • Transcription
  • RNA processing
  • mRNA Export
  • mRNA masking/unmasking and/or modification
  • mRNA degradation
  • Translation
  • Protein modification
  • Protein transport
  • Protein degradation
a simple eukaryotic gene
A “Simple” Eukaryotic Gene

Transcription

Start Site

3’Untranslated Region

5’Untranslated Region

Introns

5’

3’

Int. 1

Int. 2

Exon 1

Exon 2

Exon 3

Terminator

Sequence

Exons

Promoter/

Control Region

RNA Transcript

enhancers

DNA

5’

3’

Enhancer

Promoter

Transcribed Region

3’

5’

TF

3’

5’

TF

TF

RNA

Pol.

RNA

Pol.

RNA

5’

Enhancers

Many bases

TF

TF

TF

eukaryotic mrna
Eukaryotic mRNA

5’Untranslated Region

3’Untranslated Region

5’

3’

G

AAAAA

Exon 1

Exon 2

Exon 3

Protein Coding Region

3’Poly A Tail

5’Cap

  • RNA processing achieves three things:
    • Removal of introns
    • Addition of a 5’ cap
    • Addition of a 3’ tail
regulation of gene expression

NUCLEUS

CYTOSOL

inactive

mRNA

Regulation of Gene Expression

mRNA degradation control

DNA

mRNA

mRNA

RNA

transcript

Six steps at which eucaryotic gene expression can be regulated.

transcriptional control

RNA processing control

RNA transport and localization control

translation control

protein

protein activity control

inactive

protein

translational control

Translational control

In principle, every step required for the process of gene expression could be controlled.

Predominant form: Control of initiation of transcription.

slide121
1.Transcriptional Initiation:
  • This is the most important mode for control of eukaryotic gene expression.
  • promoter elements :
  • enhancer sequences can enhance the activity of RNA polymerase at a given promoter by binding specific transcription factors.
slide122
2. Transcript Processing and Modification:

Eukaryotic mRNAs must be capped and polyadenylated, and the introns must be accurately removed.

Several genes have been identified that undergo tissue-specific patterns of alternative splicing, which generate biologically different proteins from the same gene.

