1、第八章第八章 真核基因表达调控一般规律真核基因表达调控一般规律引言引言与原核生物相比，真核生物：与原核生物相比，真核生物：1.多细胞组成；多细胞组成；2.复杂的染色质结构；复杂的染色质结构；3.大量重复序列；大量重复序列；4.内含子序列；内含子序列；5.转录翻译的时空差异。转录翻译的时空差异。真核生物基因调控分类真核生物基因调控分类 根据调控反应是否可逆分为根据调控反应是否可逆分为 瞬时调控或可逆性调控瞬时调控或可逆性调控包括某种底物或激素水平升降时，或细胞周期不同包括某种底物或激素水平升降时，或细胞周期不同阶段中酶活性的调节。阶段中酶活性的调节。发育调控或不可逆调控发育调控或不可逆调控决定了
2、真核细胞生长、分化、发育的全部进程。决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。根据基因调控发生的先后次序分为：根据基因调控发生的先后次序分为：转录水平调控转录水平调控转录后水平转录后水平 RNA加工成熟过程的调控加工成熟过程的调控 翻译水平的调控翻译水平的调控 蛋白质加工水平蛋白质加工水平P281,Fig.8-1研究基因调控主要应回答三个问题研究基因调控主要应回答三个问题 什么是诱发基因转录的信号？什么是诱发基因转录的信号？基因调控主要是在哪一步（模板基因调控主要是在哪一步（模板DNA的转的转录、录、mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？的成熟或蛋白质合成）实现的？不同水平基因调控的分子机制是什
3、么？不同水平基因调控的分子机制是什么？本章主要内容提要本章主要内容提要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；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；3.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；4.蛋白质乙酰化对基因表达的影响；蛋白质乙酰化对基因表达的影响；5.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；6.其他水平上的表达调控。其他水平上的表达调控。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真核与原核基因表达过程中的主要差异：真核与原核基因表达过程中的主要差异：在真核细胞中，一条成熟的在真
4、核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出链只能翻译出一条一条多肽链，很少原核生物中常见的多肽链，很少原核生物中常见的多基因操纵子多基因操纵子形式。形式。真核细胞真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，只与组蛋白和大量非组蛋白结合，只有一小部分有一小部分DNA是裸露的。是裸露的。真核细胞真核细胞DNA很大一部分不转录。很大一部分不转录。真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行行DNA片段重排片段重排，增加细胞内某些基因的拷贝数。，增加细胞内某些基因的拷贝数。基因转录的调节区很大，可能远离转录起始位点基因转录的调节区很大，可能远离转录起始位点达几百个
5、甚至上千个碱基对，主要通过改变整个所达几百个甚至上千个碱基对，主要通过改变整个所控制基因控制基因5上游区上游区DNA构型来影响它与构型来影响它与RNA聚合聚合酶的结合能力。酶的结合能力。许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接许多真核生物的基因只有经过复杂的成熟和剪接过程，才能被顺利地翻译成蛋白质。过程，才能被顺利地翻译成蛋白质。真核生物的真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质。过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质。8.1.1 基因家族（基因家族（gene family）基因家族基因家族真核细胞中许多相关的基因常按
6、功能真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合。成套组合。同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为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，也可能分散在同一染色体的不同部位，一个基因簇，也可能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甚至位于不同的染色体上，具有各自不同的表达调控模式。控模式。1、简单多基因家族、简单多基因家族 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中的基因一般以串联方式前后相连。例，相连。例，rRNA。原核中，原核中，16S，23S和和5SrRNA基因联合成一个转基因联合成一个转录单位，各种录单位，各种rRNA分子都是
