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
2、庞大 主要由多细胞组成，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3 3109bp109bp，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3 310109 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（interrupted gene）、）、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:
3、1)含有大量重复序列含有大量重复序列 真核基因的表达调控的特点：真核基因的表达调控的特点：原核细胞原核细胞环境因素对调控起决定性的作用。群体中环境因素对调控起决定性的作用。群体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。真核细胞真核细胞基因表达调控最明显的特征基因表达调控最明显的特征是能在特定时是能在特定时间，特定的细胞中激活特定的基因，实现间，特定的细胞中激活特定的基因，实现“预定预定”的、的、有序的、不可逆转的分化、发育，并使生物的组织和器有序的、不可逆转的分化、发育，并使生物的组织和器官保持正常功能。官保持正常功能。这是生命活动规律决定的，环
4、境因素这是生命活动规律决定的，环境因素在其中作用不大。在其中作用不大。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：第一类第一类是是瞬时调控或称可逆性调控瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞，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，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；第二类第二类是是发育调控或称不可逆调控发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的，是真核基因调控的精髓部分精髓部分，决定了真核细胞生长、分化、发育
5、的进程。，决定了真核细胞生长、分化、发育的进程。根据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录后水平调控（转录后水平调控（RNARNA加工成熟过程的调控，翻译水平加工成熟过程的调控，翻译水平的调控，蛋白质加工水平的调控）。的调控，蛋白质加工水平的调控）。v研究基因调控研究基因调控的三个主要内的三个主要内容：容：诱发基因转录的信诱发基因转录的信号是什么？号是什么？基因调控在哪一步基因调控在哪一步（模板（模板DNADNA的转录、的转录、mRNAmRNA的成熟或蛋白的成熟或蛋白质合成）实现的？质合成）实现的？不同水平基因调控不同水平基因调控的
6、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
7、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
8、，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，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构型来影响它与构型来影响它与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
9、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（gene family)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
10、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，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
11、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，（约有14 000个核苷酸），包括个核苷酸），包括18S，28S和和5.8S三个主要三个主要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。海胆组蛋白基因家族：海胆组蛋白基因家族：编码不同组蛋白的基因处于一个约编码不同组蛋白的基因处于一
12、个约为为6 000bp6 000bp的片段中，分别被间隔序列所隔开。这的片段中，分别被间隔序列所隔开。这5 5个基因个基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血红蛋白是所有动物体血红蛋白是所有动物体内输送分子氧的主要载体内输送分子氧的主要载体，由，由2222组成的四聚体组成的四聚体加上一个血红素辅基（结加上一个血红素辅基（结合铁原子）后形成功能性合铁原子）后形成功能性血红蛋白。血红蛋白。v在生物个体发育的不同在生物个体发育的不同阶段出现几种不同形式的阶段出现几种
13、不同形式的和和亚基。亚基。这是由于在发育这是由于在发育不同阶段，编码不同阶段，编码和和亚基亚基的基因不同，编码的基因不同，编码和和亚亚基的基因是受发育调控的基的基因是受发育调控的。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，这些序列中的编码序列，这些序列被转录成被转录成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
14、)(Intron)：真核细胞基因：真核细胞基因DNADNA中的间插序列，这些序中的间插序列，这些序列被转录成列被转录成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
15、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，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法法则，是则，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
16、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。PS 外显子 S PL 外显子 L 外显子 2 外显子 3 DNA 50b 2800bp 161bp 4500bp 205bp 327bp 初始转录本：在唾腺中转录 成熟 mRNA：1663nt 初始转录本：在肝中转录 成熟 mRNA：1773nt 图 18-57 小鼠淀粉酶(amy)基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA8.1.3 真核生物真核生物DNA水平上的基因表达调控水平上的
17、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
18、细胞是不产生珠蛋白的。这种变化是由于基因基因本身或者是基因的拷贝数发生了永久性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非洲爪蟾的卵母细胞中原有非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNArRNA基因（基因（rDNArDNA）约）约500500个个拷贝，在减数分裂粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝，在减数
19、分裂粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为拷贝数约为200200万个，扩增近万个，扩增近40004000倍，可用于合成倍，可用于合成10101212个核个核糖体，满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。糖体，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 将一个基因从远离启动子的地方移到较近的将一个基因从远离启动子的地方移到较近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：P 291 fig 8-11 b 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
20、（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。8.1.4 DNA甲基化与基因活性的调控：甲基化与基因活性的调控：1 1、DNADNA的甲基化的甲基化vDNA甲基化主要形成甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的和少量的N
21、6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤（N6-mA）及）及7-甲基鸟甲基鸟嘌呤（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
22、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
23、。活性。当这一类启动子被增强时（带有增强子），即使不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。去甲基化也可以恢复其转录活性。若进一步提高甲基化密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。度，即使增强后的启动子仍无转录活性。P294 fig8-14 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
