郜刚分子生物学-14-真核基因表达调控-5-激素和其他水平上的调控PPT演示课件

8.5激素、热激蛋白与基因表达,本节学习要求：了解,第08章真核生物基因表达的调控(ControlofEukaryoticGeneExepression),分子生物学讲义山西师范大学生命科学学院,1,8.5.1.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。,2,1.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。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。,3,1.激素对靶基因的影响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。如果糖皮质激素受体蛋白激素结合区的某个部分丢失，就变成一种永久型的活性分子。,4,2.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。,5,2.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）。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相结合，诱发转录起始。,6,热休克蛋白调控的基因表达机制,7,2.热激蛋白诱导的基因表达不受热或其他环境胁迫时，HSF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，Hsp70可能参与了维持HSF的单体形式。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。,8,8.6其它水平上的基因调控,1.RNA的加工成熟各种基因的转录产物都是RNA，无论是rRNA、tRNA还是mRNA，初级转录的产物只有经过加工，才能成为有生物功能的活性分子。1.1rRNA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的化学修饰主要是核糖甲基化。tRNA基因转录时也可能先生成前体tRNA，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，再剪接成为成熟tRNA(4S)。,9,1.2mRNA的加工成熟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。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。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。,10,1.3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：简单转录单位复杂转录单位。这两种转录方式虽然最终都产生蛋白质，但它们的转录后加工方式是不同的。,11,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。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。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)。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。,12,2020/5/23,13,简单转录单位转录后加工有3种不同形式,13,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。也有三种情况：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poly(A)位点和不同的剪接方式产生不同的蛋白质。这类基因调控点不在5末端和内含子的不同剪接。而在于有两个或多个加poly(A)位点，因此可通过不同的剪接方式得到不同的蛋白质。虽无剪接，但有多个转录起始位点或加polyA位点的基因,2020/5/23,14,14,2020/5/23,15,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,15,8.6其它水平上的基因调控,1.4mRNA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的稳定性以及屏蔽状态的解除密切相关的。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。,2020/5/23,16,16,第六节其它水平上的基因调控,2.翻译水平的调控在蛋白质生物合成的起始反应中主要涉及到细胞中的4种装置，这就是：核糖体，它是蛋白质生物合成的场所蛋白质合成的模板mRNA，它是传递基因信息的媒介可溶性蛋白因子，这是蛋白质生物合成起始物形成所必需的因子tRNA，它是氨基酸的携带者。只有这些装置和谐统一才能完成蛋白质的生物合成。,2020/5/23,17,17,第六节其它水平上的基因调控,2.1.真核生物mRNA的“扫描模式”与蛋白质合成的起始AUG的前和后序列特征为A/GNNAUGG，这使得核糖体滑行到mRNA的第一个AUG能准确识别并起始翻译。2.2.mRNA5末端帽子结构的识别与蛋白质合成因为绝大多数真核生物mRNA5末端都带有“帽子”结构，所以，核糖体起始蛋白质的合成，首先面临的问题是如何识别这顶“帽子”。真核生物mRNA5末端可有3种不同的帽子，即0型、1型和2型，其主要差异在于帽子中碱基甲基化程度的不同。,2020/5/23,18,18,第六节其它水平上的基因调控,2.3.mRNA的稳定性与基因表达调控在高等真核生物中转运铁蛋白受体（TfR）和铁蛋白负责铁吸收和铁解毒。这两个mRNA上存在相似的顺式作用元件，称为铁应答元件（IRE），IRE与IRE结合蛋白（IREBP）相互作用控制了这两个mRNA的翻译效率。当细胞处于缺铁或高铁水平时，能产生两个数量级的蛋白水平差异，却没有在mRNA水平上发现存在显著差异。研究表明，位于5非翻译区的IRE控制了铁蛋白mRNA的翻译效率，去掉这个非翻译区IRE，可造成铁蛋白的永久性高水平翻译。当细胞缺铁时，IREBP与IRE具有高亲和力，两者的结合有效地阻止了铁蛋白mRNA的翻译。与此同时，TfRmRNA上3非翻译区中的IRE也与IREBP特异结合，有效地阻止TfRmRNA的降解，促进TfR蛋白的合成。,2020/5/23,19,19,2020/5/23,20,人铁蛋白及铁转运蛋白受体mRNA的翻译调控区域,20,第六节其它水平上的基因调控,2.4.可溶性蛋白因子的修饰与翻译起始调控许多可溶性蛋白因子（起始因子），对蛋白质合成的起始有着重要的作用，对这些因子的