7、从这个转录单位上剪分子都是从这个转录单位上剪切下来的。切下来的。真核生物中，真核生物中，前前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。细菌中细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析基因家族各成员的分布与成熟过程分析P283,图图8-2脊椎动物中脊椎动物中rRNA基因家族主要成员的分基因家族主要成员的分布与成熟过程分析布与成熟过程分析P283,图图8-32、复杂多基因家族、复杂多基因家族 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，一般由几个相关基因
8、家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。单位。例，例，海胆组蛋白基因家族：海胆组蛋白基因家族：编码不同组蛋白的编码不同组蛋白的基因处于一个约为基因处于一个约为6000bp的片段中，分别被间隔的片段中，分别被间隔序列所隔开。这序列所隔开。这5个基因组成的串联单位在整个海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胆基因组中可能重复多达1000次。次。每个基因被转录成单顺反子每个基因被转录成单顺反子RNA（无内含子）；核心组蛋（无内含子）；核心组蛋白物质的量相等，白物质的量相等，H1是其一半；是其一半；在胚胎发育的不同阶段或不同
9、组织中，有不同的串联单位在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，可能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机被转录，可能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。制。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 血红蛋白血红蛋白是所有动物体内输送分子氧的主要载是所有动物体内输送分子氧的主要载体，由体，由22（珠蛋白珠蛋白）组成的四聚体加上一个）组成的四聚体加上一个血血红素辅基红素辅基（结合铁原子）后形成功能性血红蛋白。（结合铁原子）后形成功能性血红蛋白。在生物个体发育的不同阶段出现几种不同形式的在生物个体发育的不同阶段出现几种不同形式的和和亚基。亚基。人人-珠
10、蛋白基因的基本结构珠蛋白基因的基本结构 人人珠蛋白基因簇位于珠蛋白基因簇位于16号染色体短臂上，约号染色体短臂上，约占占30kb左右，其中左右，其中为胚胎期基因，在胚胎第一天，为胚胎期基因，在胚胎第一天，多肽链（多肽链（42%），），2多肽链（多肽链（24%），从第五周），从第五周起，起，开始关闭开始关闭。珠蛋白基因簇位于珠蛋白基因簇位于11号染色体号染色体短臂上，约占短臂上，约占50-60kb，其中，其中为胚胎期基因，为胚胎期基因，G和和A为胎儿型基因，为胎儿型基因，和和为成人期基因。为成人期基因。不同发育阶段血红蛋白亚型不同发育阶段血红蛋白亚型人细胞中人细胞中和和-珠蛋白基因簇结构示意图珠
11、蛋白基因簇结构示意图假基因假基因P285,Fig.8-7假基因：基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不假基因：基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不能表达的能表达的DNA序列。序列。8.1.2 真核基因的断裂结构真核基因的断裂结构1、外显子与内含子、外显子与内含子“intron”是指存在于原始转录物或基因组是指存在于原始转录物或基因组DNA中，中，但不存在于成熟但不存在于成熟mRNA、rRNA或或tRNA中的那部分中的那部分核苷酸序列。大多数真核基因都是由蛋白质编码序核苷酸序列。大多数真核基因都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成的。列和非蛋白质编码序列两部分组成的。2、外显子与
12、内含子的连接区、外显子与内含子的连接区与剪接有关的序列与剪接有关的序列3、外显子与内含子的可变调控、外显子与内含子的可变调控 真核基因的原始转录产物可通过不同的剪接产生真核基因的原始转录产物可通过不同的剪接产生不同的不同的mRNA，翻译成不同的蛋白质。有些真核基因，翻译成不同的蛋白质。有些真核基因，如肌红蛋白重链基因虽有如肌红蛋白重链基因虽有41个外显子，却能精确地个外显子，却能精确地剪接成一个成熟的剪接成一个成熟的mRNA，我们称这种方式为，我们称这种方式为组成型组成型剪接剪接。一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生。一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟的一种成熟的mRNA，编
