分子生物学第一篇基因表达调控和蛋白质修饰

1、分子生物学第一篇：基因表达调控和蛋白质修饰基因组(Genome):生物个体所携带遗传性物质的总量。即细胞中的DNA总量，或病毒的 DNA或RNA量“C值悖论”(C-value paradox* C值:一种生物细胞中特异不变的DNA总量(单倍体基因 组)。物种的C值和它进化的复杂性之间没有严格的对应关系，这种现象称为C值悖论。基因表达(Gene expression):在一定调控机制下基因经过激活、转录、翻译、等过程产 生具有生物学功能分子从而赋予细胞一定功能或表型，即基因的转录和翻译的过程。基因表达调控(Regulation of gen expression):细胞或生物体接受环境信号刺激或

2、适应环 境营养状况变化在基因表达水平上作出应答的分子机制。这包括对表达基因种类和数量 上的调调控。基础基因表达(basic gene expression)：又称持续性/组成型基因表达(constitutive gene expression):不易受环境变化而改变的基因表达。这其中包括一类“管家基因 (housekeeping genes)”，这类基因产物是细胞生存活动所必需的，在个体各生长阶段都 表达。可调节基因表达(regulated gene expression)易受环境变化而改变的基因表达。对环境应 答时被增强表达的过程称为诱导(induction),被激活的基因称为可诱导基因(i

3、nducible genes)；对环境应答时被抑制表达的过程称为阻遏repression)，被抑制的基因称为可阻 遏基因(repressible genes)基因表达规律：组织特异性(tissue specificity)时间特异性(temporal specificity)基因表达调节的生物学意义：(一)适应环境，维持生长和增殖(二)维持个体发育与分化.真核细胞的结构特性：1、庞大基因组，结构复杂，大量重复序列，基因组大部分是非蛋白质编码的序列，基因 内部常被内含子(intron)隔开2、结构基因转录产物是一条单顺反子(monocistron) mRNA,基本上没有操纵元件的结构， 而且真核

4、细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽链形成的亚基构成的，涉及到多个 基因的协调表达。3、以核小体为单位的染色质结构，以及众多DNA结合蛋白质成为调节基因开闭的重要 因素；转录和翻译在时间和空间上被隔开，转录本和翻译产物需要经过复杂的加工与转 运过程，使得基因表达的调控受到细胞核内外诸多层次的调节，而核外的遗传成分如线 粒体DNA等，也增加了基因表达调控的层次和复杂性。基因表达调节的主要阶段1、转录调控(transcriptional regulation)；(最基本或最重要的调控)2、RNA剪接过程(RNA splicing)中的调控；3、RNA 转运和定位过程(transportation

5、 and localization)中的调控；4、翻译调控(translational regulation)；5、mRNA 稳定性(mRNA stability)的调控；6、蛋白质活性的调控(protein processing modification)。活性与非活性染色质：典型的间期(interphase)染色质可分为高度密集状态的异染色质 (heterochromatin，30nm的纤维被压缩40-50倍)和较为松散的常染色质(euchromatin)。 常染色质约10%处于更开放的延展型结构，即为活性染色质(active chromatin，30nm的 纤维压缩约6倍，具有转录活性，

6、即电镜下的串珠状结构)。此外的其它的色质不具有转 录活性，属于非活性染色质(inactive chromatin)。活性染色体的重要特征DNA酶I超敏位点(DNase I Hypersensitive Site (DHSs) (DNA酶I超敏位点的出现是 活性染色质的重要特点之一)脱氧核糖核酸酶I(DNase I)可以随机剪切双链DNA的任意位点。但染色之中有少数 位点敏感性超出其他区域100倍以上，被称为DNA酶I超敏位点。DNA酶I超敏 位点约由100-200bp的碱基组成，主要位于已经起始或即将起始转录基因的5侧 翼，通常是调节蛋白位点附近。某些基因中离3侧翼较近，甚至在转录区内。DNA

