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1、第八章第八章 基因的表达与调控基因的表达与调控(下下)真核基因表达调控一般规律真核基因表达调控一般规律真核生物的基因结构与转录活性真核生物的基因结构与转录活性真核基因转录机器的主要组成真核基因转录机器的主要组成蛋白质磷酸化对基因转录的调控蛋白质磷酸化对基因转录的调控 蛋白质乙酰化对蛋白表达的影响蛋白质乙酰化对蛋白表达的影响 激素与热激蛋白对基因表达的影响激素与热激蛋白对基因表达的影响其它水平上的表达调控其它水平上的表达调控Contents 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元多顺反子原核生物基因组结构特点 有重叠基因真核基因组结构特点真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大主要由
2、多细胞组成，每个细胞基主要由多细胞组成，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。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人类细胞单倍体基因组有3109bp3109bp，为大肠杆菌总，为大肠杆菌总DNADNA的的800800倍，噬菌体的倍，噬菌体的1010万倍左右万倍左右3103109 9bpbp、染色质、染色质、单顺反子单顺反子基因不连续性基因不连续性断裂基因（断裂基因（interruptedgene）、）、内含子内含子(intron)、外显子外显子(exon)非编码区较多非编码区较多多于编码序列多于编码序列(9:1)含有大量重复序列含有
3、大量重复序列真核基因的表达调控的特点：真核基因的表达调控的特点：原原核核细细胞胞环环境境因因素素对对调调控控起起决决定定性性的的作作用用。群群体体中中每一个细胞对环境变化的反应是直接的和一致的。每一个细胞对环境变化的反应是直接的和一致的。真真核核细细胞胞基基因因表表达达调调控控最最明明显显的的特特征征是是能能在在特特定定时时间间，特特定定的的细细胞胞中中激激活活特特定定的的基基因因，实实现现“预预定定”的的、有有序序的的、不不可可逆逆转转的的分分化化、发发育育，并并使使生生物物的的组组织织和和器器官官保保持持正正常常功功能能。这这是是生生命命活活动动规规律律决决定定的的，环环境境因因素素在在其
4、中作用不大。其中作用不大。真核生物基因调控达到了原核生物所不可能有的深度和广度真核生物基因调控可分为两大类：真核生物基因调控可分为两大类：第第一一类类是是瞬瞬时时调调控控或或称称可可逆逆性性调调控控，它它相相当当于于原原核核细细胞胞对对环环境境条条件件变变化化所所做做出出的的反反应应，包包括括某某种种底底物物或或激激素素水水平升降，或细胞周期不同阶段酶活性的调节；平升降，或细胞周期不同阶段酶活性的调节；第第二二类类是是发发育育调调控控或或称称不不可可逆逆调调控控，是是真真核核基基因因调调控控的的精髓部分精髓部分，决定了真核细胞生长、分化、发育的进程。，决定了真核细胞生长、分化、发育的进程。根据
5、基因调控发生的先后次序，又可分为：根据基因调控发生的先后次序，又可分为：转录水平调控转录水平调控转转录录后后水水平平调调控控（RNARNA加加工工成成熟熟过过程程的的调调控控，翻翻译译水水平平的的调控，蛋白质加工水平的调控）。调控，蛋白质加工水平的调控）。v研研究究基基因因调调控控的的三三个个主主要要内内容：容：诱诱发发基基因因转转录录的的信信号是什么？号是什么？基基因因调调控控在在哪哪一一步步（模模板板DNADNA的的转转录录、mRNAmRNA的的成成熟熟或或蛋蛋白白质合成）实现的？质合成）实现的？不不同同水水平平基基因因调调控控的分子机制什么？的分子机制什么？真核基因表达调控的主要步骤真核
6、基因表达调控的主要步骤真核生物的基因结构与转录活性真核生物的基因结构与转录活性真核基因转录机器的主要组成真核基因转录机器的主要组成蛋白质磷酸化对基因转录的调控蛋白质磷酸化对基因转录的调控 蛋白质乙酰化对蛋白表达的影响蛋白质乙酰化对蛋白表达的影响 激素与热激蛋白对基因表达的影响激素与热激蛋白对基因表达的影响其它水平上的表达调控其它水平上的表达调控Contents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 8.1真核生
