郜刚分子生物学-14-真核基因表达调控-3-蛋白质磷酸化对基因转录的调控课件

1、8.3蛋白质磷酸化与基因转录调控本节重点：A激酶信号传递与基因表达C激酶信号传递与基因表达第08章 真核生物基因表达的调控 (Control of Eukaryotic Gene Exepression )郜刚分子生物学讲义山西师范大学生命科学学院1、细胞应答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DNARNA蛋白质的遗传信息传递过程。细胞信号发放（c

2、ell signaling），细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。细胞通讯（cell communication）指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。细胞识别（cell recognition）指细胞与细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，从而引起细胞反应的现象信号转导（signal transduction） 指外界信号（如光、电、化学分子）与细胞细胞表面受体作用，通过影响细胞内信使的水平变化，进而引起细胞应答反应的一系列过程。信号转导的复习信号转导细胞外刺激信号作用于细胞的特殊结构，通过一系列反应实现对细胞功能活动的调控。1、细胞外刺激信号：胞外信息分子：

3、配体 一般为生物活性物质： 神经递质、激素、细胞因子等， 多数为水溶性物质2、受体(receptor)概念：位于细胞膜或细胞内能与某些信号物质（激素，神经递质，抗原细胞粘附分子、药物毒素）结合并能引起特定生物效应的大分子化学本质：多为蛋白质，个别是糖脂受体与配体结合的特点： (1) 特异性：高亲和力的空间结构互补 (2) 可逆性：以非共价键（H键、离子键、VDW力）结合 (3) 饱和性：受体数目有限 (4) 传递信息： 将二者相互作用产生的信息传递到第二信使或效应器上，如酶、离子通道等受体的结构与功能型名称举例在信息传递增中的作用膜受体I1.离子通道型2。配体门控离了通道型1,n-Ach受体2

4、.GABA-A（r-氨基丁酸-A型受体）快速反应神经递质受体配受体结合受体变构离子通道II1.G蛋白效应蛋白型受体2.G蛋白偶联型受体1.m-Ach受体2.激素激素和慢反应神经递质信息物质受体结合受体变构激活效应蛋白（酶或其它功能蛋白质）酶催化生成一些小分子物质（第二信使）后者入胞产生效应III1.酪氨酸蛋白激酶型受体1.胰岛素2.各种生长因子受体本身激酶活性控制蛋白磷酸化产生生物效应核受体IV1.DNA转录调节型受体2.转录因子型受体位于可溶性胞浆或核内，又称核受体受体激活直接影响DNA转录效应时程需数天或更长三类膜受体page308G蛋白GTP结合蛋白或GTP结合调节蛋白，广泛存在于各种组

5、织细胞膜上。是（G蛋白偶联）受体与效应酶（酶或离子通道）之间的中介物质，是一种酶G蛋白均通过第二信使引起级联反应，产生生物效应。配体与受体结合后，通过G蛋白，才能将信号传递到效应系统G蛋白的结构及功能G蛋白种类繁多，结构相似，都是膜蛋白，都由3个基组成，不同G蛋白不同， 相同（似），互换不影响G蛋白功能。 ：MW3946KD，含GTP、GDP受体3个结合位点，有GTPase活性，可水解GTPGDPPi，是决定G蛋白功能亚基。 35KD 与 10KD：常组成紧密二聚体，其主要功能是调节亚基活性在某些细胞也直接参入效应酶的调节G蛋白类型兴奋性G蛋白（Gs）：能激活腺苷酸环化酶（AC）使 cAMP增

6、加抑制性G蛋白（Gi)：能抑制腺苷酸环化酶（AC）使 cAMP减少Gplc介导磷脂酶C（PLC）水解肌醇脂质，生成IP3和DG。Gpla介导磷脂酶A2（PLA）促使肌醇脂质释放花生四烯酸合成前列腺素。Gt-r存在视网膜视锥细胞，偶联光受体（视紫红质与cGMP-PDE）Gt-c-存在视网膜杆细胞，功能同Gt- rGo-从鱼脑中取得，有传递神经冲动和调节神经元Ca+及K+通讯功能；它只能被百日咳毒素ADP-核糖化，即百日咳毒素可阻断Go参入的各种功能活动。GP-从血小板、胎盘及人脑细胞膜中分离所得，其亚基分子为2124KD，可被百日咳毒素所抑制，并参与磷脂酶的活化第一信使、第二信使、第三信使脂溶性

7、信号分子，如甾类激素和甲状腺素，可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。水溶性信号分子，如神经递质、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger），而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使（secondary messenger）。第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG），Ca2+被称为第三信使是因为其释放有赖于第二信使。Ca2+Ca2+是细胞功

8、能调节最重要的阳离子。胞外Ca2+浓度高出细胞内1万倍，当细胞接受外来信号刺激后，胞内钙迅速上升，钙迸发是由于IP3、TxA2（花生四烯酸（AA）代谢产物血栓烷A2）使胞内钙库释放Ca2+ 受体活化，引发胞外钙入胞蛋白质的磷酸化与去磷酸化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page307真核细胞主要跨膜信号传导途径page309 第二信使 或 受体-配体 激活型G蛋白 激活的 G蛋白效应器 依赖于第二信使的酶或通道激活或抑制 生物效应 G蛋白 G蛋白效应器 配体 受体 G蛋白耦联受体介导的信号转导