13、码一个多肽。，编码一个多肽。原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同原始转录产物可通过不同的剪接方式，得到不同的的mRNA，并翻译成不同蛋白质；，并翻译成不同蛋白质；有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的有些基因选择了不同的启动子，或者选择了不同的多聚（多聚（A）位点而使原始转录物具有不同的二级结构，）位点而使原始转录物具有不同的二级结构，产生不同的产生不同的mRNA分子，但翻译成相同蛋白质。分子，但翻译成相同蛋白质。同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的过程称为的过程称为选择性剪接选择性剪接。选择性剪接选择性剪接8.1.3
14、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 DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括式，包括基因丢失、扩增、重排和移位基因丢失、扩增、重排和移位等。等。1.“开放开放”型活性染色质结构对转录的影型活性染色质结构对转录的影响响 转录前染色质在特定区域发生核小体结构的消转录前染色质在特定区域发生核小体结构的消除或改变、除或改变、DNA本身局部结构变化、本身局部结构变化、DNA从右旋到从右旋到左旋转变等，促使结构基因暴露而诱发基因转录。左旋转变等，促使结构基因暴露而诱发基因转录。DNA酶酶I敏感位点敏感位点（多位于（多位于5端启动区）
15、端启动区）灯刷染色体灯刷染色体核小体的伸展和压缩核小体的伸展和压缩2、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大量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。满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。例，非洲爪蟾的卵母细胞中原有例，非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因基因（rDNA）约）约500个拷贝，在减数分裂粗线期，基因个拷贝，在减数分裂粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为开始迅速复制，到双线期拷贝数约为200万个，扩增万个，扩增
16、近近4000倍，可用于合成倍，可用于合成1012个核糖体。个核糖体。基因扩增之前，基因扩增之前，rDNA区位于单个核仁中；区位于单个核仁中；在卵母细胞发育过程中，核仁数量大大增加，能在卵母细胞发育过程中，核仁数量大大增加，能达几百个；达几百个；卵母细胞成熟后，多余的卵母细胞成熟后，多余的rDNA将逐渐被降解；将逐渐被降解；降解过程一直持续到卵母细胞受精后并分裂产生降解过程一直持续到卵母细胞受精后并分裂产生几个百个细胞时。几个百个细胞时。3、基因重排与变换、基因重排与变换基因重排基因重排将一个基因从远离启动子的地方移到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。较近的位点从而启动转录
17、。例，免疫球蛋白的肽链主要由可变区（例，免疫球蛋白的肽链主要由可变区（V区）、区）、恒定区（恒定区（C区）以及两者之间的连接区（区）以及两者之间的连接区（J区）组成，区）组成，V、C和和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产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，通过染色体内生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内DNA重组把重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起，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。产生具有表达活性的免疫球蛋白基因。所有所有Ig分子都含有两类轻链中的一类，即分子都含有两类轻链中的一类，即型或型或型。型。型和型和型轻链的