7、物的基因结构与转录活性真核生物的基因结构与转录活性 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，一些由几个或几十个碱基组成的DNA序列，在整个基因组中重复几百次甚至上百万次。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。这种能力在原核生物中极为罕见。在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，它在真核生物中，基因转录的调节区相对较大，
8、它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些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调节区一般通过改变整个所控制基因5上游区上游区DNA构构型来影响它与型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。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促进或抑制RNA聚合酶与它的结合。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
9、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、功能相关的基因按功能成套组合，这些基因被称为基因家族。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属于基因家族8.1.1基因家族（基因家族（genefamily)更多时候，同一家族的成员分散在同一染色体不同部位，甚更多时候，同一家族的成员分散在同一染色体不同部位，甚至位于不同染色体上，具有各自不同的表达调控模式。至位于不同染色体上，
10、具有各自不同的表达调控模式。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。在大肠杆菌中，在大肠杆菌中，16S16S，23s23s和和5s rRNA5s rRNA基因联基因联合合 成一个转录单元，成一个转录单元，各种各种rRNArRNA分子都是从分子都是从这个转录单位上剪切这个转录单位上剪切下来的。下来的。细菌中所有细菌中所有rRNArRNA和部和部分分tRNAtRNA都来自这个分都来自这个分子量为子量为30S30S（约（约65006500个个核苷酸）的前核苷酸）的前rRNArRNA。在真核生物中，前在真核生物中，前rRNA转录产物的分子量为转录产物的分子量为45S，（约有，（
11、约有14000个核苷酸），包括个核苷酸），包括18S，28S和三和三个主要个主要rRNA分子。分子。至少至少100100处被甲基化处被甲基化2、复杂多基因家族 复杂多基因家族一般由复杂多基因家族一般由几个相关基因家族几个相关基因家族构成，基构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单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。位。现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。海海胆胆组组蛋蛋白白基基因因家家族族：编编码码不不同同组组蛋蛋白白的的基基因因处处于于一一个个约约为为6 6 000bp000bp的的片片段段中中，分分别别被被间间隔隔序序列列所所
12、隔隔开开。这这5 5个个基基因因组成的串联单位在整个海胆基因组中可能重复多达组成的串联单位在整个海胆基因组中可能重复多达1 0001 000次。次。3.发育调控的复杂多基因家族发育调控的复杂多基因家族v血血红红蛋蛋白白是是所所有有动动物物体体内内输输送送分分子子氧氧的的主主要要载载体体，由由2222组组成成的的四四聚聚体体加加上上一一个个血血红红素素辅辅基基（结结合合铁铁原原子子）后后形形成成功功能能性性血血红蛋白。红蛋白。v在在生生物物个个体体发发育育的的不不同同阶阶段段出出现现几几种种不不同同形形式式的的和和亚亚基基。这这是是由由于于在在发发育育不不同同阶阶段段，编编码码和和亚亚基基的的基
13、基因因不不同同，编编码码和和亚亚基基的的基基因因是是受受发发育育调调控控的的。P2858.1.2 真核基因的断裂结构 真核基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为非编码序列所隔开，形成镶嵌排列的断裂方式，因此，真核基因也被称为断裂基因。其中编码的序列称为外显子，非编码序列称内含子。外显子外显子(Exon)(Exon)：真核细胞基因：真核细胞基因DNADNA中的编码序列，这些序列被中的编码序列，这些序列被转录成转录成RNARNA并进而翻译为蛋白质。并进而翻译为蛋白质。内含子内含子(Intron)(Intron)：真核细胞基因：真核细胞基因DNADNA中的间插序列，这些序列中的间插序列，这些序列