7、拓扑结构变化(DNA topology)天然双链DNA的构象大多为负性超螺旋。基因活跃转录时RNA聚合酶转录方向的 前方的DNA结构是正性超螺旋，其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散 核小体，有利于RNA聚合酶迁移转录，而负性超螺旋自有利于核小体再形成。DNA 碱基修饰变化(DNA modification)CpG序列的甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合而影响转录。组蛋白变化(histone modification)组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质，可与DNA带负电的磷酸基结合从而遮蔽DNA分 子，起到非特异性阻遏蛋白的作用。染色质中非组蛋白成分具有组织特异性可能消 除组蛋白的

8、阻遏，起到特异性的去阻遏促转录的作用。活性染色体部分常有中非组 蛋白成分的加入，组蛋白解聚与释放。染色质重塑：通过调整核小体的相位，中和组蛋白尾巴碱性氨基酸残基（赖氨酸K、精 氨酸R、组氨酸H等）带正电荷，减弱核小体中碱性氨基酸与DNA的结合，降低相邻核 小体间的聚集使核小体滑动暴露本来被遮蔽的元件，或使核小体表面的元件瞬间暴露。 这种染色质结构的动态变化过程称为染色质重塑（chromatin remodeling）。染色质重塑是基因表达表观遗传水平上控制的主要调控方式，包括：.依赖ATP的染色质物理修饰：即ATP水解供能使核小体沿DNA滑动，或使核小体解 离并重新装配。延伸中RNA聚合酶II

9、的周围总是伴有核小体，这些核小体又是会处于部分解离部分装 配的动态平衡状态，此染色质物理重塑复合体对于转录延伸也具有重要意义。.染色质的共价化学修饰：即多发生在组蛋白末端“尾巴”的乙酰化、磷酸化、甲基 化和泛素化等。主要发生在组蛋白末端的尾部，尤其是核心组蛋白的氨基末端尾部。组蛋白末端部分含 有一些带活性基团的氨基酸残基，这些氨基酸残基成为各种化学修饰的靶点。组蛋白乙酰化（酶：HAT，histone acetyl transferases）：转录激活的标志，多发于组蛋白 暴露在外的N端尾巴。脱乙酰化（酶：HDAC，histone deacetylase）与转录抑制相关， 并参与多条信号传导通路

10、。组蛋白甲基化（酶：HMT，histone methyltransferases）：赖氨酸和精氨酸都可以被甲基化， 其结果可以是激活或者抑制转录。组蛋白泛素化（酶： E1s, ubiquitin-activating enzymes; E2s, ubiquitin-conjugating enzymes; E3s, ubiquitin ligases） ： H2AK119泛素化与抑制转录有关；相反H2BK120泛素化激活转 录，并在组蛋白伴侣分子FACT帮助下在转录延伸中发挥作用。组蛋白SUMO化:4种核心组蛋白都可发生，在H4、H2A、H2B上都已发现了一些特异位 点。组蛋白SUMO化拮抗在

11、同一赖氨酸残基上的乙酰化和泛素化，因而具有抑制转录的 作用。组蛋白聚ADP核糖基化：可以在组蛋白上加上1个(酶：MART, mono-ADP- ribosyltransferase)或多个 ADP 分子(酶：PARP, poly-ADP-ribosepolymerase)。其活性依赖 于缺口单链或双链DNA的存在。可引起DNA部分地与核心组蛋白分离(构象变化可逆)。脯氨酸异构化(酶:PPIase， peptidylprolyl isomerase, or Prolyl isomerase)：脯氨酸顺势和 反式构象的转变会严重扭曲多肽链的骨架。酵母中发现，FPR4能催化H3尾部的脯氨酸 异构化(

12、H3P38),并调节H3P36的甲基化水平。组蛋白尾部上的大量修饰使得它们之间可能互相干扰，修饰间的相互对话可能发生在不 同水平。细胞不同阶段和不同功能活动中组蛋白化学修饰可以是不同的，主要表现为： 组蛋白化学修饰类型可能是单一的，也可能是多种联合；空间上，各种化学修饰的组蛋白底物可能相同，也可能不同；时间上，各种化学修饰可能是同时的，也可能不同时；功能上，各种化学修饰的效应可能是协同的，也可能相反。真核基因正性调节占主导真核基因有正、负调节机制，但负调控元件并不普遍存在，虽然转录表达也有阻遏和激 活或两种作用间有者，但真核染色质的紧密结构不允许基因随机转录，真核基因表达多 需要主动激活，因此