18、恒定区和可变区的氨基酸序列是型轻链的恒定区和可变区的氨基酸序列是不同的。不同的。在小鼠中，在小鼠中，95%的抗体轻链是的抗体轻链是型，而人类抗体型，而人类抗体轻链中，轻链中，型和型和型各占型各占50%左右。左右。人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数人类基因组中免疫球蛋白基因主要片段的数免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达酵母交配型转换酵母交配型转换8.1.4 DNA甲基化与基因调控甲基化与基因调控A.DNA的甲基化的甲基化 DNA甲基化甲基化能引起染色质结构、能引起染色质结构、DNA构象、构象、DNA稳定性及稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的
19、改变，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，从而控制基因表达。研究证实，CpG二核苷酸中胞嘧二核苷酸中胞嘧啶的甲基化导致了人体啶的甲基化导致了人体1/3以上由于碱基转换而引起以上由于碱基转换而引起的遗传病。的遗传病。DNA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）和少量的少量的N6-甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（N6-mA）及）及7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤（7-mG）。真核生物中，）。真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXpG、CCA/TGG和和GATC中。中。高等生物高等生物CpG二核苷酸中的二核苷酸中的C通常被甲基化，极
20、通常被甲基化，极易自发脱氨，生成胸腺嘧啶，所以易自发脱氨，生成胸腺嘧啶，所以CpG二核苷酸序二核苷酸序列出现的频率远远低于按核苷酸组成计算出的频率。列出现的频率远远低于按核苷酸组成计算出的频率。CpG岛岛是指是指DNA上一个区域，此区域含有大量上一个区域，此区域含有大量相联的胞嘧啶（相联的胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（）、鸟嘌呤（G）。）。甲基化可以改变甲基化可以改变DNA双螺旋构型，也会影响模双螺旋构型，也会影响模板与板与RNA聚合酶的结合。聚合酶的结合。启动区启动区DNA分子上的甲基化密度与基因转录受分子上的甲基化密度与基因转录受抑制的程度密切相关。对于抑制的程度密切相关。对于弱启动子弱启动子来说
21、，稀少的来说，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。使增强后的启动子仍无转录活性。B.DNA甲基化抑制基因转录甲基化抑制基因转录P295,Fig.8-15C.DNA甲基化与甲基化与X染色体失活染色体失活 失活染色体上失活染色体上的基因都是的基因都是高度甲基化高度甲基化的；的；X染色体上具有失活中心染色体上具有失活中心Xic与失活有关的基
22、因与失活有关的基因Xist，转录产物为没有，转录产物为没有ORF的的RNA；失活失活染色体上的染色体上的Xist基因是基因是非甲基化非甲基化的，的，而而活性活性染色体上的染色体上的Xist基因是基因是甲基化甲基化的；的；失活染色体上的非甲基化失活染色体上的非甲基化Xist基因的转录产基因的转录产物物RNA的作用用于的作用用于Xic，引起构象变化，促使，引起构象变化，促使染色体甲基化，而使该染色体失活。染色体甲基化，而使该染色体失活。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 真核基因调控主要在转录水平上进行，受大真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定的量特定的顺式作用元
23、件顺式作用元件（cis-acting element）和和反式作用因子反式作用因子（transacting factor，又称跨，又称跨域作用因子）调控。域作用因子）调控。8.2.1真核基因的转录真核基因的转录P297，图图8-161、启动子、启动子核心启动子（核心启动子（core promoter）：）：是指保证是指保证RNA聚合聚合酶酶II转录正常起始所必需的、最少的转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游转录起始位点及转录起始位点上游-25 -30bp处的处的TATA盒。盒。上游启动子元件上游启动子元件（upstream promoter el