14、被转录成被转录成RNARNA，但随即被剪除而不翻译。，但随即被剪除而不翻译。哺乳动物二氢叶酸还原酶基因，全长哺乳动物二氢叶酸还原酶基因，全长25-31kb左右，但其左右，但其6个外显子总长只有个外显子总长只有2kb。v基因中的内基因中的内含子数量和大含子数量和大小都不同小都不同。胶原蛋白基因胶原蛋白基因长约长约40kb40kb，至，至少有少有4040个内含个内含子，其中短的子，其中短的只有只有50bp50bp，长，长的可达到的可达到2000bp2000bp。2、外显子与内含子的连接区外显子外显子-内含子连接区内含子连接区指外显子和内含子的交界或称边界序指外显子和内含子的交界或称边界序列，它有列
15、，它有两个重要特征两个重要特征：内含子的两端序列之间没有广泛的同源性内含子的两端序列之间没有广泛的同源性连接区序列很短，高度保守，连接区序列很短，高度保守，每个内含子每个内含子5 5 端起始的两个端起始的两个碱基都是碱基都是GTGT，而，而3 3 端最后两个碱基总是端最后两个碱基总是AGAG，称为称为GT-AGGT-AG法则，法则，是是RNARNA剪接的信号序列。剪接的信号序列。v断裂结构的一个重要特点是断裂结构的一个重要特点是外显子外显子-内含子连接区的高内含子连接区的高度保守性和特异性碱基序列。度保守性和特异性碱基序列。T3、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
16、能产生一种成熟的mRNA的过程。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的过程。8.1.3真核生物真核生物DNA水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控在个体发育过程中，在个体发育过程中，DNA会发生规律性变化，从而控制基会发生规律性变化，从而控制基因表达和生物的发育。因表达和生物的发育。DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括基包括基因丢失、扩增、重排和移位等。因丢失、扩增、重排和移位等。这与转录和翻译水平的调这与转录和翻译水平的调控是不同的，控是不同的，这种调控使基因组发生了改变。这种调控使基因组发生了改变。例如：例
17、如：成熟红细胞能产生大量的可翻译出成熟珠蛋白的成熟红细胞能产生大量的可翻译出成熟珠蛋白的mRNAmRNA，但它的前体细胞是不产生珠蛋白的。这种变化是由于，但它的前体细胞是不产生珠蛋白的。这种变化是由于基基因本身或者是基因的拷贝数发生了永久性因本身或者是基因的拷贝数发生了永久性变化所调控的。变化所调控的。基因扩增：基因扩增：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。要，是基因活性调控的一种方式。v非非洲洲爪爪蟾
18、蟾的的卵卵母母细细胞胞中中原原有有rRNArRNA基基因因（rDNArDNA）约约500500个个拷拷贝贝，在在减减数数分分裂裂粗粗线线期期，基基因因开开始始迅迅速速复复制制，到到双双线线期期拷拷贝贝数数约约为为200200万万个个，扩扩增增近近40004000倍倍，可可用用于于合合成成10101212个个核核糖糖体，满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。体，满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。基因重排与变换基因重排与变换将将一一个个基基因因从从远远离离启启动动子子的的地地方方移移到到较较近近的的位点从而启动转录，被称为位点从而启动转录，被称为基因重排基因重排。例如：例如：P291fig
19、8-11b免疫球蛋白的肽链主要由可变区（免疫球蛋白的肽链主要由可变区（V V区）、恒定区（区）、恒定区（C C区）区）以及两者之间的连接区（以及两者之间的连接区（J,DJ,D区）组成，区）组成，V V、C C和和J J、D D基因片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，通过染色体内育分化时，通过染色体内DNADNA重组把重组把4 4个相隔较远的基因片个相隔较远的基因片段连接在一起，产生具有表达活性的免疫球蛋白基因。段连接在一起，产生具有表达活性的免疫球蛋白基因。8.1.4DNA甲基化与基因活性的调控：甲基化与基因活性
