第八章真核基因表达调控

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) ) 真核基因表达调控的一般规律真核基因表达调控的一般规律dnarna蛋白质复制转录翻译逆转录rna复制v与原核生物比较，真核生物的基因组更为复与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂。真核生物基因的表达调控系统远比原核杂。真核生物基因的表达调控系统远比原核生物复杂。生物复杂。v真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类之外）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。人类细胞单倍体基因组有3109bp，为大肠杆菌总dna的800倍，噬菌体的10万倍左右！真核生物基因表达与调控的复杂性：v（1）真核生

2、物具有由核膜包被的细胞核，其真核生物具有由核膜包被的细胞核，其基因的转录发生在细胞核中，而翻译则发生基因的转录发生在细胞核中，而翻译则发生在细胞质中在细胞质中v（2）基因组结构庞大。基因组结构庞大。真核生物基因数目比真核生物基因数目比原核生物多，大多数基因除了有不起表达作原核生物多，大多数基因除了有不起表达作用的内含子，另外还有更多调节基因表达的用的内含子，另外还有更多调节基因表达的非编码序列，真核生物所转录的前体非编码序列，真核生物所转录的前体mrna必须经过加工成熟后才进入表达阶段。必须经过加工成熟后才进入表达阶段。(3)形成染色体结构。形成染色体结构。真核生物染色质由dna与5种组蛋白结

3、合组成，它们折叠和缠绕形成核小体，核小体及染色质进一步折叠缠绕形成细胞分裂的中期染色体。染色质的结构对基因的表达起总体控制作用。（4）重复序列。重复序列。真核真核生物基因普遍存在生物基因普遍存在重复序列和异染色重复序列和异染色质。质。大多数为非编大多数为非编码区。码区。（5）断裂基因。断裂基因。有外有外显子和内含子。显子和内含子。 （6）发育过程中高度分化的机制（7）信号传递复杂1.根据其性质可分为两大类：根据其性质可分为两大类：一是一是瞬时调控或称为可逆性调控瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞对环境，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平条件变化所

4、做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。二是二是发育调控或称不可逆调控发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。真核生物基因表达调控的种类：2.根据基因调控在同根据基因调控在同一事件中发生的先一事件中发生的先后次序又可分为：后次序又可分为：真核基因表达调控的环节更多真核基因表达调控的环节更多v真核基因转录发生在细胞核真核基因转录发生在细胞核(线粒体基因的转录在线线粒体基因的转

5、录在线粒体内粒体内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性此其调控增加了更多的环节和复杂性.v同原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达调同原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节。控的主要环节。v但转录后的调控占有了更多的分量。但转录后的调控占有了更多的分量。 v8.18.1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 v8.28.2真核生物真核生物dnadna水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 v8.38.3真核生物转录水平上的基因表达调控真核生物转录水平上的基因表达调控 v8.48.4真

6、核基因转录后水平上的调控真核基因转录后水平上的调控contents8.1真核生物的基因结构与转录活性v1.真核细胞与原核细胞的差异v2.基因家族（gene family)v3.断裂基因1.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，表现在哪些方面？ 武汉大学2003年分子生物学硕士入学试题 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

7、胞dna中很大部分是不转录的，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。 在真核生物中，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构构型来影响它与型来影响它与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

8、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，这些基因成套组合称为基因家族。 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属于基因家族2.基因家族（

9、gene family)v1、简单多基因家族v2、复杂多基因家族v3.发育调控的复杂多基因家族v大多数真核基因大多数真核基因在在dnadna分子上是不连续的，分子上是不连续的，都都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成，部分组成，其中编码的序列称为其中编码的序列称为外显子外显子(exon) ，非编码序列称，非编码序列称内含子内含子(intron) 。3.断裂基因v断裂基因（断裂基因（interrupted gene）：在一个基）：在一个基因结构中，编码某一蛋白质不同区域的各个因结构中，编码某一蛋白质不同区域的各个外显子并不连续排列在一起，常常被长度

10、不外显子并不连续排列在一起，常常被长度不等的内含子所隔离，形成镶嵌排列的断裂方等的内含子所隔离，形成镶嵌排列的断裂方式，称为断裂基因。真核基因有时被称为断式，称为断裂基因。真核基因有时被称为断裂基因。裂基因。 v真核基因断裂结构的另一个重要特点是外显真核基因断裂结构的另一个重要特点是外显子子-内含子连接区（内含子连接区（exon-intron junction）的的高度保守性和特异性碱基序列高度保守性和特异性碱基序列。 v8.18.1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 v8.28.2真核生物真核生物dnadna水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 v8.38.3真核生