24、ement，UPE）包括通常位于）包括通常位于-70bp附近的附近的CAAT盒（盒（CCAAT）和和GC盒（盒（GGGCGG）等，能通过）等，能通过TFIID复合物调节转复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。录起始的频率，提高转录效率。2.转录模板；转录模板；3.RNA聚合酶聚合酶；4.转录因子；转录因子；5.转录终止位点。转录终止位点。8.2.2 增强子及其对转录的影响增强子及其对转录的影响 增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的加的DNA序列，最早发现于序列，最早发现于SV40早期基因的上游，早期基因的上游，有两个长有两个长72bp的正向
25、重复序列。的正向重复序列。大多为重复序列，一般长约大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列，该序蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列，该序列是产生增强效应所必需的。列是产生增强效应所必需的。根据各个蛋白质成分在转录中的作用，能将整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个复合物分为3部分：部分：参与所有或某些转录阶段的参与所有或某些转录阶段的RNA聚合酶亚基，不聚合酶亚基，不具有基因特异性。具有基因特异性。与转录的起始或终止有关的辅助因子，不具有基与转录的起始或终止有关的辅助因子，不具有基因特异性。因特异性。与特异调控序列结合
26、的转录因子。与特异调控序列结合的转录因子。8.2.3 反式作用因子反式作用因子 反式作用因子是能直接或间接地识别或结合在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。录效率的蛋白质。1 反式作用因子中的反式作用因子中的DNA识别或结合域识别或结合域A、螺旋螺旋-转折转折-螺旋螺旋（helix-turn-helix,H-T-H）结构。这一类蛋白质分子中有至少两个结构。这一类蛋白质分子中有至少两个螺旋，中螺旋，中间由短侧链氨基酸残基形成间由短侧链氨基酸残基形成“转折转折”，近羧基端的，近羧基端的螺旋中
27、氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在DNA双螺旋大沟中的结合。双螺旋大沟中的结合。同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链同源域蛋白通过其第三个螺旋与双链DNA的大沟的大沟相结合，其相结合，其N端的多余臂部分则与端的多余臂部分则与DNA的小沟相的小沟相结合，提高了稳定性结合，提高了稳定性B、锌指（锌指（Zinc finger）蛋白）蛋白：包括锌指、锌钮：包括锌指、锌钮(twist)和锌簇和锌簇(cluster)结构，有锌参与时才具备转录结构，有锌参与时才具备转录调控活性。与调控活性。与DNA的结合较为牢固，特异性也很高。的结合较为牢固，特异性也很高。例，类固醇激素受体
28、家族含有连续的两个锌指结例，类固醇激素受体家族含有连续的两个锌指结构，以同源或异源性二聚体的方式将两个构，以同源或异源性二聚体的方式将两个螺旋结合螺旋结合在相邻的两个大沟中。在相邻的两个大沟中。一些转录因子和蛋白质通过一些转录因子和蛋白质通过Cys2/His2与与DNA相结合相结合具有具有Cys2/Cys2锌指区的转录因子锌指区的转录因子C、碱性、碱性-亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（basic-leucine zipper），），即即bZIP结构，与结构，与CAAT盒和病毒的增强子结合。蛋盒和病毒的增强子结合。蛋白中每隔白中每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，导致第个氨基酸就有一个亮氨酸残基，导致第7
29、个亮氨酸残基都在螺旋的同一方向出现。个亮氨酸残基都在螺旋的同一方向出现。以二聚体形式与以二聚体形式与DNA结合，亮氨酸拉链区并不结合，亮氨酸拉链区并不直接结合直接结合DNA，肽链氨基端，肽链氨基端2030个富含碱性氨基个富含碱性氨基酸结构域与酸结构域与DNA结合，但以碱性区和亮氨酸拉链结结合，但以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础。构域整体作为基础。碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子碱性亮氨酸拉链结构域转录激活因子碱性亮氨酸拉链转录激活蛋白与调控区碱性亮氨酸拉链转录激活蛋白与调控区DNA相结相结合的示意图合的示意图D、碱性、碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic-helix/loop/h