20、的调控：1 1、DNADNA的甲基化的甲基化vDNA甲甲基基化化主主要要形形成成5-甲甲基基胞胞嘧嘧啶啶（5-mC）和和少少量量的的N6-甲甲基基腺腺嘌嘌呤呤（N6-mA）及及7-甲甲基基鸟鸟嘌呤（嘌呤（7-mG）。）。DNADNA甲基化甲基化是最早发现的修饰途径之一；是最早发现的修饰途径之一；DNADNA甲基化甲基化能关闭某些基因的活性，能关闭某些基因的活性，去甲去甲基化基化则诱导了基因的重新活化和表达。则诱导了基因的重新活化和表达。DNADNA甲基化甲基化能引起染色质结构、能引起染色质结构、DNADNA构象、构象、DNADNA稳定性及稳定性及DNADNA与蛋白质相互作用方式与蛋白质相互作用
21、方式的改变，从而控制基因表达。的改变，从而控制基因表达。研究证实研究证实，CpGCpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化二核苷酸中胞嘧啶的甲基化导导致了人体致了人体1/31/3以上由于碱基转换而引起的遗传以上由于碱基转换而引起的遗传病。病。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。CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，这段序列被称为CpG岛。2 2、DNADNA甲基化抑制基因转录的机制甲基化抑制基因转录的机制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。启动区DNA分子上的甲基化密度与基
22、因转录受抑制的程度密切相关。对对于于弱弱启启动动子子来来说说，稀稀少少的的甲甲基基化化就就能能使使其其完完全全失失去去转转录录活活性性。当当这这一一类类启启动动子子被被增增强强时时（带带有有增增强强子子），即即使使不不去去甲甲基基化化也也可可以以恢恢复复其其转转录录活活性性。若若进进一一步步提提高高甲甲基基化化密密度，即使增强后的启动子仍无转录活性。度，即使增强后的启动子仍无转录活性。P294fig8-14 真核生物的基因结构与转录活性真核生物的基因结构与转录活性真核基因转录机器的主要组成真核基因转录机器的主要组成蛋白质磷酸化对基因转录的调控蛋白质磷酸化对基因转录的调控 蛋白质乙酰化对蛋白表达
23、的影响蛋白质乙酰化对蛋白表达的影响 激素与热激蛋白对基因表达的影响激素与热激蛋白对基因表达的影响其它水平上的表达调控其它水平上的表达调控Contents真真核核基基因因调调控控主主要要在在转转录录水水平平上上进进行行，受受大大量量特特定定的的顺顺式式作作用用元元件件（cis-acting cis-acting elementelement）和和反反式式作作用用因因子子（transacting transacting factorfactor）调调控控。真真核核生生物物的的转转录录调调控控大大多多数数是是通通过过顺顺式式作作用用元元件件和和反反式式作作用因子复杂的相互作用用因子复杂的相互作用来实
24、现的。来实现的。8.2 8.2 真核基因转录机器的主要组成真核基因转录机器的主要组成8.2.1 真核基因的转录一一个个完完整整的的基基因因，不不但但包包括括编编码码区区（coding coding regionregion），还还包包括括55和和33端端长长度度不不等等的的特特异异性性序序列列，它它们们虽虽然然不不编编码码氨氨基基酸酸，却却在在基基因因表表达达的的过过程程中中起起着着重重要要作作用用。所所以以，“基基因因”的的分分子子生生物物学学定定义义是是：产产生生一一条条多多肽肽链链或或功功能能RNARNA所所必必需需的的全部核苷酸序列。全部核苷酸序列。顺式作用元件定义：定义：影响影响自身
25、基因自身基因表达活性的表达活性的非编码非编码DNA序列。序列。例：例：启动子、增强子等启动子、增强子等（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。真核基因启动子由真核基因启动子由核心启动子和上游启动子核心启动子和上游启动子两个部两个部分组成，是在基因转录起始位点（分组成，是在基因转录起始位点（+1+1）及其）及其55上上游大约游大约100100200bp200bp以内的一组具有独立功能的以内的一组具有独立功能的DNADNA序列。序列。核心启动子：核心启动子：是指保证是指保证RNARNA聚合酶聚合酶IIII转录正常起始所转录正常起始所必需的、最少的必需的、最少的