11、物转录水平上的基因表达调控真核生物转录水平上的基因表达调控 v8.48.4真核基因转录后水平上的调控真核基因转录后水平上的调控contents8.2 dna水平的基因表达调控水平的基因表达调控 v1染色质水平的调节：染色质水平的调节：“开放开放”型活性染色质型活性染色质（activechromatin）结构对转录的影响）结构对转录的影响 v2基因扩增基因扩增v3基因重排与交换基因重排与交换v4 dna甲基化与基因活性的调控甲基化与基因活性的调控1 染色质状态对基因表达的调控染色质状态对基因表达的调控 按功能状态的不同可将染色质分为：按功能状态的不同可将染色质分为： （1）活性染色质（有转录活性

12、）活性染色质（有转录活性） （2）非活性染色质（没有转录活性）非活性染色质（没有转录活性） 活性染色质的核小体发生构象改变，具有松散的染色质结构，从而便于转活性染色质的核小体发生构象改变，具有松散的染色质结构，从而便于转录调控因子和顺式用元件结合和录调控因子和顺式用元件结合和rna聚合酶在转录模板上滑动。聚合酶在转录模板上滑动。 染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键染色质是否处于活化状态是决定转录功能的关键。活性染色质上具有dnasei超敏感位点活性染色质的结构特征是rna聚合酶、转录因子和各种调节因子的结合部位。在具有转录活性在具有转录活性的染色质区域，的染色质区域，可以观察到一些可以

13、观察到一些变化，最明显的变化，最明显的是该区域对核酸是该区域对核酸酶介导的酶介导的dna降解的敏感性增降解的敏感性增强。强。 转录活跃区域对核酸酶敏感度增加转录活跃区域对核酸酶敏感度增加2 基因扩增基因扩增v基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大基因扩增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要，是基因活性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。调控的一种方式。v例如例如:v1.非洲爪蟾的卵母细胞中原有非洲爪蟾的卵母细胞中原有rrna基因（基因（rdna）约约500个拷贝，在减数分裂个拷贝，

14、在减数分裂i的粗线期，这个基因开的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线期它的拷贝数约为始迅速复制，到双线期它的拷贝数约为200万个，万个，扩增近扩增近4000倍，可用于合成倍，可用于合成1012个核糖体，以满足个核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。v2.许多昆虫的某些细胞，如唾腺细胞染色体不经发许多昆虫的某些细胞，如唾腺细胞染色体不经发生细胞分裂就可进行重复复制。这种现象叫做多线生细胞分裂就可进行重复复制。这种现象叫做多线性性(polyteny)。3 基因重排与交换基因重排与交换v将一个基因从远离启动子的地方移到距它很将一个基因从远离启动子的地

15、方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式称为基因近的位点从而启动转录，这种方式称为基因重排。重排。 v通过基因重排调节基因活性的典型例子是免通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白和疫球蛋白和t-细胞受体基因的表达。细胞受体基因的表达。 4 dna甲基化与基因活性的调控甲基化与基因活性的调控vdna甲基化是最早发现的修饰途径之一，甲基化是最早发现的修饰途径之一， dna的甲基化修饰现象广泛存在于多种有机的甲基化修饰现象广泛存在于多种有机体中。体中。v与基因表达调控密切相关。与基因表达调控密切相关。dna甲基化能引起染色质结构、甲基化能引起染色质结构、dna构象、组构象、组蛋白修饰及蛋白

16、修饰及dna与蛋白质相互作用方式的改与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。变，从而控制基因表达。 vdna的甲基化修饰与错误修正时的定位有关。的甲基化修饰与错误修正时的定位有关。错配修复错配修复: dam甲基化酶；甲基化酶； 5gatc； muts、muth和和mutlvdna的甲基的甲基化的位点化的位点v：5-甲基胞嘧甲基胞嘧啶（啶（5-mc）和和少量少量n6-甲基甲基腺嘌呤（腺嘌呤（n6-ma）及）及7-甲基鸟嘌甲基鸟嘌呤（呤（7-mg）v在真核生物中，在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在甲基胞嘧啶主要出现在cpg序列序列、cpxpgcpxpg、cca/tggcca/tgg和和g

17、atcgatc中中。v多个多个cpg序列集合成簇形成了富含甲基化位点的序列集合成簇形成了富含甲基化位点的cpg岛（岛（cpg island），具有很高的序列保守性。），具有很高的序列保守性。v真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性： v1）一种被称为日常型甲基转移酶；）一种被称为日常型甲基转移酶； v2）另一种是从头合成型甲基转移酶）另一种是从头合成型甲基转移酶 5基因丢失（了解）基因丢失（了解）v在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲

18、壳类动物在个体发育中，许线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。保留着整套的染色体。v8.18.1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 v8.28.2真核生物真核生物dnadna水平上的基因表达调控水平上的基因表达调控 v8.38.3真核生物转录水平上的基因表达调控真核生物转录水平上的基因表达调控 v8.48.4真核基因转录后水平上的调控真核基因转录后水平上的调控contents8.3 转录水平的基因表达调

19、控转录水平的基因表达调控v特点：真核生物的转录调控大多数是通过顺特点：真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件式作用元件（cis-acting element）和反式和反式作用因子作用因子（trans-acting factor，又称跨域，又称跨域作用因子）作用因子）间复杂的相互作用来实现的。间复杂的相互作用来实现的。 8.3 转录水平的基因表达调控转录水平的基因表达调控v1.1.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：1.1.顺式作用元件顺式作用元件1.2.反式作用因子反式作用因子v2.2.真核基因转录调控的主要模式真核基因转录调控的主要模式3.1顺式作用元件vdna上一段

20、序列，它们常与特定的功能基因上一段序列，它们常与特定的功能基因连锁在一起，组成基因转录的调控区，影响连锁在一起，组成基因转录的调控区，影响自身基因的表达的自身基因的表达的dna序列序列，称为顺式作用称为顺式作用元件。元件。v种类：启动子、增强子、沉默子、应答元件种类：启动子、增强子、沉默子、应答元件主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括启启动子动子(promoter)、增强子、增强子(enhancer)；近年又发现起负性调控作用的元件近年又发现起负性调控作用的元件沉默子沉默子/静止静止子子(silencer)。v在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子在

21、原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵基因和调节基因组成。基因、操纵基因和调节基因组成。真核基因表达以正性调控为主导真核基因表达以正性调控为主导v真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有两种作用者，但总的是以激激活作用或兼有两种作用者，但总的是以激活蛋白的作用为主。即多数真核基因在没有活蛋白的作用为主。即多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要有激活的蛋白质来促进转录。要有激活的蛋白质来促进转录。换言之：真

22、换言之：真核基因表达以正性调控为主导。核基因表达以正性调控为主导。v真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不普遍；但其存在并不普遍；顺式作用元件顺式作用元件（1 1）启动子：）启动子：在在dnadna分子中，分子中，rnarna聚合酶能够识别、聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。结合并导致转录起始的序列。核心启动子和上游启动子核心启动子和上游启动子v核心启动子核心启动子(core promoter)是指保证使是指保证使rna聚合酶聚合酶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。序列。包括转录起始位点及转录起

23、始位点上游一包括转录起始位点及转录起始位点上游一25一一30bp处的处的富含富含ta的典型元件的典型元件tata盒。盒。 v核心启动子单独起作用时，只能确定转录起始位点并核心启动子单独起作用时，只能确定转录起始位点并产生基础水平的转录。产生基础水平的转录。 v上游启动子元件上游启动子元件(upstream promoter element，upe)包括通常位于一包括通常位于一70bp附近的附近的caat盒盒(ccaat)和和gc盒盒(gggcgg)等，能通过等，能通过tfii-d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. 增强子对转录的影响增强子对转

24、录的影响v增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的增强子是指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的dna序列，最早发现于序列，最早发现于sv40早期基因的上游，有两个长早期基因的上游，有两个长72bp的的正向重复序列。正向重复序列。v增强子通常具有下列特性：增强子通常具有下列特性：增强效应十分明显。增强效应十分明显。增强效应与其位置和取向无关。增强效应与其位置和取向无关。大多为重复序列（大多为重复序列（50bp）。）。其增强效应有严密的组织和细胞特异性。其增强效应有严密的组织和细胞特异性。无基因专一性，可在不同的基因组合上表现增强效应；无基因专一性，可在不同的基因组合上表现增强效应；许多增

25、强子还受外部信号的调控。许多增强子还受外部信号的调控。增强子作用机理： （3 3）沉默子：）沉默子：一种负调控元件，参与基因表达的负调一种负调控元件，参与基因表达的负调控。其作用可不受序列方向影响，能远距离发挥作用。控。其作用可不受序列方向影响，能远距离发挥作用。当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏阻遏作用。作用。（）应答元件：一段（）应答元件：一段dna上游序列，能和专一性蛋上游序列，能和专一性蛋白因子结合，调控基因特异性表达。白因子结合，调控基因特异性表达。包括：包括：如热激应答元件（如热激应答元件（heat shock response eleme

26、nt，hse），），糖皮质应答元件（糖皮质应答元件（glucocorticoid response element，gre），），金属应答元件（金属应答元件（metal response element，mre）等）等 3.2 反式作用因子反式作用因子3.2.1 基本概念基本概念3.2.2 反式作用因子的反式作用因子的dna识别或结合域识别或结合域3.2.3反式作用因子中的转录激活域反式作用因子中的转录激活域反式作用因子反式作用因子 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

