分子生物学第八章-2ppt课件

Contents 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 细胞是生命活动的基本单位 细胞通过DNA的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 感知 环境变化 并对其作出特定的应答 细胞应答可以分为3个阶段 外界信息的 感知 即由细胞膜到细胞核内的信息传递 染色质水平上的基因活性调控 特定基因的表达 即从DNA RNA 蛋白质的遗传信息传递过程 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 能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称配体 ligand 受体的定义 是细胞膜上或细胞内能特别识别生物活性分子并与之结合的成分 它能把识别和接受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部 进而引起生物学效应的特殊蛋白质 受体的分类 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 按结构分类 单体蛋白受体 跨膜复合蛋白受体 按效应分类 离子通道偶联受体 G蛋白偶联受体 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 自体活性物质类受体 G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GTP或GDP 所以通常称G蛋白 即鸟苷酸调节蛋白 guaninenucleotideregulatoryprotein 细胞表面的受体通过与其相应配体作用后 可经不同种类的G蛋白偶联 分别发挥不同的生物学效应 G蛋白的种类和结构 已发现有40多种 结构相似 均为异源性三聚体 由 亚基构成 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 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 存在于细胞质膜上的受体 根据其结构和转换信号的方式又分为三大类 离子通道受体 G蛋白偶联受体和跨膜蛋白激酶受体 膜受体 membranereceptor P308 真核细胞主要跨膜信号传导途径 蛋白质磷酸化和GTP结合蛋白参与的信号转导过程 依赖于cAMP的蛋白激酶称为A激酶 PKA 它能把ATP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 8 3 1受cAMP水平调控的A激酶 受cAMP水平调控的A激酶非活性状态的PKA全酶由4个亚基R2C2所组成 分子量约为150 170 调节亚基与cAMP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 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 诱发细胞质cAMP的合成并活化A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 最终将糖原磷酸化 进入糖酵解过程并提供ATP cAMP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PKA进入细胞核 将CRE结合蛋白磷酸化 调节相关基因的表达 许多转录因子都可以通过cAMP介导的蛋白质磷酸化过程而被激活 因为这类基因的5 端大都拥有一个或数个cAMP应答元件 CRE CRE cAMPresponseelement cAMP应答元件 是DNA上的调节区域 TGACGTCA CRE结合蛋白 cAMPresponseelementboundprotein 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 G蛋白耦联受体 激活G蛋白 激活腺苷酸环化酶 cAMP 活化依赖cAMP的蛋白激酶A 释放催化亚基进入核内 底物 CREB 磷酸化 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 G蛋白耦联受体 激活G蛋白 激活腺苷酸环化酶 cAMP 活化依赖cAMP的蛋白激酶A 释放催化亚基进入核内 底物 CREB 磷酸化 激活基因转录 Contents 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 1 组蛋白的乙酰化及去乙酰化1 1 组蛋白的基本组成 组蛋白是组成核小体的基本成分 核小体是组成染色质的基本结构单元 核小体是由H2A H2B H3 H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的 八聚体在中间 DNA分子盘绕在外 而H1则在核小体的外面 每个核小体只有一个H1 核小体组成念珠状结构 有一条细丝连着一串直径为10nm的球状体 核小体 1 2 核心组蛋白的乙酰化与去乙酰化 核心组蛋白朝向外部的N 端部分被称为 尾巴 可被组蛋白乙酰基转移酶和乙酰基去乙酰化酶修饰 加上或去掉乙酰基团 图 组蛋白N端 尾巴 主要修饰位点 1 3 组蛋白乙酰基转移酶 HAT 目前已发现的HAT有两类 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 1 4 组蛋白去乙酰化酶 HDAC 组蛋白去乙酰化酶负责去除组蛋白上的乙酰基团 2 组蛋白的乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响p320组蛋白乙酰化的状态与基因表达有关 组蛋白N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DNA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合的变化 从和提高了基因转录的活性 相反 组蛋白去乙酰化与基因活性的阻遏有关 Contents 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 1 激素对靶基因的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起始基因转录而实现的 8 5激素与热激蛋白对基因表达的影响 P323几种常见的疏水性小分子激素的结构式 1 激素对靶基因的影响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 固醇类激素的受体蛋白分子有相同的结构框架 包括保守性极高并位于分子中央的DNA结合区 位于C端的激素结合区和保守性较低的N端 N端功能不详 但它的存在保证了转录的高效进行 保守性极高DNA结合区 位于C端的激素结合区和保守性较低的N端 图示不同激素受体的DNA结合区 类固醇激素通过胞内受体调节生理过程 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 研究表明 激素 受体 顺式作用元件的结合位点三者缺一不可 2 热激蛋白诱导的基因表达能与某个 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 应答元件主要有 热激应答元件 HSE 糖皮质应答元件 GRE 金属应答元件 MRE 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 2 热激蛋白诱导的基因表达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 heatshockprotein HSP 又称热激蛋白 受热后 果蝇细胞内Hsp70mRNA水平提高1000倍 就是因为热激因子 heatshockfactor HSF 与hsp70基因TATA区上游60bp处的HSE 热激应答元件 相结合 诱发转录起始 不受热或其他环境胁迫时 HSF 热激因子 主要以单体的形式存在于细胞质和核内 单体HSF没有DNA结合能力 受热激或其他环境胁迫时 细胞内变性蛋白增多 与HSF竞争结合Hsp70 从而释放HSF 使之形成三体并输入核内 HSF的三体能与HSE 热激应答元件 特异结合 促进基因转录 HSF的这种能力可能还受磷酸化水平的影响 热激后 HSF不但形成三体 还会迅速被磷酸化 HSF与HSE的特异性结合 引起包括Hsp70在内的许多热激应答基因表达 大量产生Hsp70蛋白 随着热激温度消失 细胞内出现大量游离Hsp70蛋白 它们与HSF相结合 形成没有DNA结合能力的单体并脱离DNA Contents 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 8 6其他水平上的表达调控 8 6 1RNA的加工成熟 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化学修饰 甲基化原核生物 碱基甲基化真核生物 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 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 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 这些加工主要包括在mRNA的5 末端加 帽子 在其3 末端加上poly 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 2 mRNA的加工成熟 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 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 简单转录单位转录后加工有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mRNA3 末端没有poly A 但有一个保守的回文序列作为转录终止信号 简单转录单位转录后加工有3种不同形式 第二种简单转录单位包括腺病毒蛋白IX 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poly A 简单转录单位转录后加工有3种不同形式 第三种简单转录单位包括 和 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poly 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 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 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 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 前mRNA不同的剪接方式造成了不同组织中不同的降钙素样蛋白 虽无剪接 但有多个转录起始位点或加多聚 A 位点的基因 mRNA有效性的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的稳定性密切相关的 原核生物mRNA的半衰期很短 平均大约3min 高等真核生物迅速生长的细胞中mRNA的半衰期平均约为3h 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 例如 家蚕丝心蛋白基因具有很强的启动子 几天内即可转录出105个丝心蛋白mRNA 而它的寿命长达4天 每个mRNA分子能重复翻译出105个丝心蛋白 所以4天内可产生1010个丝心蛋白 说明mRNA寿命的延长是mRNA有效性的一个重要因素 A 顺式作用元件 B 反式作用元件 C 顺式作用因子 D 反式作用因子 E 顺