26、DNADNA序列，包括转录起始位点及转录序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游起始位点上游-25-25-30bp-30bp处的处的TATATATA盒。盒。上游启动子：上游启动子：包括通常位于包括通常位于-70bp-70bp附近的附近的CAATCAAT盒盒（CCAATCCAAT）和）和GCGC盒（盒（GGGCGGGGGCGG）等。等。（2）增强子增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的DNADNA序列。序列。SV40SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约的转录单元上发现，转录起始位点上游约200 bp200 bp处处有两段长有两段长72 bp
27、72 bp的正向重复序列的正向重复序列。若把增强子上两个若把增强子上两个72bp72bp重复序列同时删除，基因表达水平会降重复序列同时删除，基因表达水平会降低很多。低很多。增强子特点：增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍 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（53或35），甚至和靶基因相距3kb，或在靶基因下游，均表现出增强效应；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），该序列是产生增强效应时所必需的；增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互
28、作用才能发挥其功能；没有基因专一性，可以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，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。（三）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式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的率的蛋白质，也称蛋白质，也称转录因子转录因子。转录复合物中，根据各个蛋白质成分在转转录复合物中，根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整个复合物分为录中的作用，能将整个复合物分为3部分：部分：1.1.参与所有或某些转录阶段的参与所有
29、或某些转录阶段的RNARNA聚合酶亚聚合酶亚基基，不具有基因特异性。，不具有基因特异性。2.2.与转录的起始或终止有关与转录的起始或终止有关的辅助因子的辅助因子，不具基因特异性。不具基因特异性。3.3.与特异调控序列结合的与特异调控序列结合的转录因子转录因子。研究较多的转录因子：TFD（TATA box）、CTF（CAAT box）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）真核生物中真核生物中转录因子活转录因子活性调节的主性调节的主要方式要方式p300这些转录因子有两种独立的活性：这些转录因子有两种独立的活性：1.1.首先它们特异地与首先它们特异地与DNADNA结合位点相结合；结合位点
30、相结合；2.2.然后激活转录。然后激活转录。这些活性可以独立分配给特定的蛋白结构域，分别称这些活性可以独立分配给特定的蛋白结构域，分别称作作DNADNA结合结构域结合结构域和和激活结构域激活结构域。转录激活功能是与其转录激活功能是与其DNADNA结合活性相分离的，它们在蛋结合活性相分离的，它们在蛋白质的不同区域。白质的不同区域。DNA识别或结合域识别或结合域1.螺螺旋旋-转转折折-螺螺旋旋结结构构（H-T-H）这这类类蛋蛋白白质质分分子子中中有有至少两个至少两个螺旋，中间形成螺旋，中间形成“转折转折”。2、锌指结构配位键配位键2-9个个定义：是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构基元。是由一个含
31、有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4个Cys（半胱氨酸）或2个Cys和2个His（组氨酸）配位的Zn构成，形成的结构像手指状。Cys2/Cys2锌指锌指Cys2/His2锌指锌指见于见于甾体激素受体甾体激素受体见于见于SP1等等类固醇激素受体家族含有连续的两个锌指结构类固醇激素受体家族含有连续的两个锌指结构3、碱性-亮氨酸拉链（bZIP结构）p303 当来自同一个或不同多肽链的两个-螺旋的疏水面（常常含有亮氨酸残基）相互作用形成一个二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链。肽链氨基端含2030个富碱性氨基酸。v以二聚体形式与DNA结合，亮氨酸拉链区并不直接结合DNA，肽链氨基端2030个富碱性氨基酸结