27、效率的率的蛋白质蛋白质。p300 tfdtfd（tatatata）、）、ctfctf（caatcaat）、）、sp1sp1（gggcgggggcgg）、）、hsfhsf（热激蛋白启动区）（热激蛋白启动区）功能：激活或阻遏基因的表达聚聚合合酶酶转转录录起起始始复复合合体体的的组组装装2 2、结构、结构dna结合结构域结合结构域转录活化结构域转录活化结构域结构域结构域主要包括：主要包括：蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域dna识别或结合域识别或结合域 v螺旋螺旋-转折转折-螺旋螺旋v锌指结构锌指结构v碱性碱性-亮氨酸拉链亮氨酸拉链v碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋v同源域蛋白（同源域蛋白（h

28、omeo domains，hd）v最初在最初在噬菌体的阻遏蛋白中发现的一种噬菌体的阻遏蛋白中发现的一种dna结合结构域。结合结构域。v现广泛分布在从酵母到人类的各种真核现广泛分布在从酵母到人类的各种真核生物中，虽彼此在氨基酸的顺序上差别生物中，虽彼此在氨基酸的顺序上差别很大，但高级结构高度保守，如同源域很大，但高级结构高度保守，如同源域蛋白。蛋白。螺旋螺旋-转折转折-螺旋螺旋（两段两段-螺旋夹一段螺旋夹一段-折迭构成，折迭构成，-螺旋与螺旋与-折迭之间通过折迭之间通过-转角或成环连接转角或成环连接helix 3 of the homeodomain binds in the major gro

29、ove of dna, with helices 1 and 2 lying outside the double helix. the n-terminal arm lies in the minor groove, and makes additional contacts. 锌指结构锌指结构配位键配位键2-9个个ccyshhis“锌指锌指”: 据其结构命名据其结构命名,是由一个含有大约是由一个含有大约30个氨基酸的个氨基酸的环和一个与环上的环和一个与环上的4个个cys或或2个个cys和和2个个his配位的配位的zn构构成，形成的结构像手指状。成，形成的结构像手指状。 c cysh his

30、典型典型“锌指蛋白锌指蛋白” (typic zinic fingers)含一连串含一连串锌指。重复的锌指锌指。重复的锌指结构都是以锌将结构都是以锌将螺旋与一个反向平螺旋与一个反向平行的行的片层的基部片层的基部以锌原子为中心，以锌原子为中心，通过与一对半胱氨通过与一对半胱氨酸和一对组氨酸间酸和一对组氨酸间形成配位键相连接，形成配位键相连接，锌指环上突出的赖锌指环上突出的赖氨酸、精氨酸参与氨酸、精氨酸参与dna结合。结合。 zinc fingers may form -helices that insert into the major groove, associated with -sheet

31、s on the other side. 这种基序含这种基序含4-8个亮氨酸，个亮氨酸，每隔每隔6个氨基酸就有一个亮个氨基酸就有一个亮氨酸残基间隔，这导致第氨酸残基间隔，这导致第7个亮氨酸残基都在螺旋的个亮氨酸残基都在螺旋的同侧。又因这类蛋白质都同侧。又因这类蛋白质都以以二聚体形式与二聚体形式与dna结合结合，两个蛋白质两个蛋白质螺旋上的亮氨螺旋上的亮氨酸靠近而形成拉链样结构。酸靠近而形成拉链样结构。碱性碱性-亮氨酸拉链亮氨酸拉链(basic - leucine zipper, bzip)肽链氨基端肽链氨基端2030个富含碱性个富含碱性氨基酸结构域与氨基酸结构域与dna结合。结合。the ba

32、sic regions of the bzip motif are held together by the dimerization at the adjacent zipper region when the hydrophobic faces of two leucine zippers interact in parallel orientation. n-end碱性碱性- -螺旋螺旋- -环环- -螺旋螺旋（basic helix /loop /helix，bhlh）其主要特点是可形成两个其主要特点是可形成两个-螺旋，两个螺旋之间由环状结螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连。构相连。螺旋

33、负责二聚体的形成，螺旋负责二聚体的形成，在在hlh中中带有碱性区的肽链称为带有碱性区的肽链称为 碱性碱性hlh（bhlh）。）。负责结合负责结合dna。研究发现，研究发现，bh-l-h类蛋白只类蛋白只有形成同源或异源二聚体时，有形成同源或异源二聚体时，才具有足够的才具有足够的dna结合能力，结合能力，当这类异源二聚体中的一方不当这类异源二聚体中的一方不含有碱性区时，明显缺乏对靶含有碱性区时，明显缺乏对靶基因的亲和力。基因的亲和力。 同源域蛋白同源域蛋白v同源域（同源域（homeo domains）是指编码）是指编码60个保守氨个保守氨基酸序列的基酸序列的dna片段，广泛存在于真核基因组内，片段