13、，真核基因表达以正性调控占主导。基因调控蛋白TATA易因转录因了RNA聚合酶II基因调控生白嬴基因调控蛋白TATA易因转录因了RNA聚合酶II基因调控生白嬴2-4基因X的基因调控区域基因转录的顺式调节调控序列 网隔DMA启动子RNA的录本在分子遗传学领域，相对同一染色体或DNA分子而言为“旧式”(cis),对不同染色体或DNA分子而言为“反式(trans)。力慎式作用元件，即同一 DNA分子中具有转录调节功能的特异DNA序列。真核基因力慎式作用元件包括：启动子、增强子、沉默子和绝缘子。启动子(promoter)RNA聚合酶周围的一组转录控制元件，即转录起始位点-1及其5端上游100-200bp

14、内 的一组720bp的DNA序列，是决定RNA聚合酶II转录起始和转录频率的关键元件。 启动子至少包括一个转录启示位点(transcription start site，TSS，真核基因为-30，-75，- 90)以及一个以上的机能元件。机能元件典型的为TATA盒，共有序列为TATAAAA通常位 于-30-25bp区，是上游启动子和增强子产生诱导性效应所必须。TATAtataaaaGCGGGCGGCAAGGCCAATCT八聚体AIIIGCATK BGGGACTTCCATFCTGACGT分类：核心启动子元件(core promoter element, CPE: RNA聚合酶II起始转录所必需的

15、最小的 序列，包括转录起始点、其上游-30 -25bp处的TATA盒和距起始点位点约-40 +50bp 范围的DNA序列。单独作用只能确定转录位点和产生基础水平的转录。上游启动子元件(Upstream promoter element， UPE)，不含TATA盒或不通过TATA盒转 录，分为两类：一类是位于转录起始点上游-110 -30bp区域富含GC盒(GGGCGG)的 启动子，它含有多个转录起始点。该启动子最初最初发现于一些管家基因，这些基因5 端上游富含GC，没有TATA盒，但有数个转录因子Sp-1(specificity protein 1)结合位点， 且分布跨度大，对基本转绿化话有重

16、要作用。另一类既无TATA盒也无GC盒的启示转 录，RNA聚合酶II的转录起始于一个或数个成簇的起始子(initiator)上，它只有较弱保守 序列5 -PyPyCAPyPyPyPyPy-3，它与相应的蛋白质因子结合能提高或改变转录效率。 不同基因的上游启动子元件及其位置不同，使得不同基因表达有别。增强子(enhancer)：远离转录起始点(130 kb),决定基因的时间、空间特异性表达增强 启动子转率活性的DNA序列。增强子发挥作用的方式通常与方向、距离无关，增强子可 位于基因的上游或下游的几百或几千个碱基对处，起跨度为100200bp,其中的核心组 件约812 bp,可以但拷贝或多拷贝串联

17、的形式存在。增强子的作用特点可归结如下：(1)增强子提高同一条DNA链上基因转录的效率，可以远距离作用，通常14kb,个别 情况可距离30 kb,而且在基因的上下游都能起作用；(2)增强子在DNA双链中没有5和3的方向性，方向倒置依然能起作用；(3)增强子和启动子常连续或交替覆盖，有些机能元件即可在增强子也可以在启动子 中出现；(4)增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同的启动子；(5)增强子一般具有组织或细胞特异性。增强子的作用机理目前尚不明确，可能作为反式作用元件的“入口”而起作用，或/和通 过蛋白之间的相作用，形成增强子和启动子间的“成环连接的模式活化转录。沉默子(sil

18、encer)：沉默子是 DNA 中的负调控元件(negative regulatory element, NRE)能 结合转录调节的抑制子从而阻碍RNA聚合酶的进入，抑制基因转录。沉默子的作用可不受距离和方向(有例外)的限制，并可对异源基因的表达起作用。经典的沉默子元件与蛋白结合多直接干扰基本转录因子(general transcription factor, GTF) 的装配，主动地抑制基因；非经典的负调控元件一般通过抑制其它上游元件被动地抑制 基因。绝缘子(insulator)：约几百个碱基对，通常位于启动子与正调控元件(增强子)之间，或活 化基因与异染色质之间。绝缘子本深没有正负效应，起

