分子生物学第8章-基因的表达与调控(下)—真核基因表达调控一般规律-msm.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,8.1,真核基因表达调控相关概念和一般规律,8.1.1,基因表达的概念,8.1.2,真核基因的断裂结构,8.1.3,基因家族,8.1.4,真核基因表达调控一般规律,随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。,基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或,RNA,分子的过程，简单的讲就是,从DNA到蛋白质的过程称为,基因表达,（gene expression），对这个过程的调节就称为,基因表达调控,（gene regulation或gene control）。,8.1.1,基因表达的概念,八个特点：,1,、真核基因组庞大,2,、大量重复序列,3,、单顺反子,4,、断裂基因（基因是不连续的）,5,、大部分为非编码序列，,90%,以上。,6,、大量顺式作用元件,7,、大量的,DNA,多态性,8,、有端粒结构,真核生物基因组结构特点,原始转录体需要剪接去掉内含子，然后切点两侧的,RNA,重新连接，才具有连续编码的成熟,mRNA,。大多数真核基因的编码区是不连续的，由外显子和内含子交替排列是断裂的。,不同真核生物基因的平均长度及单个基因平均含有外显子数量比较,物 种,外显子数,/,基因,核基因平均长度,(kb),mRNA,平均长度,酵 母,1,1.6,1.6,真 菌,3,1.5,1.5,线 虫,4,4.0,3.0,果 蝇,4,11.3,2.7,鸡,9,13.9,2.4,哺乳类,7,16.6,2.2,哺乳动物二氢叶酸还原酶基因，全长,25-31kb,左右，但其,6,个外显子总长只有,2kb,（不到,10%,）。,2,、外显子与内含子的连接区,指外显子和内含子的交界或称边界序列，它有两个,重要特征,：,内含子的两端序列之间没有广泛的同源性,连接区序列很短，高度保守，是,RNA,剪接的信号序列,:,5,GTAG 3,（,GTAG,法则）,左剪接位点,右剪接位点,供体位点,受体位点,3,、外显子与内含子的可变调控,组成型剪接,：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一种成熟的,mRNA,。,选择性剪接,：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同,mRNA,。,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,，成套组合，将这些基因称为,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,),。,8.1.3,基因家族,更多时候，分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同染色体上，具有各自不同的表达调控模式。,1,、简单多基因家族,简单多基因家族中的基因一般,以串联方式前后相连,。,细菌中所有,rRNA,和部分,tRNA,都来自分子量为,30S,（约,6500,个核苷酸）的前,rRNA,。,30S,在真核生物中，前,rRNA,转录产物的沉降系数为,45S,，约有,14 000,个核苷酸，包括,18S,，,28S,和,5.8S,三个主要,rRNA,分子。,45S,100,处被甲基化,特异性,RNA,酶,2,、复杂多基因家族,复杂多基因家族一般由,几个相关基因家族,构成，基因家族之间由,间隔序列,隔开，并作为独立的转录单位。,现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。,Organization of histone genes in the animal genome,海胆组蛋白基因家族：,5,个,编码不同组蛋白的基因处于一个约为,6000bp,的片段中，分别被,间隔序列,所隔开。这,5,个基因组成的串联单位在整个海胆基因组中可能重复多达,1000,次。组蛋白只有在适合染色体复制的情况下才大量合成。,space,3,、发育调控的复杂多基因家族,在不同组织、细胞类型、时间表达的复杂的多基因家族中，如,珠蛋白,（,和,）,和免疫球蛋白,基因等属于不同时态表达的复杂的多基因家族。,血红蛋白,是所有动物体内输送分子氧的主要载体，由,22,组成的四聚体加上一个血红素辅基（,结合铁原子）后形成功能性血红蛋白。,已知所有动物物种中血红蛋白基因的基本结构都相同。但,在生物个体发育的不同阶段，却出现几种不同形式的,和,亚基。,人,-,珠蛋白基因的基本结构,珠蛋白基因族,所有动物血红蛋白基因的基本结构相同，但在个体发育不同时期却出现不同形式的亚基。人类发育阶段中血红蛋白组成的变化。,发育阶段,血红蛋白组成,胚胎期（,8,周前）,2,2,2,2,2,2,胎儿期,2,2,成年期,2,2,2,2,人类,11,号染色体上的,族基因,胚胎,胎儿,出生到成人,胚胎,胎儿和成人,人类,16,号染色体上的,族基因,人细胞中,和,-,珠蛋白基因簇结构示意图,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。,真核生物染色质被包裹在细胞核内，基因的转录（核内）和翻译（细胞质内）被核膜所隔开，,核内,RNA,的合成与转运，细胞质中,RNA,的剪接和加工,等都属于真核生物基因调控的范围。,8.1.5,真核基因表达调控一般规律,真核生物基因表达调控的特点：,真核生物与原核生物在基因表达调控上的巨大差别是由两者基本生活方式不同所决定的。,原核细胞,环境因素,对调控起,决定性的作用,。群体中每一个细胞对环境变化的反应是直接的和基本一致的。