34、，广泛存在于真核基因组内，最早从果蝇同源异型座位最早从果蝇同源异型座位homeotic loci中克隆得到中克隆得到而命名。具有转录调控功能。而命名。具有转录调控功能。v同源域蛋白是一个同源域蛋白是一个dna结合域，它由结合域，它由60个氨基酸组个氨基酸组成，并形成成，并形成3个个螺旋。螺旋。c端端螺旋有螺旋有17个氨基酸，个氨基酸，结合结合dna大沟。大沟。n端臂插入端臂插入dna小沟。小沟。v蛋白蛋白c末端区域类似于原核基因阻遏物螺旋末端区域类似于原核基因阻遏物螺旋-转角转角-螺螺旋结构有关。旋结构有关。转录活化结构域转录活化结构域 v反式作用因子的功能具有多样性，其转录活化域也反式作用因

35、子的功能具有多样性，其转录活化域也有多种，通常是依赖于有多种，通常是依赖于dna结合结构域以外的结合结构域以外的30l00个氨基酸残基。个氨基酸残基。 v不同的转录活化域大体上有下列几组特征性结构：不同的转录活化域大体上有下列几组特征性结构：带负电荷的带负电荷的螺旋结构。螺旋结构。富含谷氨酰胺的结构。富含谷氨酰胺的结构。 富含脯氨酸的结构。富含脯氨酸的结构。 真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作真核生物的转录调控大多数是通过顺式作用元件和反式作用因子复杂的相互作用来实现的。用因子复杂的相互作用来实现的。真核基因转录调

36、控的主要模式真核基因转录调控的主要模式v2.1 蛋白质磷酸化对基因表达影响蛋白质磷酸化对基因表达影响v2.2 蛋白的乙酰化对基因表达影响蛋白的乙酰化对基因表达影响v2.3 激素及热激蛋白对基因表达影响激素及热激蛋白对基因表达影响1.蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化v蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程（图蛋白质的磷酸化与去磷酸化过程（图8-25，p307）是生物体内普遍存在的信息传导调节）是生物体内普遍存在的信息传导调节方式，在方式，在细胞信号的传递细胞信号的传递过程中占有极其重过程中占有极其重要的地位，几乎涉及所有的生理及病理过程，要的地位，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、

37、神如糖代谢、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。经递质的合成与释放甚至癌变等等。 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。v细胞应答可以分为3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递，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蛋白质的遗传信息传递过程。蛋白质的遗传信息传递过程。1.蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化signal magn

38、ificationv特异的膜受体对信号特异的膜受体对信号刺激的识别刺激的识别v信号的跨膜转换信号的跨膜转换v细胞内信号分子被传细胞内信号分子被传递给效应分子，引起递给效应分子，引起细胞的活性变化细胞的活性变化v信号分子的失活引起信号分子的失活引起细胞反应的终止细胞反应的终止v存在于细胞膜或细胞内；存在于细胞膜或细胞内；v能接受外界的信号并能接受外界的信号并 将这一信号转化为细胞将这一信号转化为细胞 内的一系列生物化学反内的一系列生物化学反 应应 ，而对细胞的结构，而对细胞的结构 或功能产生影响或功能产生影响v配体配体ligandligand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

39、的生物活性分子统称为配体。统称为配体。受体与配体结合特性：受体与配体结合特性：特异性特异性、高效性高效性、可饱和可饱和性、可逆性性、可逆性。受体的基本类型根据其结构和转换信号的方式又分为三大根据其结构和转换信号的方式又分为三大类：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跨膜蛋白激酶受体系统白激酶受体系统。1、膜受体、膜受体(membrane receptor)受受体体细胞表细胞表面受体面受体细胞内受体细胞内受体配体闸门离子通道配体闸门离子通道生长因子类受体生长因子类受体g蛋白偶联的受体蛋白偶联的受体离子通道受体离子通道受体，g蛋白偶联受蛋白偶联受体系统体系统跨膜蛋白激

40、酶跨膜蛋白激酶受体系统受体系统。2 2、胞内受体、胞内受体(membrane receptor)(membrane receptor)一氧化氮（一氧化氮（no）细胞内信号细胞内信号 1998 年诺贝尔医学与生理学奖年诺贝尔医学与生理学奖 硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为是在体内转化为no，可舒张血管，减轻心脏负荷和，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。心肌的需氧量。 磷酸化与去磷酸化磷酸化与去磷酸化蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把化的把atp或或gtp上上位的磷酸基转移位的磷酸基转移