9、的基本过程G蛋白作用模式相关链接：蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将 ATP 的 磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化（PAGE309）。根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基可分为激酶磷酸基团受体蛋白丝氨酸苏氨酸激酶page丝氨酸苏氨酸羟基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羟基蛋白组赖精氨酸激酶咪唑环，胍基，氨基蛋白半胱氨酸激酶巯基蛋白天冬氨酸谷氨酸激酶酰基蛋白激酶根据是否有调节物参与蛋白激酶活性可分为两大类：信使依赖型（又分胞内信使、调节因子依赖型和激素或生长因子依赖型）非信使依赖型8.3.1 受cAMP水平调控的A激酶A激酶信号转导与基因表达A激酶（PKA）：依赖于cAMP的蛋白激酶。

10、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。被A激酶磷酸化的氨基酸N端上游往往存在两个或两个以上碱性氨基酸（X-Arg-Arg-X-Ser-X） ，特定氨基酸的磷酸化改变了这一蛋白的酶活性。cAMP能在不同靶细胞中诱发不同的反应，因为在不同的细胞中，A激酶的反应底物不一样无活性蛋白激酶有活性蛋白激酶PCATPADPATPADP糖原磷酸化酶激活的糖原磷酸化酶糖原葡糖-1-磷酸A激酶活化其他蛋白激酶，再活化糖原磷酸化酶，发生糖酵解糖原代谢时，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

11、原磷酸化酶，最终将糖原磷酸化，进入糖酵解.过程并提供ATPA激酶信号转导与转录因子的激活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，其作用的顺式元件CRE （cAMP应答元件）位于基因的5端，一个或数个，CRE基本序列为TGACGTCA8.3.2 C激酶与PIP2、IP3和DAGC激酶与基因调控C激酶（PKC）：活性依赖于Ca2+的蛋白激酶。另外依赖于IP3、DAG。激发丝氨酸、苏氨酸的磷酸化，具有一个催化结构域和一个调节结构域。与DNA结合以后还能解除调节区所造成的抑制作用，提高酶活性。C激酶信号转导：激活SRE应答元件R外源配体L活性G蛋白磷酸酯酶ppppppDAGIP3

12、PIP2PIP2=磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸MAP=有丝分裂原活化蛋白激酶SRE=血清反应元件SRF=血清反应因子IkB=抑制性卡巴B蛋白NFkB=核因子卡巴B蛋白 MAPCa2+SRE元件SRF靶基因1MAPPKCNF-kB元件NF-kB靶基因1MAPIkBPNF-kB转录激活转录激活一石二鸟8.3.3 CaM激酶及MAP激酶Ca2+的细胞学功能主要通过钙调蛋白激酶（CaM-kinase）来实现的，它们也是一类丝氨酸/苏氨酸激酶，但仅应答于细胞内Ca2+水平。MAP激酶（MAP-kinase，ERKS）活性受许多外源细胞生长、分化因子的诱导。MAP-激酶活性取决于该蛋白中仅有一个氨基酸之隔的

13、酪氨酸、丝氨酸残基是否都被磷酸化。能同时催化这两个氨基酸残基磷酸化的酶被称为MAP-激酶-激酶，它的反应底物是MAP激酶。MAP-激酶-激酶本身能被MAP-激酶-激酶-激酶所磷酸化激活，后者能同时被C激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白等激活，从而在信息传导中发挥功能。8.3.4酪氨酸激酶（PTK）途径包括跨膜受体家族与胞质非受体家族两大类。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PTK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，还有数个前体所不具备的保守区。因为Sr

14、c亚家族非受体酪氨酸激酶以及许多PTK作用底物分子都存在被称为Src同源结构域（SH）的序列。所以又将激酶功能区称为SH1，而将另外两个区分别命名为SH2和SH3。SH2由约100个氨基酸残基组成，能与带有磷酸酪氨酸的蛋白质结合，SH3由约60个氨基酸残基组成，参与将前者定为于质膜内侧或与细胞骨架蛋白相互作用，与SH2结合无关。在正常细胞中，pp60c-Src上的Tyr527被磷酸化并以头尾相连的缔合方式折入同一分子的SH2结构域中，从而抑制了PTK活性。pp60c-Src与靶分子PI3激酶，rasGAP等的缔合作用均涉及pp60c-SrcSH2结构域与PI3激酶及rasGAP分子上酪氨酸磷酸

15、化区的结合。10/17/2022348.3.5蛋白质磷酸化与细胞分裂调控细胞通过p53及p21蛋白控制CDK（cyclin-dependent protein kinase）活性，调控细胞分裂的进程。P21蛋白过量时，大量周期蛋白（cyclin）E-CDK2复合物与P21蛋白相结合，使CDK2丧失磷酸化PRb蛋白的功能。没有被磷酸化的PRb蛋白与转录因子E2F相结合并使后者不能激活与DNA合成有关的酶，导致细胞不能由G1期进入S期，细胞分裂受阻。如果细胞中P53基因活性降低，P21蛋白含量急剧下降，周期蛋白E-CDK2复合物就能有效地将PRb蛋白磷酸化。此时，PRb蛋白不能与E2F相结合，后者发挥转录调控因子的作用， 激 活10/17/202236许多与DNA合成有关的基因表达，细胞从G1期进入S期，开始分裂。注意教材上这个图不好CDK活性受双重调控没有周期蛋白，CDK