30、elix，即即bHLH结构）结构）例，在免疫球蛋白例，在免疫球蛋白轻链基因的增强子结合蛋白轻链基因的增强子结合蛋白E12与与E47中，羧基端中，羧基端100200个氨基酸残基可形个氨基酸残基可形成两个两性成两个两性螺旋，被非螺旋的环状结构所隔开，蛋螺旋，被非螺旋的环状结构所隔开，蛋白质的氨基端则是碱性区，其白质的氨基端则是碱性区，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。bHLH类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，才类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，才具有足够的具有足够的DNA结合能力。当这类异源二聚体中的结合能力。当这类异源二聚体中的一方不含有碱性区（如一方不含有
31、碱性区（如Id或或E12蛋白）时，该二聚蛋白）时，该二聚体明显缺乏对靶体明显缺乏对靶DNA的亲和力。的亲和力。bHLH蛋白的蛋白的DNA结合能力分析结合能力分析E、同源域同源域（homeodomains)蛋白蛋白 是指编码是指编码60个保个保守氨基酸序列的守氨基酸序列的DNA片段，它广泛存在于真核生物片段，它广泛存在于真核生物基因组内，由于最早从果蝇基因组内，由于最早从果蝇homeoticloci（该遗传位（该遗传位点的基因产物决定了躯体发育）中克隆得到而命名，点的基因产物决定了躯体发育）中克隆得到而命名，同源转换基因与生物有机体的生长、发育和分化密切同源转换基因与生物有机体的生长、发育和分化
32、密切相关。相关。各种同源域各种同源域DNA结合蛋白中保守序列分结合蛋白中保守序列分析析2 转录活化结构域转录活化结构域 在真核生物中，反式作用因子的功能由于受蛋在真核生物中，反式作用因子的功能由于受蛋白质白质-蛋白质之间相互作用的调节变得精密、复杂，蛋白质之间相互作用的调节变得精密、复杂，完整的转录调控功能通常以复合物的方式来完成，完整的转录调控功能通常以复合物的方式来完成，因此，是否具有因此，是否具有转录活化域转录活化域就成为反式作用因子中就成为反式作用因子中唯一的结构基础。唯一的结构基础。不同的转录活化域有下列特征性结构：不同的转录活化域有下列特征性结构：A 带负电荷的螺旋结构带负电荷的螺
33、旋结构 哺乳动物细胞中糖皮质激素受体的两个转录活哺乳动物细胞中糖皮质激素受体的两个转录活化域，化域，AP1家族的家族的Jun及及GAL4都有酸性的螺旋结都有酸性的螺旋结构，它们可能与构，它们可能与TFIID复合物中某个通用因子或复合物中某个通用因子或RNA聚合酶聚合酶II本身结合，具有稳定转录起始复合本身结合，具有稳定转录起始复合物的作用。物的作用。B 富含谷氨酰胺的结构富含谷氨酰胺的结构 SP1是启动子是启动子GC盒的结合蛋白，共有盒的结合蛋白，共有4个参与转个参与转录活化的区域，其中最强的转录活化域含录活化的区域，其中最强的转录活化域含25%左右左右的谷氨酰胺。的谷氨酰胺。Oct1/2、J
34、un、AP2、血清应答因子（、血清应答因子（SRF）等都有相同的富含谷氨酰胺的结构域。等都有相同的富含谷氨酰胺的结构域。C 富含脯氨酸的结构富含脯氨酸的结构 CTF-NF1因子（因子（CAAT结合因子）的羧基端结合因子）的羧基端富含脯氨酸（达富含脯氨酸（达20%30%），很难形成），很难形成螺旋。螺旋。在在Oct2、Jun、AP2、SRF等哺乳动物因子中也等哺乳动物因子中也有富含脯氨酸的结构域。有富含脯氨酸的结构域。几种常见的转录活化结构域几种常见的转录活化结构域8.3 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
35、的“感知感知”，即由细胞膜到细胞核内的，即由细胞膜到细胞核内的信息传递；信息传递；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DNARNA蛋白质的遗蛋白质的遗传信息传递过程。传信息传递过程。蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程是生物体内普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。育、神经递质的合成与释放甚至癌变等等。细胞表面受体与配体分子的高
36、亲和力特异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。聚化而被激活。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；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，通过二是配体与细胞表面受体结合，通过G蛋白介异的蛋白介异的效应系统产生介质，活化丝氨酸效应