19、作用是不让其他其它调控元件对活化效应或失活效应发生 作用。绝缘子重要功能是对抗增强子对启动子不加鉴别地发挥作用，阻断增强子的效应扩撒。 因而绝缘子增加了基因调控的精准性。基因转录的反式调节蛋白质因子可分为三大类：1、第一类为RNA聚合酶和基本转录因子(general transcription factors. GTFs)。它们结合 在靶基因的启动子上，形成前DNA复制起始复合体(pre-initiation complex, PIC),启动基 因的转录。2、第二类为特异转录因子(如激活因子和抑制因子)。它们是一类与靶基因启动子和增强子特异结合的转录因子，具有细胞及基因特异性，可以增强或抑制靶

20、基因的转录。3、第三类是辅调节因子，它们往往在转录因子和前DNA复制起始复合体之间形成桥梁作用，还可以改变局部染色质的构象，对基因转录的起始具有推动作用。基本转录机件1)RNA 聚合酶(RNA polymerase):1、RNA聚合酶I转录核糖体RNA，其转录产物是45S rRNA，经剪接修饰生成除小亚基rRNA (SSrRNA)外的各种 rRNA；2、RNA聚合酶H主要转录编码蛋白质的基因和一些snRNA；3、RNA聚合酶HI转录产物都是相对分子质量小的RNA tRNA、SS rRNA、snRNA .2)基本转录因子表1-2 RNA聚合酹II的基本转录因子转录因子分子成1 (kD)功能TBP

21、30与TATA盒给合TF 口 E433介导RNA聚含制II的结合TF 11 F3。. 74解旋酷TF II 34. 37ATP醯TF U H62,的解旋微TFHA12, 19. 35稳定TFH-D的结合TFill120促进TFH-D的结合TATA结合蛋白TBP和至少8个TBP协同因子(TBPassociated factor, TAF)组成TFllD,是 第一个与DNA结合的因子，3种RNA转录时都需要。反式作用因子(1)蛋白质因子的DNA识别或DNA结合域：最常见的DNA结合域结构形式是锌指结 构及碱性氨基酸所形成的a螺旋。此外还有碱性亮氨酸拉链和碱性螺旋一环一螺旋等结 构锌指(zinc f

22、inger, Znf)结构：螺旋一转角一螺旋(helix-turn-helix, HTH)及螺旋一环一螺旋(helix-loop-helix, HLH)结 构 碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper, bZIP)：蛋白质因子的转录激活域转录激活域(activating domain)通常由DNA结合结构域以外的30100个氨基酸残基组 成。据氨基酸组成特点，转录激活域分为：带负电荷的a螺旋结构或酸性a螺旋(acidic a-helix)：含有由酸性氨基酸残基组成的 保守序列，多呈带负电荷的亲脂性。GAL-4、GCN-4、糖皮质激素受体和AP-1 / Jun等都 含有这种及结构

23、域。增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平，可能是通过非特异 性相互作用与转录起始复合物上的TFIID等因子结合生成稳定的转录复合物而促进转录。 富含谷氨酰胺结构(glutamine-rich domain) ： SP-1的N末端含有2个主要的转录激活 区，氨基酸组成中有25%的谷氨酰胺，很少有带电荷的氨基酸残基。酵母的HAP-l、HAP- 2和GAL-2及哺乳动物的OCT-1、OCT-2、Jun、AP-2和SRF也含有这种结构域。富含脯氨酸结构proline-rich domain)： CTF家族(包括CTF-1、CTF-2、CTF-3)的C末端与 其转录激活功能有关，含有20%一 30%

24、的脯氨酸残基。辅调节因子(coregulators)通过直接或间接地与特异转录因子或基本转录机件的蛋白亚基结合而参与基因转录的 调控。例如，特异转录因子核受体与DNA结合之后，会与一系列有效转录所必需的辅调 节因子(coregulator)相互作用，使基因表达的调控更为有效和精细。不同细胞对同一核 受体的反应差异，也可能是由于不同细胞中所含的辅调节因子不同所致。辅调节因子按 其作用可区分为：辅激活因子(coactivator)和辅抑制因子(corepressor)。辅激活因子作为核受体和基础转录复合物之间的桥梁分子发挥作用，且调节了不同靶基 因的表达，参与了核受体反应的细胞特异性调节，并与其他