32、构域与DNA结合，但以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础。4、碱性-螺旋-环-螺旋（bHLH结构）v在在免免疫疫球球蛋蛋白白轻轻链链基基因因的的增增强强子子结结合合蛋蛋白白E12与与E47中中，羧羧基基端端100200个个氨氨基基酸酸残残基基可可形形成成两两个个两两性性螺螺旋旋，被被非非螺螺旋旋的的环环状状结结构构所所隔隔开开，蛋蛋白白质质的的氨氨基基端端则则是是碱碱性性区区，其其DNA结结合合特特性性与与亮亮氨氨酸酸拉链类蛋白相似。拉链类蛋白相似。vbHLH类类蛋蛋白白只只有有形形成成同同源源或或异异源源二二聚聚体体时时，才才具具有有足足够够的的DNA结结合合能能力力。当当这这类类异异源源
33、二二聚聚体体中中的的一一方方不不含含有有碱碱性性区区（如如Id或或E12蛋蛋白白）时时，该该二二聚聚体体明明显显缺缺乏乏对对靶靶DNA的亲和力。的亲和力。P305fig8-22Contents真核生物的基因结构与转录活性真核生物的基因结构与转录活性真核基因转录机器的主要组成真核基因转录机器的主要组成蛋白质磷酸化对基因转录的调控蛋白质磷酸化对基因转录的调控蛋白质乙酰化对蛋白表达的影响蛋白质乙酰化对蛋白表达的影响激素与热激蛋白对基因表达的影响激素与热激蛋白对基因表达的影响其它水平上的表达调控其它水平上的表达调控细细胞胞是是生生命命活活动动的的基基本本单单位位。细细胞胞通通过过DNA的的复复制制和和
34、细细胞胞分分裂裂将将本本身身所所固固有有的的遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传至至子子代代，实实现现增增殖殖繁繁衍衍。它它们们还还不不断断地地“感感知知”环环境境变化，并对其作出特定的应答。变化，并对其作出特定的应答。细胞应答可以分为细胞应答可以分为3个阶段：个阶段：外外界界信信息息的的“感感知知”，即即由由细细胞胞膜膜到到细细胞胞核核内内的的信信息息传传递递,染色质水平上的基因活性调控染色质水平上的基因活性调控,特特定定基基因因的的表表达达，即即从从DNARNADNARNA蛋蛋白白质质的的遗遗传传信信息息传传递过程。递过程。蛋蛋白白质质的的磷磷酸酸化化与与去去磷磷酸酸化化过过程程是是生生物物体
35、体内内普普遍遍存存在在的的信信息息传传导导调调节节方方式式，几几乎乎涉涉及及所所有有的的生生理理及及病病理理过过程程，如如糖糖代代谢谢、光光合合作作用用、细细胞胞的的生生长长发发育、神经递质的合成与释放甚至癌变等等。育、神经递质的合成与释放甚至癌变等等。能与受体呈特异性结合的生物活性分子能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称则称 配体配体(ligand)。受体的定义受体的定义是是细细胞胞膜膜上上或或细细胞胞内内能能特特别别识识别别生生物物活活性性分分子子并并与与之之结结合合的的成成分分。它它能能把把识识别别和和接接受受的的信信号号正正确确无无误误地地放放大大并并传传递递到到细细胞胞内内部部，进
36、而引起生物学效应的特殊蛋白质。进而引起生物学效应的特殊蛋白质。受体的分类：受体的分类：目前已知受体种类达百余种。目前已知受体种类达百余种。按部位分类：细胞膜受体和细胞内受体。按部位分类：细胞膜受体和细胞内受体。按结构分类：单体蛋白受体、跨膜复合蛋白按结构分类：单体蛋白受体、跨膜复合蛋白受体。受体。按效应分类：离子通道偶联受体、按效应分类：离子通道偶联受体、G蛋白偶蛋白偶联受体、蛋白激酶偶联受体。联受体、蛋白激酶偶联受体。按功能分类：神经递质类受体、激素类受体、按功能分类：神经递质类受体、激素类受体、自体活性物质类受体。自体活性物质类受体。细细胞胞表表面面受受体体与与配配体体分分子子的的高高亲亲
37、和和力力特特异异性性结结合合，能能诱诱导导受受体体蛋蛋白白构构象象变变化化，使使胞胞外外信信号号顺顺利利通通过过质质膜膜进进入入细细胞胞内内，或或使使受受体体发发生生寡寡聚聚化化而而被被激活。激活。受体分子活化细胞功能的途径主要有两条受体分子活化细胞功能的途径主要有两条：一一是是受受体体本本身身或或受受体体结结合合蛋蛋白白具具有有内内源源酪酪氨氨酸酸激激酶酶活活性性，胞内信号通过酪氨酸激酶途径得到传递；胞内信号通过酪氨酸激酶途径得到传递；二二是是配配体体与与细细胞胞表表面面受受体体结结合合，通通过过G G蛋蛋白白介介异异的的效效应应系系统统产产生生介介质质，活活化化丝丝氨氨酸酸/苏苏氨氨酸酸或