41、到底物蛋白质氨基酸残基上的过程到底物蛋白质氨基酸残基上的过程其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，称为蛋白质脱磷酸化称为蛋白质脱磷酸化。已经发现在人体内有多达已经发现在人体内有多达2000个左右的蛋个左右的蛋白质激酶和白质激酶和1000个左右的蛋白质磷酸酶基个左右的蛋白质磷酸酶基因。因。组氨酸和赖氨酸残基也可能被磷酸化。组氨酸和赖氨酸残基也可能被磷酸化。蛋白激酶的种类与功能蛋白激酶的种类与功能 根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基的种类可分根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基的种类可分为三大类：为三大类： 第一类为丝氨酸第一类为丝氨酸/苏氨酸型。苏氨酸型。第二类为酪氨

42、酸型。第二类为酪氨酸型。第三类是第三类是组氨酸型。组氨酸型。 细胞受刺激以后，通过蛋白质磷酸化及一系列级联放细胞受刺激以后，通过蛋白质磷酸化及一系列级联放大过程将胞外信号转化为细胞内信号，从而引大过程将胞外信号转化为细胞内信号，从而引起广泛的起广泛的生理反应。生理反应。 根据是否有调节物参与蛋白激酶活性又可分成两大类：根据是否有调节物参与蛋白激酶活性又可分成两大类：信使依赖性蛋白质激酶（信使依赖性蛋白质激酶（messenger-dependent protein kinase），），包括胞内信使或调节因子依赖性蛋白激酶及包括胞内信使或调节因子依赖性蛋白激酶及激素（生长因子）依赖性激酶两个亚类；

43、激素（生长因子）依赖性激酶两个亚类；非信使依赖型蛋白激酶。非信使依赖型蛋白激酶。蛋白质磷酸化对基因表达影响蛋白质磷酸化对基因表达影响v1.受受camp水平调控的水平调控的a激酶激酶v2.c激酶与激酶与pip2、ip3和和dag v3.cam激酶及激酶及map v4.酪氨酸激酶途径酪氨酸激酶途径v5.蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控g蛋白偶联蛋白偶联受体系统受体系统跨膜蛋白激酶跨膜蛋白激酶酶受体系统酶受体系统g蛋白偶联受体蛋白偶联受体v这类受体与这类受体与g蛋白偶联，并通过蛋白偶联，并通过g蛋蛋白调节细胞的生物学效应，因而称之为白调节细胞的生物学效应，因而称之为g蛋白

44、偶联的受体。由一条多肽链组成，蛋白偶联的受体。由一条多肽链组成，其中带有其中带有7个疏水跨膜区域个疏水跨膜区域v氨基末端朝向细胞外，羧基末端则朝氨基末端朝向细胞外，羧基末端则朝向细胞内基质向细胞内基质v羧基末端有两个在蛋白激酶催化下发羧基末端有两个在蛋白激酶催化下发生磷酸化的位点生磷酸化的位点 ，与受体活性调控有，与受体活性调控有关。当受体与相应的配体结合后，触发关。当受体与相应的配体结合后，触发受体蛋白的构象改变，后者再进一步调受体蛋白的构象改变，后者再进一步调节节g蛋白的活性而将配体的信号传递到蛋白的活性而将配体的信号传递到细胞内。细胞内。g 蛋白偶联受体蛋白偶联受体又称七个跨膜又称七个跨

45、膜 螺旋受体螺旋受体/ /蛇型受体蛇型受体结合结合gtpgtp或或gdpgdpg蛋白蛋白鸟苷酸结合蛋白（鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotidebinding protein）由由3个不同的亚单位构成异聚体个不同的亚单位构成异聚体;具有结合具有结合gtp或或gdp的能力和的能力和gtpase的活性；的活性；其本身的构象改变可进一步激活效应蛋白其本身的构象改变可进一步激活效应蛋白effector protein，实现把细胞外，实现把细胞外的信号传递到细胞内的过程。的信号传递到细胞内的过程。最早是由最早是由rodbell，gilman等分离纯化，并将其命名，等分离纯化，并将其命名，获得

46、了获得了1994年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。 g蛋蛋白白的的分分子子开开关关1.1.受受campcamp水平调控的水平调控的a a激酶（激酶（p269p269） a a激酶（激酶（protein kinase a，pka）：依赖于）：依赖于campcamp的蛋白激酶。的蛋白激酶。蛋白激酶蛋白激酶a（protein kinase a，pka）：由两个催化亚基和）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。两个调节亚基组成。活化的蛋白激酶活化的蛋白激酶a 催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响苏氨酸残基磷酸化，于是改变这