25、信号途径相互联系。它们通 过蛋白质一蛋白质直接相互作用激活基因转录。另外一类辅激活因子不但能与特异转录 因子和基本转录机件结合而起桥梁作用，而且本身还具有乙酰化转移酶的活性，参与染 色质的重塑和基因转录的调控。辅抑制因子核受体中的视黄酸受体、甲状腺素受体等在无配体结合时，也能与DNA上 相应反应元件结合，不过这时与核受体结合的不是辅激活因子而是辅抑制因子，对基因 的转录起抑制作用。其机理是使组蛋白脱乙酰基，以加强组蛋白与DNA的结合，使染色 质重趋紧密化而不利于转录。另外，核受体与辅抑制因子结合的区域，也正是辅激活因 子所识别和结合的区域，即辅抑制因子可排斥辅激活因子与核受体的结合。辅抑制因子

26、 NCoR(nuclear corepressor receptor)及 SMRT (silencing mediator for retinoid and thyroid hormone receptors)均可特异地与甲状腺素受体及视黄酸受体相结合，以抑制基 因的转录。NCoR / SMRT常与转录抑制因子Sin3A配合，汇集另一类辅抑制因子HDAC(组 蛋白脱乙酰基酶，histone deacetylase)及其他相关蛋白形成“抑制复合体”，达到转录抑 制的效果。当核受体一旦与相应激素或配体结合时，受体的构象改变，使NCoR / Slx/IRT等辅抑制因子脱离核受体，而代之以SRC-1、

27、CBP2p300等辅激活因子与核受体结合，从 而激活基因的转录。中介因子(mediators)中介因子 是一类能与转录因子相互作用，影响转录因子功能的蛋白质复合体。这些复 合体一般由718个亚基组成。中介因子既可激活基因转录又可抑制基因转录，各种中 介因子在基因转录调控中的作用不尽相同。中介因子DRIP、ARC、CRSP、SUR2的主要激活基因转录，可能是通过与转录因子和RNA 聚合酶H的相互作用而在转录前起始复合体的形成上起桥梁的作用，并可能通过辅助TF II H对RNA聚合酶H CTD的磷酸化促进转录的延伸。NAT可以抑制转录，抑制效应可能是通过其亚基Cdk8实现的，Cdk8使TFHH的H

28、亚基 磷酸化，抑制TF HH对对RNA聚合酶H CTD的磷酸化转录*。而TRAP/SMCC在不同 条件下既可以活化转录，又可以抑制转录。基因转录的延伸和终止在延伸因子(elongation factor)如 TFHF、ELL、elongin、S H、TF H H、P-TEFb 等)作用下， RNA聚合酶H转录起始复合物脱离转录起始位点顺着转录出的RNA链开始延伸。这些 因子的作用各有不同，但大多数是通过增强聚合酶克服其延伸阻力来调控转录的延伸。 SH:激活RNA聚合酶H的3 5核酸酶活性，使暂停的RNA聚合酶继续延伸； ELL和elongin抑制聚合酶的暂停作用；TFHH和P-TEFb则通过磷

29、酸化作用修饰RNA聚合酶促进延伸)。真核基因转录终止的机制还不清楚。主要是在某种机制的作用下，RNA聚合酶延伸复合 物脱离模板，而不是RNA聚合酶指导的RNA合成停止。然后，转录本在3,下游再经一 类蛋白质因子等特异性内切酶的作用，使RNA链在连接多聚核昔接尾处断裂。真核基因转录后调控：指基因转录起始后对转录产物进行一系列修饰、加工的过程，主 要包括转录的提前终止、mRNA的剪接和加工、RNA出核及胞质内定位的调控、RNA编 辑、mRNA的稳定性、小RNA对基因表达抑制的调控等多个环节。转录后调控可以使遗 传信息有更加多样的选择性。(一)转录的提前终止(transcription attenu