37、系统产生介质，活化丝氨酸/苏氨酸或酪氨酸苏氨酸或酪氨酸激酶，从而传递信号。激酶，从而传递信号。蛋白质磷酸化和蛋白质磷酸化和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根据是否有调节物参与蛋白激酶活性可分为两大类：根据是否有调节物参与蛋白激酶活性可分为两大类：信使依赖型（又分胞内信使、调节因子依赖型和激信使依赖型（又分胞内信使、调节因子依赖型和激素或生长因子依赖型）和非信使依赖型。素或生长因子依赖型）和非信使依赖型。根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基可分为：根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基可分为：丝氨酸丝氨酸/苏氨酸型；苏氨酸型；酪氨酸型；酪氨酸型；组氨酸型。组氨酸型。8.3.1
38、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），它），它能把能把ATP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。A激酶在非活性蛋白激酶的磷酸化位点激酶在非活性蛋白激酶的磷酸化位点氨基酸氨基酸N端上游往往存在两个或两个以上碱性氨基酸（端上游往往存在两个或两个以上碱性氨基酸（X-Arg-Arg-X-Ser-X）。）。在不同的细胞中，在不同的细胞中，A激酶的反应底物不一样，所激酶的反应底物不一样，所以，以，cAMP能在不同靶细胞中诱发不同的反应。能在不同靶
39、细胞中诱发不同的反应。A激酶的结构：激酶的结构：A激酶激酶调节亚基调节亚基（R2）催化亚基催化亚基（C2）结合结合cAMP释放后释放后有活性有活性例，糖原代谢例，糖原代谢激素与其受体在肌肉细胞外表面相结合，诱发细胞激素与其受体在肌肉细胞外表面相结合，诱发细胞质质cAMP的合成并活化的合成并活化A激酶；激酶；A激酶将活化磷酸基团传递给无活性的磷酸化酶激激酶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糖酵解过程并提供ATP。许多转录因子都可通过许多转录因子都可通过cAMP介导的蛋白质磷酸化介导的蛋白质
40、磷酸化过程而被激活过程而被激活 这类基因的这类基因的5端启动区大都拥有一个或数个端启动区大都拥有一个或数个cAMP应答元应答元件，基本序列为件，基本序列为TGACGTCA；膜上的受体膜上的受体R与外源配基结合，引起构象变化，与与外源配基结合，引起构象变化，与GTP结结合蛋白结合；合蛋白结合；激活了与膜相关的腺苷酸环化酶，导致胞内激活了与膜相关的腺苷酸环化酶，导致胞内cAMP浓度浓度上升；上升；cAMP结合结合A激酶的调节亚基，释放催化亚基，催化底物激酶的调节亚基，释放催化亚基，催化底物磷酸化；磷酸化；被磷酸化的底物可作为转录激活因子诱发基因转录。被磷酸化的底物可作为转录激活因子诱发基因转录。8
41、.3.2 C激酶激酶该蛋白激酶活性是依赖于该蛋白激酶活性是依赖于Ca2+的，所以称为的，所以称为C激酶激酶（PKC）；）；C激酶的胞内信使是激酶的胞内信使是PIP2两个降解产物：两个降解产物：IP3和和DAG；PIP2定位于膜上，受到外源信号后，磷酸酯酶活定位于膜上，受到外源信号后，磷酸酯酶活化，水解化，水解PIP2，降解产物：降解产物：IP3和和DAG；IP3提高胞质提高胞质Ca2+浓度，导致浓度，导致C激酶从胞质运到膜激酶从胞质运到膜附近；附近；C激酶与膜上的激酶与膜上的DAG结合被激活。结合被激活。C激酶是一个激酶是一个7.7104的蛋白质，主要实施对丝的蛋白质，主要实施对丝氨酸、苏氨酸
42、的磷酸化，它具有一个催化结构域和氨酸、苏氨酸的磷酸化，它具有一个催化结构域和一个调节结构域。一个调节结构域。P312,Fig.8-318.3.3 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）来实现的，它们也是一类丝氨酸）来实现的，它们也是一类丝氨酸/苏氨酸激酶，但仅应答于细胞内苏氨酸激酶，但仅应答于细胞内Ca2+水平。水平。MAP激酶活性受许多外源细胞生长、分化因子的激酶活性受许多外源细胞生长、分化因子的诱导；诱导；MAP-激酶的活性取决于该蛋白中仅有一个氨基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
43、、丝氨酸残基是否都被磷酸化；酸之隔的酪氨酸、丝氨酸残基是否都被磷酸化；能同时催化能同时催化MAP两个氨基酸残基的酶称为两个氨基酸残基的酶称为MAP-激酶激酶-激酶；激酶；MAP-激酶激酶-激酶是被它的（激酶是被它的（MAP-激酶激酶-激酶）激酶）激酶磷酸化；激酶磷酸化；可写为可写为MAP-激酶激酶-激酶激酶-激酶激酶MAP-激酶激酶-激酶激酶-激酶能被激酶能被C激酶等激活。激酶等激活。8.3.4 酪氨酸蛋白激酶（酪氨酸蛋白激酶（PTK）途径）途径PTK家族包括跨膜受体家族（有活性）与胞质非受家族包括跨膜受体家族（有活性）与胞质非受体家族（无活性）两大类；体家族（无活性）两大类；受体类由胞外结合