47、些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。到相关基因的表达。腺苷酸环化酶（腺苷酸环化酶（adenylate cyclase）：是相对分子量为）：是相对分子量为150kd 的的糖蛋白，跨膜糖蛋白，跨膜12 次。在次。在mg2+或或mn2+的存在下，腺苷酸环化酶的存在下，腺苷酸环化酶催化催化atp 生成生成campcamp信号与基因表达膜上的受体与外源配基相结合，膜上的受体与外源配基相结合，引起受体构象上的变化，并与引起受体构象上的变化，并与gtp结合蛋白相结合，激活了与结合蛋白相结合，激活了与膜相关的腺苷酸环化酶（膜相关的腺苷酸环化酶（ac），），导致胞内导致胞内camp浓度上升，活化浓度上升，

48、活化a激酶，释放催化亚基并进入核激酶，释放催化亚基并进入核内，实施底物磷酸化。被磷酸化内，实施底物磷酸化。被磷酸化的底物，如的底物，如creb、crem等，等，可作为转录激活因子诱发基因转可作为转录激活因子诱发基因转录。录。 v已经证实，许多转录因子都可以通过已经证实，许多转录因子都可以通过camp介介导的蛋白质磷酸化过程而被激活，因为这类基导的蛋白质磷酸化过程而被激活，因为这类基因的因的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应应答元件（答元件（campresponse element,cre），），其基本序列是其基本序列是tgacgtca。vcre结合蛋白结合蛋白(c

49、amp response element bound protein ,creb)v该信号途径涉及的反应链可表示为：激素g蛋白耦联受体g蛋白腺苷酸环化酶camp依赖camp的蛋白激酶a基因调控蛋白基因转录7.3.1蛋白质磷酸化、信号转导及基因蛋白质磷酸化、信号转导及基因表达表达v1.受受camp水平调控的水平调控的a激酶激酶v2.c激酶与激酶与pip2、ip3和和dag v3.cam激酶及激酶及map v4.酪氨酸激酶途径酪氨酸激酶途径v5.蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控g蛋白偶联蛋白偶联受体系统受体系统跨膜蛋白激酶跨膜蛋白激酶受体系统受体系统4，5-二磷酸磷脂酰

50、肌醇（二磷酸磷脂酰肌醇（pip2）磷脂酶磷脂酶c（plc-）1，4，5-三磷酸肌醇（三磷酸肌醇（ip3）二酰基甘油（二酰基甘油（dag）2. c激酶与激酶与pip2、ip3和和dag磷脂酰肌醇途径又称为又称为“双信使系统双信使系统”(double messenger system)。 c激酶（激酶（pkc）是依赖于）是依赖于ca2+的蛋白质激的蛋白质激酶。由于酶。由于ip3所引起的细胞质所引起的细胞质ca2+浓度升高，导浓度升高，导致致c激酶从胞质转运到靠原生质膜内侧处，并激酶从胞质转运到靠原生质膜内侧处，并被被dag和和ca2+的双重影响所激活。的双重影响所激活。c激酶主要实施对丝氨酸、苏氨

51、酸的磷酸化，激酶主要实施对丝氨酸、苏氨酸的磷酸化，它具有一个催化结构域和一个调节结域。它具有一个催化结构域和一个调节结域。3.cam激酶及激酶及mapv钙调蛋白钙调蛋白(calmodulin , cam)为钙结合蛋白，为钙结合蛋白，由一条肽链组成，有四个由一条肽链组成，有四个ca2+结合位点。与结合位点。与ca2+结合后可激活结合后可激活cam激酶（激酶（cam-kinase） ，再磷酸化多种功能蛋白质的丝、，再磷酸化多种功能蛋白质的丝、苏氨基酸残基。苏氨基酸残基。 vmap激酶（激酶（mitogen-activated protein kinase, mapk, 有丝分裂活化蛋白激酶）活有丝

52、分裂活化蛋白激酶）活性受许多外源细胞生长、分化因子的诱导，性受许多外源细胞生长、分化因子的诱导，也受到也受到酪氨酸蛋白激酶及酪氨酸蛋白激酶及g蛋白受体系统的蛋白受体系统的调控。调控。 vmap-激酶的活性取决于该蛋白中仅有一个氨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、丝氨酸残基是否都被磷基酸之隔的酪氨酸、丝氨酸残基是否都被磷酸化（图酸化（图8-32）。）。 v把能同时催化这两个氨基酸残基磷酸化的酶把能同时催化这两个氨基酸残基磷酸化的酶称为称为map-激酶激酶-激酶（激酶（ mapkk ），它的反），它的反应底物是应底物是map激酶。激酶。vmap-激酶激酶-激酶本身能被激酶本身能被

