第三章细胞分化的分子机制——转录后的调控

第三章 细胞分化的分子机制 转录后的调控真核生物： DNA nRNA（核） mRNA （质）第一节 RNA加工水平的调控大多数编码细胞特异性蛋白质的基因选择性表达的调控主要发生在转录水平，但转录后调控对决定蛋白质结构和功能重要（一）、异质性核 RNA（ hnRNA）由于转录模板不同， nRNA的长度和性质差别较大分子量： nRNA mRNA；半寿期： nRNA mRNA；复杂性： hnRNA mRNA，核苷酸序列多样性一、 mRNA前体和 mRNA（二）、前体 mRNA的加工对早期发育的调控海胆： 囊胚期与长腕幼虫期细胞 nRNA相同； 囊胚期处于转录激活状态的 DNA序列与长腕幼虫期完全一致； 随着发育进程由基因组 DNA的转录所产生的细胞质mRNA的复杂性逐渐减小； 早期胚胎发育的调控机制： 存在加工水平的差异早期发育对 RNA信息的选择 不同类型细胞对 nRNA的选择不同RNA加工前三个胚层中的RNA量无差异 。Ect En/mes加工后的 RNA主要存在于外胚层中。核酸保护实验 (放射性 intron或exon探针与总 RNA杂交后再RNase消化 )表明： 海胆钙结合蛋白基因 CyIIIa在原肠胚的外胚层中表达核酸 run-on(在膜上固定 intron序列与放射性RNA探针杂交 )实验表明： Spec1基因在原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达，但成熟的Spec1 mRNA只存在于外胚层中。nRNA（一）、同一基因的初始转录物（ nRNA）经选择性拼接可产生不同的成熟 RNA原肌球蛋白基因二、 RNA加工水平的调控-原肌球蛋白基因nRNAmRNAB淋巴细胞的 DNA，发生重排生殖细胞的DNA重链可变区（抗原结合区）在淋巴细胞形成过程中，发生基因重 排（ DNA水平）重链恒定区发生分子转换，该模式通过 RNA加工完成前体 RNA区 区IgM IgD相同基因在不同发育时期或不同组 织细胞中拼接不同，合成不同的蛋白质降钙素 /神经多肽 CGRP mRNA前体果蝇性别表型的决定事件，通过 3个主要性别决定基因 RNA的不同拼接模式，引起差异基因表达选择性 RNA加工与性别决定（二）、 RNA 3 末端的决定绝大多数真核生物 nRNA在剪接之前，先进行 3 末端断裂和多聚腺苷酸化加工，这种加工由顺式和反式作用元件调控。1、顺式作用元件 AAUAAA序列：位于 3 末端，对其下游 10-30bp位点发生的裂解是必需的； GU或 U富积序列：位于 3 末端 AAUAAA区域下游，调控 mRNA 3 末端裂解的效率。2、反式作用元件 （人癌细胞） 特异性核蛋白因子：可识别发生裂解和进行多聚腺苷酸化的顺式因子； poly（ A）聚合酶：用于合成多聚腺苷酸尾； 裂解因子 I和 II： mRNA前体的裂解酶； 裂解刺激因子：可显著提高裂解反应的效率（三）、 mRNA向核外的运输 推测： RNA在核基质内完成转录和加工，然后将mRNA运输到核膜孔，由此运出核外，但机制尚不十分清楚。 然而，已知细胞分化中基因选择性表达调控的另一种方式是细胞核以何种方式处理 mRNA前体，通过调控，有的 mRNA运出核外，有的不能运出； 已发现： 一种特殊的病毒蛋白对于 mRNA运输是必需的。第二节 翻译和翻译后 的调控1. 翻译过程 （ mRNA 特异多肽链的合成 ）AUG 氨基酰 -tRNA与核糖体结合；aa离开 tRNA， aa之间肽键、缩合；核糖体沿 mRNA移动；UAG UAA UGA一、翻译水平的调控3个阶段2. mRNA寿命的不同对蛋白质合成的调控 通过 mRNA的选择性降解和 mRNA稳定性不同调控蛋白质的合成rabbit3不同基因的 mRNA的半衰期不同，主要受其 3UTR控制。 短寿命 mRNA的 3UTR通常含有一个或多个 AU富集区 ，其作用是促进 Poly(A)降解。 -珠蛋白 RNA的 3UTR中含有 3个 C富集区，稳定，半衰期 17h一种生长因子 mRNA的半寿期不超过 30minmRNA降解性能的差异可以影响细胞的功能C-fos mRNA 5UTR coding sequence 3UTR成纤维细胞肿瘤细胞AU富集区c-fos基因编码正常成纤维细胞分裂必需的一种蛋白质3. 激素对特定 mRNA稳定性的影响如 Prolactin（泌乳刺激素） 仅提高牛的 casein（酪蛋白） 基因转录水平 2倍，提高其 mRNA寿命 25倍，使 mRNA更多次的翻译。二、早期发育中母体效应因子的影响1、卵母细胞中合成并贮藏大量的发育信息（ mRNA和蛋白质），这些信息在排卵以前至早期发育过程中逐渐被利用；2、每个卵母细胞中贮藏 20 000 50 000 种不同的 mRNA，每种 mRNA大约 1 600个拷贝；3、贮藏的信息在卵细胞中梯度分布或者均匀分布1、卵母细胞中 翻译调控机制的假说H mRNA masking（掩蔽） : mRNA与其它蛋白结合成 ribonucleoprotein (RNP) complex,阻止与 核糖体 结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或蛋白磷酸化等导致 RNP不稳定 /解体，翻译得以进行。H 5 Cap （ 7-甲基鸟苷酸）的调控： 如某些种类 (蛾 )， 其卵中的部分mRNA的 5-鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。H mRNA sequester（隐蔽） : 指 mRNA被阻隔于蛋白合成装置。如海胆未受精卵的 组蛋白 mRNA定位于原核中，受精后原核破裂， mRNA才能进入胞质开始翻译。H Poly(A)对翻译的调控： 卵母细胞减数分裂成熟前后， mRNA polyA的长度发生变化（由 3UTR 调控）。带长 polyA的 mRNA具翻译活性H 翻译效率的调控： 如将海胆卵母细胞裂解液的 pH从自然状态下的 pH6.9提高到 pH7.4（ 受精后自然状态下的 pH） ,蛋白质合成量急剧增加。受精后pH升高的作用 可能包括去除 mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始因子。三、翻译和翻译后调控的机制Poly(A)对翻译的调控： 在小鼠的未成熟卵母细胞质中可以翻译的mRNA具有较长的poly(A), 减数成熟分裂后poly(A)降解，翻译终止。在减数成熟分裂前不表达的 mRNA的 poly(A)较短 (15-90A), 但其 3UTR具有胞质多聚腺苷酸化信号序列 (CPEs)(UUUUAU in mice and frogs)。 减数成熟分裂后这些 mRNA迅速加上一个长的 polyA,开始翻译。2. 秀丽隐杆线虫发育的翻译调控 mRNA 3UTR 调控配子的决定TRA-2是卵子发育所必需的一种蛋白质，如果 tra-2 mRNA翻译活性被抑制，生殖细胞 精子； tra-2 mRNA的 3UTR 区含有 2个区域，它们可能结合在幼虫精子发生时合成的抑制蛋白；如果这两个区域突变，精子不能形成3 UTR 对发育的时空调控作用：调控配子的决定；调控许多卵母细胞贮存 mRNA的翻译活动；调控一些 mRNA在卵母细胞中的定位；参与某些组织分化的维持FEM-3是精子发育所必需的一种蛋白质，如果 fem-3 mRNA翻译活性被抑制，生殖细胞 卵子；在幼虫四龄时， fem-3 mRNA 3UTR区结合翻译抑制因子（ TRA-2）， 成体血红蛋白 2n中， 4 和 2 珠蛋白基因 4肽链 2/2 - mRNA: - mRNA = 1.4:1 珠蛋白 : 珠蛋白 = 1:1 平衡调节机制：两者竞争翻译起始因子 珠蛋白 mRNA具有更强的与翻译起始因子结合的能力3. 血红蛋白翻译水平的调控 4. RNA编辑血清脂质携带蛋白RNA编辑是指在已有的 RNA分子上改变（缺失、插入或置换）一个特定的碱基以改变遗传信息，使翻译生成的蛋白质氨基酸组成，不同于基因序