38、或酪酪氨氨酸酸激激酶酶，从从而传递信号。而传递信号。G G蛋白蛋白蛋白蛋白:受体与配体结合后即与膜上的偶联蛋白结合，使其释放活受体与配体结合后即与膜上的偶联蛋白结合，使其释放活性因子，再与效应器发生反应。由于这些偶联蛋白的结构性因子，再与效应器发生反应。由于这些偶联蛋白的结构和功能极为类似，且都能结合和功能极为类似，且都能结合GTP或或GDP，所以通常称，所以通常称G蛋白，即鸟苷酸调节蛋白（蛋白，即鸟苷酸调节蛋白（guanine nucleotide regulatory protein）G protein细胞表面的受体通细胞表面的受体通过与其相应配体作过与其相应配体作用后，可经不同种用后，可
39、经不同种类的类的G蛋白偶联，分蛋白偶联，分别发挥不同的生物别发挥不同的生物学效应。学效应。G蛋白的种类和结构：蛋白的种类和结构：已发现有已发现有40多种，结构相似，多种，结构相似，均为异源性三聚体，由均为异源性三聚体，由、亚基构成亚基构成.存存在在于于细细胞胞质质膜膜上上的的受受体体，根根据据其其结结构构和和转转换换信信号号的的方方式式又又分分为为三三大大类类：离离子子通通道道受受体体，G蛋白偶联受体蛋白偶联受体和和跨膜蛋白激酶受体跨膜蛋白激酶受体。膜受体膜受体(membranereceptor)P308真核细胞主要跨膜信号传导途径真核细胞主要跨膜信号传导途径蛋白质磷酸化和蛋白质磷酸化和GTP
40、GTP结合蛋白参与的信号转导过程结合蛋白参与的信号转导过程已发现蛋白激酶基因达2000多个，还有1000多个蛋白质去磷酸化酶基因根据底物蛋白被磷酸化残基丝氨酸/苏氨酸型酪氨酸型组氨酸型是否有调节物参与信使依赖性（胞内信使、调节因子、激素或生长因子）非信使依赖型表10、11依赖于依赖于cAMPcAMP的蛋白激酶称为的蛋白激酶称为A A激酶（激酶（PKAPKA），），它能它能把把ATPATP分子上的末端磷酸基团加到某个特定蛋白质分子上的末端磷酸基团加到某个特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上。的丝氨酸或苏氨酸残基上。8.3.1受受cAMP水平调控的水平调控的A激酶激酶受受cAMP水平调控的水平调控的A
41、激酶激酶非非活活性性状状态态的的PKA全全酶酶由由4个个亚亚基基R2C2所所组组成成，分分子子量量约约为为150-170，调调节节亚亚基基与与cAMP相相结结合合，引引起起构构象象变变化化并并释释放催化亚基，后者随即成为有催化活性的单体放催化亚基，后者随即成为有催化活性的单体.8.3.1受受cAMP水平调控的水平调控的A激酶激酶依依赖赖于于cAMP的的蛋蛋白白激激酶酶称称为为A激激酶酶（PKA），能能把把ATP上上的的末末端端磷磷酸酸基基团团加加到到某某个个特特定定蛋蛋白白质质的的丝丝氨氨酸酸或苏氨酸残基上。或苏氨酸残基上。被被A激激酶酶磷磷酸酸化化的的氨氨基基酸酸N端端上上游游往往往往存存在
42、在两两个个或或两两个个以以上上碱碱性性氨氨基基酸酸，特特定定氨氨基基酸酸的的磷磷酸酸化化（X-Arg-Arg-X-Ser-X）改变了这一蛋白的酶活性。）改变了这一蛋白的酶活性。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。糖糖原原代代谢谢时时，激激素素与与其其受受体体在在肌肌肉肉细细胞胞外外表表面面相相结结合合，诱诱发发细细胞胞质质cAMPcAMP的的合合成成并并活活化化A A激激酶酶，后后者者再再将将活活化化磷磷酸酸基基团团传传递递给给无无活活性性的的磷磷酸酸化化酶酶激激酶酶，活活化化糖糖原原磷磷酸酸化化酶酶，最最终终将将
43、糖糖原磷酸化，进入糖酵解过程并提供原磷酸化，进入糖酵解过程并提供ATPATP。cAMP活化糖原磷酸化酶示意图活化糖原磷酸化酶示意图 在某些分泌细胞中，需要几个小时，激活的在某些分泌细胞中，需要几个小时，激活的PKA PKA 进入进入细胞核，将细胞核，将CRECRE结合蛋白结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。磷酸化，调节相关基因的表达。许多转录因子都可以通过许多转录因子都可以通过cAMP介导的蛋白质磷酸化过介导的蛋白质磷酸化过程而被激活，因为这类基因的程而被激活，因为这类基因的5端大都拥有一个或数个端大都拥有一个或数个cAMP应答元件（应答元件（CRE）。）。CRECRE（cAMP respon
44、se elementcAMP response element，cAMP cAMP应答元应答元件件）是是DNADNA上的调节区域。上的调节区域。(TGACGTCA)CRECRE结合蛋白结合蛋白(cAMP response element bound cAMP response element bound protein,CREB)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p311：激素激素GG蛋白耦联受体蛋白耦联受体激活激活G G蛋白蛋白激活腺苷酸环化酶激活腺苷酸环化酶cAMP cAMP 活化依赖活化依赖cAMPcAMP的的蛋白激酶蛋白激酶AA释放催化亚基释