slide123
3. RNA Transport: A fully processed mRNA must leave the nucleus in order to be translated into protein.
  • 4. Transcript Stability: Unlike prokaryotic mRNAs, whose half-lives are all in the range of 1--5 minutes, eukaryotic mRNAs can vary greatly in their stability. Certain unstable transcripts have sequences that are signals for rapid degradation.
slide124
5. Translational Initiation: Since many mRNAs have multiple methionine codons, the ability of ribosomes to recognize and initiate synthesis from the correct AUG codon can affect the expression of a gene product.
  • Several examples have emerged demonstrating that some eukaryotic proteins initiate at non-AUG codons. This phenomenon has been known to occur in E. coli for quite some time, but only recently has it been observed in eukaryotic mRNAs.
slide125
6. Post-Translational Modification: Common modifications include glycosylation, acetylation, fatty acylation, disulfide bond formations, etc.
  • 7. Protein Transport: proteins must be biologically active following translation and processing, they must be transported to their site of action.
  • 8. Control of Protein Stability: Many proteins are rapidly degraded, whereas others are highly stable. Specific amino acid sequences in some proteins have been shown to bring about rapid degradation
control of eukaryotic transcription initiation
Control of Eukaryotic Transcription Initiation
  • Transcription of the different classes of RNAs in eukaryotes is carried out by three different polymerases. RNA pol I synthesizes the rRNAs, except for the 5S species. RNA pol II synthesizes the mRNAs and some small nuclear RNAs (snRNAs) involved in RNA splicing. RNA pol III synthesizes the 5S rRNA and the tRNAs. The vast majority of eukaryotic RNAs are subjected to post-transcriptional processing.
slide127
The most complex controls observed in eukaryotic genes are those that regulate the expression of RNA pol II-transcribed genes, the mRNA genes.
  • Almost all eukaryotic mRNA genes contain a basic structure consisting of coding exons and non-coding introns and basal promoters of two types and any number of different transcriptional regulatorydomains.
slide128
The basal promoter elements are termed CCAAT-boxes and TATA-boxes because of their sequence motifs. The TATA-box resides 20 to 30 bases upstream of the transcriptional start site and is similar in sequence to the prokaryotic Pribnow-box (consensus TATAT/AAT/A, where T/A indicates that either base may be found at that position).
structural motifs in eukaryotic transcription factors
Structural Motifs in Eukaryotic Transcription Factors
  • Homeodomain: The homeodomain is a highly conserved domain of 60 amino acids found in a large family of transcription factors. This family was first identified in Drosophila as a group of genes that, when altered, would cause transformations of one body part for another , so called homeotic transformations. This class of genes has been identified in both invertebrate and vertebrate organisms. The homeodomain itself forms a structure highly similar to the bacterial helix-turn-helix proteins. The principal function of all homeodomain containing proteins is in the establishment of pattern in an organism such as that of the spinal column in vertebrates.
slide130
Helix-Loop-Helix (HLH):
  • The HLH domain is involved in protein dimerization. The HLH motif is composed of two regions of a-helix separated by a region of variable length which forms a loop between the 2 alph-helices. This motif is quite similar to the Helix-turn-helix motif found in several prokaryotic trascription factors such as the CRP protein involved in the regulation of the lac operon.
slide131
The a-helical domains are structurally similar and are necessary for protein interaction with sequence elements that exhibit a twofold axis of symmetry. This class of transcription factor most often contains a region of basic amino acids located on the N-terminal side of the HLH domain (termed bHLH proteins) that is necessary in order for the protein to bind DNA at specific sequences.
slide132
Zinc Fingers:
  • The zinc finger domain is a DNA-binding motif consisting of specific spacings of cysteine and histidine residues that allow the protein to bind zinc atoms. The metal atom coordinates the sequences around the cysteine and histidine residues into a finger-like domain. The finger domains can interdigitate into the major groove of the DNA helix.
slide133
The spacing of the zinc finger domain in this class of transcription factor coincides with a half-turn of the double helix. The classic example is the RNA pol III transcription factor, TFIIIA. Proteins of the steroid/thyroid hormone family of transcription factors also contain zinc fingers.
slide135

本章总结:真核生物的基因结构与转录活性:1、真核基因表达调控的最显著特征是什么? 2、真核生物基因调控根据其性质可分为哪两大类?3、真核生物中基因表达的调节特点是什么?4、相对于原核生物,真核基因组的一般构造特点是什么?5、基因的典型结构及特点?6、真核生物DNA水平上的基因表达调控:掌握几个概念:开放性活性染色体对基因转录的影响;基因扩增;基因重排;

7、DNA甲基化抑制转录的机理; 8、DNA甲基化与X染色体失活;

顺式作用元件与反式作用因子: 1、增强子通常具有下列性质; 2、反式作用因子的概念; 3、转录激活蛋白结构域与DNA结合的几种形式; 一个结论: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;

slide136
真核生物基因表达调控的主要模式:

1、概念:蛋白质磷酸化与去磷酸化;

2、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。

3、蛋白激酶的种类;

4、根据是否有调节物来分又可将蛋白激酶分成几大类;

5、大致掌握激素对基因表达调控的影响;

其他水平上的基因调控:

RNA的加工成熟:各种基因的转录产物都是RNA,无论是rRNA、tRNA是mRNA,初级转录产物只有经过加工,才能成为有生物功能的活性分子。

1、rRNA加工有两个内容?真核生物的rRNA基因是如何转录的?

2、 rRNA的化学修饰? 3、mRNA的加工成熟?4、真核生物基因转录后加工的多样性:知道简单转录单位和复杂转录单位;

5、大致了解翻译水平的调控;

slide137
在蛋白质生物合成的过程中,特别是在起始反应中,mRNA的“可翻译性”是起决定作用的,其5’末端的帽子结构、二级结构、与rRNA的互补性以及起始密码附近的核苷酸序列都是蛋白质生物合成的信号系统。
  • 蛋白质生物合成的调控,就是通过mRNA本身所固有的信号与可溶性蛋白因子或者与核糖体之间的相互作用而实现的。
ad