30、ation)真核生物的转录提前终止可以有很多不同的机制。可能由于DNA双螺旋的模板链受到 压缩核小体结构影响、DNA双螺旋结构弯曲，或者沉默子和其他负性元件形成DNA链 的环状结构的影响等，使转录起始复合物被迫停止在一定的位置上，转录链终止。真核细胞转录提前终止产生的RNA片段可能像选择性剪接错误(见后述)产生的无意义 RNA 一样被降解。因而也构成基因表达调控的一种机制。(二)mRNA的选择性剪接真核生物刚转录生成RNA是一个单顺反子mRNA的前体(pre-mRNA)，经过剪接(splicing) 移除含内子(introns)片段并连接(exons)片段后才成为成熟的mRNA (简作mRNA

31、)。. RNA的剪接方式在剪接过程中，剪接体依次删除mRNA前体中的所有内含子的“规范”的剪接方式称为 常规剪接(constitutive splicing);然而有约40%60%的基因存在不同的剪接方式，称为变 位剪接(alternative RNA splicing,又称选择性剪接或可变剪接)。对于小内含子基因，剪接因子识别内含子两侧的剪接位点形成剪接复合体，称为内含子 界定(intron definition)；对于大内含子基因，剪接因子寻找外显子两侧相匹配的3和5 剪接位点形成剪接复合体称为外显子界定(exon definition)。变位剪接，使得同一基因可以产生产生多种不同类型的m

32、RNA转录产物，编码具有各种 功能的蛋白质，增加蛋白质的多样性及生物功能的复杂性。Ekofi esHiip口卜门口Mutu-allv oxclusfvc LlnKcoiwE.选择性剪接的调控mRNA的剪接是基于对剪接位点的识别，剪接体（spliceosome）完成。Spliceosome = 5 snRNAs （U1, U2, U4. U5,U6） + 200 proteins=5 snRNPs （小核 RNA-蛋白质颗 粒）+ 50 proteins这些蛋白质因子有富含精氨酸和丝氨酸的SR蛋白和非SR蛋白，包括hnRNP、RNA螺旋 酶、激酶等。选择性剪接位点选择机制与基本剪接机制是紧密联系

33、的，剪接体中的剪接 因子也参与了对选择性剪接的调控。剪接位点的选择受许多顺式元件和反式因子的调控，顺式元件可以位于外显子内或内含 子内，反式因子可以通过识别正性（剪接增强子）或负性（剪接沉默子）的顺式元件对 不同的剪接位点进行选择。调控选择性剪接的反式因子也包括：基本剪接因子和特异性 剪接因子两类。基本剪接因子间的协同作用和拮抗作用以及相对丰度的改变可以影响剪接位点的选择； 特异性剪接因子可以调控特异的剪接过程。RNA剪接的顺式元件和反式因子：剪接复合体在pre-mRNA形成的系列复合过程shRnP,srflNP,srfqNPsrRNRsnRNPB 3H甲版Exon I&3noh R?lypy

34、rimidine * splice site point traci/IH complexZB iYlshRnP,srflNP,srfqNPsrRNRsnRNPB 3H甲版Exon I&3noh R?lypyrimidine * splice site point traci/IH complexZB iYlAl BEInrtrondollnHlon eonipl&xjeBQ-(A；IAC SURA GW(三)RNA出核和转运调控在哺乳动物中，被转运出核的RNA仅占生成RNA总数的1/20,大多数RNA都被剪接加工，其碎片(被切除的内含子，RNA 3端或poly(A)的序列)、加工不完全的RN

35、A和被破 坏的RNA均在细胞核内被外切体复合物(exosome complex)降解。外切体的核心是一个由六个亚基组成的环状结构，外围的亚基都结合在这一环状结构上。外切体包含一些不同的核酸内切酶亚单位，可以降解不同的RNA。RNA分子的出核转运是在对mRNA加工完成后进行的。因此任何阻碍RNA剪接完成的 机制都将成为RNA出核的障碍。(四)RNA编辑RNA编辑指除剪接以外的导致RNA序列发生改变的过程。RNA编辑可以导致碱基删除 (delition)、插入(加0内。川或嵌合体(chimera)RNA的形成，或碱基改变等变化。RNA编辑 反应是由一些被称为指导RNAs (guide RNAs，g