45、放催化亚基进入核内进入核内 底物（底物（CREBCREB）磷酸化磷酸化激活基因转录激活基因转录cAMP信号与基因表达该信号途径涉及的反应链可表示为p311：激素激素GG蛋白耦联受体蛋白耦联受体激活激活G G蛋白蛋白激活腺苷酸环化酶激活腺苷酸环化酶cAMP cAMP 活化依赖活化依赖cAMPcAMP的的蛋白激酶蛋白激酶AA释放催化亚基释放催化亚基进入核内进入核内 底物（底物（CREBCREB）磷酸化磷酸化激活基因转录激活基因转录8.3.2C激酶与激酶与PIP2、IP3和和DAGC激酶是一个激酶是一个7.7104的蛋白质，能磷酸化丝氨酸和的蛋白质，能磷酸化丝氨酸和苏氨酸。具有一个催化结构域和一个调
46、节结构域。苏氨酸。具有一个催化结构域和一个调节结构域。因为该激酶活性依赖于因为该激酶活性依赖于Ca2+，所以称为，所以称为C激酶激酶（PKC）。）。IP3和和DAG是该途径的主要活性分子，是该途径的主要活性分子，G蛋白通过活化的受体调控磷酸肌醇酶系统的活性。蛋白通过活化的受体调控磷酸肌醇酶系统的活性。图图8-31 8-31 激酶信号传递与基因表达示意图激酶信号传递与基因表达示意图。IP3引起细胞质引起细胞质Ca2+浓度浓度升高，导致升高，导致C激酶从胞质激酶从胞质转运到靠近原生质膜内侧转运到靠近原生质膜内侧处，并被处，并被DAG和和Ca2+激活。激活。DAG激活激活C激酶是因为前激酶是因为前者
47、提高了者提高了C激酶对于激酶对于Ca2+的亲和力。的亲和力。磷酸肌醇级联放大的细胞磷酸肌醇级联放大的细胞内信使是磷脂酰肌醇内信使是磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（二磷酸（PIP2）的两个）的两个酶解产物：肌醇酶解产物：肌醇1，4，5-三磷酸（三磷酸（IP3）和二酰基）和二酰基甘油（甘油（DAG）。）。8.3.3CaM激酶及激酶及MAP激酶激酶Ca2+的细胞学功能主要通过钙调蛋白激酶（的细胞学功能主要通过钙调蛋白激酶（CaM-kinase）来实现，也是一类丝氨酸）来实现，也是一类丝氨酸/苏氨酸激酶，但仅苏氨酸激酶，但仅应答于细胞内应答于细胞内Ca2+水平。水平。MAP激酶（激酶（mitogen-ac
48、tivatedproteinkinase，MAP-kinase，又称为，又称为extracellular-signal-regulatedkinase，ERKS）活性受许多外源细胞生长、分化因子的诱）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导，也受到酪氨酸蛋白激酶及G蛋白受体系统的调控。蛋白受体系统的调控。图图8-32 Ras8-32 Ras蛋白和蛋白和C C激酶激活丝氨酸激酶激活丝氨酸/苏氨酸苏氨酸“瀑布式瀑布式”磷酸化（级联磷酸化），引起相磷酸化（级联磷酸化），引起相关生理反应图示关生理反应图示。MAP-激酶的活性取决于该激酶的活性取决于该蛋白中仅有一个氨基酸之隔蛋白
49、中仅有一个氨基酸之隔的酪氨酸、丝氨酸残基是否的酪氨酸、丝氨酸残基是否都被磷酸化。能同时催化这都被磷酸化。能同时催化这两个氨基酸残基磷酸化的酶两个氨基酸残基磷酸化的酶称为称为MAP-激酶激酶-激酶，其反激酶，其反应底物是应底物是MAP激酶。激酶。MAP-激酶激酶-激酶本身能被激酶本身能被MAP-激酶激酶-激酶激酶-激酶所磷激酶所磷酸化激活，后者能同时被酸化激活，后者能同时被C激酶或酪氨酸激酶家族的激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白等激活，从而在信蛋白等激活，从而在信息传导中发挥功能。息传导中发挥功能。8.3.4酪氨酸蛋白激酶（酪氨酸蛋白激酶（PTK）途径）途径包括跨膜受体家族与胞质非受体家族两大类
50、。包括跨膜受体家族与胞质非受体家族两大类。受受体体类类由由胞胞外外结结合合配配体体结结构构域域、跨跨膜膜结结构构域域和和细细胞胞质质激激酶酶结结构构域域组组成成，其其PTK活活性性受受胞胞外外结结构构域域与与配配体体的的调调节节。配配体体与与受受体体结结合合可可诱诱导导受受体体蛋蛋白白的的二二聚聚化化，将将受受体体胞胞质质区区酪酪氨氨酸酸残残基基磷磷酸化。酸化。c-Src蛋白功能区划分（蛋白功能区划分（a）及第）及第416位、位、527位位酪氨酸残基磷酸化或点突变以后对该蛋白质功酪氨酸残基磷酸化或点突变以后对该蛋白质功能的影响（能的影响（b）。）。Src亚亚家家族族非非受受体体酪酪氨氨酸酸激激