24、调控其它水平上的表达调控Contents真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定的特定的顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting elementcis-acting element）和）和反式作用因子（反式作用因子（transacting factortransacting factor）调控。真）调控。真核生物的转录调控大多数是通过核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用反式作用因子复杂的相互作用来实现的。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
25、基因的转录 一个完整的基因，不但包括编码区（一个完整的基因，不但包括编码区（coding coding regionregion），还包括），还包括5 5和和3 3端长度不等的特异性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，过程中起着重要作用。所以，“基因基因”的分子生的分子生物学定义是：产生一条多肽链或功能物学定义是：产生一条多肽链或功能RNARNA所必需所必需的全部核苷酸序列。的全部核苷酸序列。顺式作用元件定义：定义：影响影响自身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
26、、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
27、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 bp72 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7
28、2bp72bp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
29、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
30、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
31、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，它们在结合活性相分离的，它们在蛋白质的不同区域。蛋白质的不同区域。DNA识别或结合域识别或结合域 1.螺旋螺旋-转折转折-螺旋结构（螺旋结构（H-T-H）这类蛋白质分子中有这类蛋白质分子中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
32、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
33、。4、碱性-螺旋-环-螺旋（bHLH结构）v在免疫球蛋白在免疫球蛋白轻链基轻链基因的增强子结合蛋白因的增强子结合蛋白E12与与E47中，羧基端中，羧基端100200个氨基酸残基可形成个氨基酸残基可形成两个两性两个两性螺旋，被非螺螺旋，被非螺旋的环状结构所隔开，蛋旋的环状结构所隔开，蛋白质的氨基端则是碱性区白质的氨基端则是碱性区，其，其DNA结合特性与亮氨结合特性与亮氨酸拉链类蛋白相似。酸拉链类蛋白相似。vbHLH类蛋白只有类蛋白只有形成同源或异源二聚形成同源或异源二聚体时，才具有足够的体时，才具有足够的DNA结合能力。当这结合能力。当这类异源二聚体中的一类异源二聚体中的一方不含有碱性区（如方不
34、含有碱性区（如Id或或E12蛋白）时，蛋白）时，该二聚体明显缺乏对该二聚体明显缺乏对靶靶DNA的亲和力。的亲和力。P305 fig8-22Contents 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胞是生命活动的基本单位。细胞通过细胞是生命活动的基本单位。细胞通过DNA的的复制和细胞分裂将本身所固有的遗传信息
35、由亲代传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。它们还不断地至子代，实现增殖繁衍。它们还不断地“感知感知”环环境变化，并对其作出特定的应答。境变化，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：外界信息的外界信息的“感知感知”，即由细胞膜到细胞核内的信息传，即由细胞膜到细胞核内的信息传递递,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,特定基因的表达，即从特定基因的表达，即从DNARNADNARNA蛋白质的遗传信息传蛋白质的遗传信息传递过程。递过程。蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程是生物体内普是生物体内普遍存在
36、的信息传导调节方式，几乎涉及所有的生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。长发育、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胞膜细胞膜上或上或细胞内细胞内能特别识别生物活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，受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部，进而引
37、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。细胞表面受体与配体分子的高亲和力特异性结细胞表面受体与配体分
38、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通过质膜进入细胞内，或使受体发生寡聚化而被激活。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：一是受体本身或受体结合蛋白具有内源酪氨酸激酶活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；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，通过二是配体与细胞表面受体结合，通过G G蛋白介异的效应蛋白介异的效应系统产生介质，活化丝氨酸系统产生介质，活化丝氨酸/苏氨酸
39、或酪氨酸激酶，从苏氨酸或酪氨酸激酶，从而传递信号。而传递信号。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，可经不同种类的类
40、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.存在于存在于细胞质膜细胞质膜上的受体，根据其结构和上的受体，根据其结构和转换信号的方式又分为三大类：转换信号的方式又分为三大类：离子通道受体离子通道受体，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(membrane receptor)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GTPGTP结
41、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。质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
42、调控的A激酶激酶 非活性状态的非活性状态的PKA全酶由全酶由4个亚基个亚基R2C2所组成，分子量约所组成，分子量约为为150-170，调节亚基与，调节亚基与cAMP相结合，引起构象变化并释相结合，引起构象变化并释放催化亚基，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激酶激酶依赖于依赖于cAMP的蛋白激酶称为的蛋白激酶称为A激酶（激酶（PKA），能把），能把ATP上的末端磷酸基团加到某个特定蛋白质的丝氨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。酸或苏氨酸残基上。被被A激酶磷酸化的氨基酸激酶磷酸化的氨基酸N端
43、上游往往存在两个或两端上游往往存在两个或两个以上碱性氨基酸，特定氨基酸的磷酸化（个以上碱性氨基酸，特定氨基酸的磷酸化（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。糖原代谢时，激素与其受体在肌肉细胞外表面相结合，诱发糖原代谢时，激素与其受体在肌肉细胞外表面相结合，诱发细胞质细胞质cAMPcAMP的合成并活化的合成并活化A A激酶，后者再将活化磷酸基团传激酶，后者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，最终将糖递给无活性
44、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）。）
45、。CRECRE（cAMP response elementcAMP response element，cAMPcAMP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
46、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8.3.2 C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
47、丝氨酸和苏氨酸。具有一个催化结构域和一个调节结构域。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。
48、DAG激活激活C激酶是因为前激酶是因为前者提高了者提高了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）。）。8.3.3 CaM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。
49、水平。MAP激酶（激酶（mitogen-activated protein kinase，MAP-kinase，又称为，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，）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
50、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（PT