36、RNAs)的小分子RNA所介导的。uuuuTernknal U tranleras (TUTasc) orSxonucleasChimera tarmjiMoHDeielloni 卜 U)IniSriion uuuuTernknal U tranleras (TUTasc) orSxonucleasChimera tarmjiMoHDeielloni 卜 U)IniSriion (*U)三、真核基因mRNA与翻译水平调控：蛋白质的生物合成即翻译包括肽链合成的起始、 延伸和终止3个阶段。其中翻译起始的调控最为重要。真核生物的翻译需要大量的因子 参与，mRNA特异性因子解旋mRNA5末端，40S核

37、糖体沿mRNA滑动等决定了翻译相 关因子的磷酸化控制蛋白质起始作用，mRNA的结构和稳定性也与翻译调控密切相关。(一)起始因子磷酸化真核生物在应激情况下，通过激活蛋白激酶使其起始因子(eIF2A, Eukaryotic translation initiation factor 2A)的磷酸化,在翻译水平调节基因的表达，这是一种重要的调节方式。eIF2A磷酸化后，除了对大多数mRNA翻译起抑制作用外，还能特异性激活某些mRNA 的翻译，合成特异的蛋白质，以调节靶基因的表达。这种调节机制在生物体中非常保守， 可能存在较广泛，是生物体适应环境变化并生存下来行之有效的手段之一。eIF2的磷酸化对翻译

38、的抑制作用当细胞受到饥饿、高温或病毒感染时，蛋白质合成速率就会下降，这主要通过蛋白激酶 对翻译起始因子eIF2磷酸化实现的。eIF2由3个亚单位组成，它可以在ATP的参与下与Met - tRNA特异结合。在蛋白质正常合成过程中，40S起始复合物滑动至起始密码AUG时，与60S亚单位核糖 体结合形成80S翻译起始复合物，进行肽链的合成和延伸，同时释放eIF2和GTP。eIF2 再次进入eIF2-GTP-Met-tRNAi复合物形成的循环中，继续进行翻译起始过程。当eIF2被蛋白激酶HRI磷酸化后，对GDP和eIF2B亲和力明显增高，抑制了 eIF2的再 循环，从而抑制了蛋白质的生物合成oeIF2

39、活性水平的调控对哺乳动物细胞尤其重要， 可以使其进入非增生的静止状态(G0期)。eIF4F的磷酸化对蛋白质合成速率的激活作用a亚单位eIF4FE最小(相对分子质量2.5X104),可直接与mRNA的5 m7G帽子结合， 又称帽子结合因子(cap binding factor)；Y亚单位p220最大(相对分子质量2.2X 105),可能在eIF3和40S核糖体亚单位相互作用 时为RNA和主要蛋白结合提供静电接触；B亚单位eIF4FA是依赖于RNA的ATP酶(相对分子质量4.4X104),可使eIF4FAlI更好地 结合在复合物上。正常翻译时，eIF4F与mRNA5 的m7G结合后，40S-eIF

40、2-GTP-Met-tRNAi复合物才能与 mRNA相连，进入翻译起始阶段。用蛋白激酶C(PKC)在体外将eIF4F磷酸化后，在高活 化的无细胞翻译体系中，其比活性可增高5倍。GCN4 mRNA翻译的调控典型的真核基因翻译起始于mRNA 5 末端第一个被核糖体小亚基扫描到的AUG。如果 识别位点非常贫乏，核糖体小亚基的扫描就会跳到mRNA上的第二个或第三个AUG密 码而忽略第一个AUG,这种现象被称为“扫描遗漏”(leaky scanning)。这种“扫描遗漏” 可以使从相同的mRNA中生成两种或更多的密切相一关的蛋白质，它们仅在氨基末端有 所不同。一些基因生成在氨基末端连有一个信号序列和无此序列的相做的蛋白质，使其 在细胞中有两个不同的定位。真核基因还可以通过一个或多个上游开放读码框(uORF, supstream open reading frames) 进行翻译调控。由uORFs编码的氨基酸序列通常并不重要，有些uORFs只具有调节功 能。如果在mRNA分子中出现一个uORF,正在扫描的核小体起始复合物就会在到达蛋 白质编码序列前与之结合，使核小体翻译uORF并与mRNA分离，从而抑制下游基因的