53、map-激酶激酶-激酶激酶-激激酶（酶（ mapkkk）所磷酸化，后者能同时被）所磷酸化，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，蛋白等激活，从而在信息传导中发挥作用。从而在信息传导中发挥作用。 v（图（图8-32） mapkk mapkkk mapk4.酪氨酸激酶途径（酪氨酸激酶途径（tpk）v酪氨酸激酶酪氨酸激酶 (tyrosine protein kinase, tpk)通过受体本身的酪氨酸激酶的激活来完成信通过受体本身的酪氨酸激酶的激活来完成信号的装导，不需要号的装导，不需要g蛋白。蛋白。 v跨膜受体型跨膜受体型tpk和和胞质非受体型胞质非受体型tp

54、k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，其域组成，其tpk活性受胞外结构域与配体的调节。配体与受体活性受胞外结构域与配体的调节。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。化。非受体酪氨酸激酶除有一段与前者同源的激酶结构域序列外，非受体酪氨酸激酶除有一段与前者同源的激酶结构域序列外，还有数个前体所不具备的保守区。还有数个前体所不具备的保守区。（一）受体酪氨酸激酶receptor tyrosine kinase, receptor trk（r

55、ptk）v酶蛋白以跨膜结构形式存在于细胞膜上酶蛋白以跨膜结构形式存在于细胞膜上;v胞外的部分是配体结合区，起受体的作用；胞外的部分是配体结合区，起受体的作用；v细胞质一侧的部分称为激酶活性区，具有酪氨酸激细胞质一侧的部分称为激酶活性区，具有酪氨酸激酶的活性酶的活性v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，具有酪氨酸蛋白激酶活胞质区酪氨酸残基磷酸化，具有酪氨酸蛋白激酶活性。性。酪氨酸蛋白激酶酪氨酸蛋白激酶包含包含6个亚家族：表个亚家族：表皮生长因子皮生长因子（egf）、胰岛素）、胰岛素样生长因子样生长因子（igf）、神经生）

56、、神经生长因子（长因子（ngf）、）、血小板衍生生长因血小板衍生生长因子（子（pdgf） 、成、成纤维细胞生长因子纤维细胞生长因子（fgf）和血管内）和血管内皮细胞生长因子皮细胞生长因子（vegf）受体都）受体都拥有定位于胞内的拥有定位于胞内的酪氨酸激酶功能区酪氨酸激酶功能区域和膜外区。域和膜外区。各类受体酪氨酸激酶各类受体酪氨酸激酶 细胞外信号细胞外信号egf、pdgf等等具具ptk活性的受体活性的受体grb2 psos pras-gtp praf调节其他蛋白活性调节其他蛋白活性mapkkmapk p p p细细胞胞核核反式作用因子反式作用因子调控基因表达调控基因表达细细胞胞膜膜二聚化二聚化

57、 跨膜受体型tpk生长因子受体结合蛋白（生长因子受体结合蛋白（grb2） 5.蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控vcdk（cyclin-dependent protein kinase）周期蛋白依赖性蛋白激酶，简称cdk激酶 v蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控蛋白质磷酸化参与细胞分裂的调控第四节 蛋白质乙酰化对基因表达的影响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1.1. 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。是组成染色质的基本结构单元。1.2. 核心组蛋白的

58、乙酰化与去乙酰化核心组蛋白的乙酰化与去乙酰化组蛋白的乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响组蛋白的乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响v组蛋白乙酰化的状态与基因表达有关。组蛋白组蛋白乙酰化的状态与基因表达有关。组蛋白n端端“尾巴尾巴”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，降低了它与了它与dna的亲和性，导致核小体构象发生有利于转录调的亲和性，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。性。v相反，组蛋白去乙酰化与基因活性的阻遏有关。相反，组蛋白去乙酰化与基因

59、活性的阻遏有关。v组蛋白乙酰基转移酶和去乙酰化酶只能有选择地影响一部组蛋白乙酰基转移酶和去乙酰化酶只能有选择地影响一部分基因的转录。分基因的转录。激素及其影响激素及其影响v许多类固醇激素（如雌激素、孕激素、醛固许多类固醇激素（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。基因转录而实现的。v靶细胞中还有大量激素受体蛋白，而非靶细靶细胞中还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，这是激素调节胞中没有或很少有这类受体，这是激素调节转录组织特

60、异性的根本原因。转录组织特异性的根本原因。 1. 激素对靶基因的影响激素对靶基因的影响v体内存在的许多糖皮质类激素应答基因都有一段大约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，简称的顺式作用元件（激素应答元件，简称hre），该序列具），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。量激素受体蛋白，而非靶细胞中没有或很少有这类受体。激素元件序列糖皮质糖皮质gretggtacannntgttcg雌激素雌激素ereggtcannntgtcc甲状