44、配体结构域、跨膜结构域和细胞受体类由胞外结合配体结构域、跨膜结构域和细胞质激酶结构域组成；质激酶结构域组成；配体与受体结合可诱导受体蛋白的二聚化，将受体配体与受体结合可诱导受体蛋白的二聚化，将受体胞质区酪氨酸残基磷酸化。胞质区酪氨酸残基磷酸化。很多很多PTK家族有几个保守区，激酶功能区为家族有几个保守区，激酶功能区为SH1，另外两个区分别为另外两个区分别为SH2和和SH3；SH2能与带有磷酸酪氨酸的蛋白质结合，定位在能与带有磷酸酪氨酸的蛋白质结合，定位在质膜内侧；质膜内侧；SH3参与参与SH2定位。定位。抑制区的氨基酸残基决定了该蛋白是否有转化活性；抑制区的氨基酸残基决定了该蛋白是否有转化活性
45、；转化型转化型pp60v-Src和非转化型和非转化型 pp60c-Src pp60c-Src上的上的Tyr527被磷酸化并以头尾相连的缔合方式折被磷酸化并以头尾相连的缔合方式折入同一分子的入同一分子的SH2结构域中，从而抑制了结构域中，从而抑制了PTK活性。活性。去除去除pp60c-Src上上Tyr527的磷酸化或的磷酸化或TyrPhe均能活化均能活化pp60c-Src 细胞通过细胞通过P53及及P21蛋白控制蛋白控制CDK（cyclin-dependent protein kinase）活性，调控细）活性，调控细胞分裂的进程。胞分裂的进程。8.3.5 蛋白质磷酸化与细胞分裂调控蛋白质磷酸化与
46、细胞分裂调控CDK，细胞周期依赖性蛋白激酶，细胞周期依赖性蛋白激酶 PRb蛋白通过与转录因子蛋白通过与转录因子E2F结合，结合后的结合，结合后的E2F不能激活与不能激活与DNA合成有关的酶，导致细胞不合成有关的酶，导致细胞不能由能由G1期进入期进入S期，细胞分裂受阻；期，细胞分裂受阻；磷酸化后的磷酸化后的PRb蛋白不具备结合蛋白不具备结合E2F能力，即细能力，即细胞分裂正常；胞分裂正常；CDK与周期蛋白结合具有将与周期蛋白结合具有将PRb蛋白磷酸化的蛋白磷酸化的激酶活性，即激酶活性，即CDK可促使细胞分裂正常；可促使细胞分裂正常；过量的过量的P21蛋白可与蛋白可与CDK结合，而使后者失去激结合
47、，而使后者失去激酶活性，细胞分裂受阻。酶活性，细胞分裂受阻。P21蛋白过量可使细胞分裂受阻！蛋白过量可使细胞分裂受阻！如果细胞中如果细胞中P53基因活性降低，基因活性降低，P21蛋白含量急剧蛋白含量急剧下降，周期蛋白下降，周期蛋白E-CDK2复合物就能有效地将复合物就能有效地将PRb蛋蛋白磷酸化。白磷酸化。此时，此时，PRb蛋白不能与蛋白不能与E2F相结合，后者发挥转相结合，后者发挥转录调控因子的作用，激活许多与录调控因子的作用，激活许多与DNA合成有关的基合成有关的基因表达，细胞从因表达，细胞从G1期进入期进入S期，开始分裂。期，开始分裂。8.4 蛋白质乙酰化对基因表达的影响蛋白质乙酰化对基
48、因表达的影响8.4.1 组蛋白的乙酰化及去乙酰化组蛋白的乙酰化及去乙酰化1.组蛋白的基本组成；组蛋白的基本组成；2.核心组蛋白的乙酰化和去乙酰化；核心组蛋白的乙酰化和去乙酰化；3.组蛋白乙酰基转移酶。组蛋白乙酰基转移酶。一类与转录有关，另一类与核小体组装以及染一类与转录有关，另一类与核小体组装以及染色质的结构有关。色质的结构有关。4.组蛋白去乙酰化酶组蛋白去乙酰化酶 如人类中的如人类中的HDAC1和酵母中的和酵母中的Rpd3，Rpd3能特异性去除组蛋白的乙酰基团，使核小体相互能特异性去除组蛋白的乙酰基团，使核小体相互靠近，并在转录共抑制子靠近，并在转录共抑制子Sin3及及R的协同作用下，的协同
49、作用下，抑制基因转录。抑制基因转录。8.4.2 组蛋白乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响组蛋白乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响组蛋白组蛋白N端尾巴上赖氨酸残基的乙酰化中和了组蛋端尾巴上赖氨酸残基的乙酰化中和了组蛋白尾巴的正电荷，降低了它与白尾巴的正电荷，降低了它与DNA的亲和性，导致的亲和性，导致核小体构象发生有利于转录调节蛋白与染色质相结核小体构象发生有利于转录调节蛋白与染色质相结合的变化，从而提高了基因转录的活性；合的变化，从而提高了基因转录的活性；乙酰化影响核小体的浓缩水平和可接近性。乙酰化影响核小体的浓缩水平和可接近性。8.4.3 p53乙酰化对转录活性的影响乙酰化对转录活性的影响肿瘤抑
50、制因子肿瘤抑制因子 p53蛋白的活性受翻译后修饰（如磷酸化、乙蛋白的活性受翻译后修饰（如磷酸化、乙酰化等）机制调控，经修饰的酰化等）机制调控，经修饰的p53蛋白能与不同的蛋白能与不同的靶分子或蛋白复合体结合，从而抑制或激活参与靶分子或蛋白复合体结合，从而抑制或激活参与特定生理反应的靶基因；特定生理反应的靶基因；p53的结构特点可分为三个不同区域：的结构特点可分为三个不同区域：N端酸性端酸性区，区，C端碱性区和中间的疏水区；端碱性区和中间的疏水区；乙酰化使乙酰化使p53蛋白的蛋白的DNA结合区域暴露，增强结合区域暴露，增强了了DNA结合能力，从而促进了靶基因的转录。结合能力，从而促进了靶基因的转