,真核细胞,基因表达调控最明显的特征是在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因,，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官保持正常功能。这是生命活动规律决定的，环境因素在其中作用不大。,真核基因表达调控一般规律,1,、,RNA,聚合酶（三种）,2,、多层次调控（,DNA-RNA-,蛋白质）,3,、个体发育的复杂性,4,、活性染色体结构变化：对核酸酶敏感、,DNA,拓扑,结构变化、,DNA,碱基修饰变化、组蛋白变化,5,、正性调节占主导,6,、转录与翻译间隔进行,7,、转录后修饰、加工,真核生物基因表达调控的特点,:,真核基因表达调控一般规律,真核生物基因表达调控分两大类：,第一类：瞬时调控或称可逆性调控,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升降时，或细胞周期不同阶段中酶活性的调节。,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,。,第二类：发育调控或称不可逆调控,真核基因表达调控一般规律,1,、,DNA,水平（或染色质水平）调控：,2,、转录水平调控：,transcriptional regulation,3,、转录后水平调控：,post-transcriptional regulation,包括：,RNA,加工成熟过程的调控,翻译水平的调控,蛋白质加工水平的调控,根据基因调控在同一事件中发生的先后顺序，真核基因表达调控水平可分为：,真核基因表达调控一般规律,研究基因调控主要回答三个问题：,1,、诱发基因转录的信号是什么？,2,、基因表达调控主要在哪一步实现的？,模板,DNA,的转录,mRNA,的成熟,蛋白质合成,3,、不同水平基因调控的分子机制什么？,真核基因表达调控一般规律,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差异：,P302,在真核细胞中，一条成熟的,mRNA,链只能翻译出一条多肽链（单顺反子）；,原核生物常见的是多顺反子。,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。,原核生物,DNA,基本是,裸露的,。,8.2,真核基因表达的转录水平调控,高等真核细胞,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。,原核生物基因是连续的，没有内含子。,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。,这种能力在原核生物是极为罕见的。,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，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5,上游区,DNA,构型来影响它与,RNA,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,RNA,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，即转录与翻译被核膜隔开；,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（,mRNA,）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。,原核生物,mRNA,不需要加工。,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,一个完整的基因，不但包括编码区（,coding region,），还包括,5,和,3,端长度不等的特异性序列，它们虽然不编码氨基酸，却在基因表达的过程中起着重要作用。,“基因”的分子生物学定义是：产生一条多肽链或功能,RNA,所必需的全部核苷酸序列。,8.2.1,真核基因的一般结构特征,真核基因调控主要在转录水平上进行，受大量特定的,顺式作用元件,（,cis-acting element,）和,反式作用因子,（,transacting factor,，又称跨域作用因子）调控。,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。,顺式作用元件,定义：影响,自身基因,表达活性的非编码,DNA,序列。,例：启动子、增强子、沉默子等调节序列,反式作用因子,能够结合在顺式作用元件上调控基因表达的蛋白质或者,RNA,。,1,、启动子,在,DNA,分子中，,RNA,聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。,真核基因启动子由,核心启动子,和,上游启动子,两个部分组成。,是在基因转录起始位点（,+1,）及其,5,上游大约,100,200bp,以内的一组具有独立功能的,DNA,序列，每个元件长度约为,7,20bp,，,是决定,RNA,聚合酶,II,转录起始点和转录频率的关键元件,。,核心启动子：,是指保证,RNA,聚合酶,II,转录正常起始所必需的、最少的,DNA,序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游,-25-30bp,处的,TATA,盒。,核心启动子确定转录起始位点并产生基础水平的转录。,上游启动子元件：,包括通常位于,-70bp,附近的,CAAT,盒（,CCAAT,）和,GC,盒（,GGGCGG,）等，,能通过,TFIID,复合物调节转录起始的频率，提高转录效率。,“,基因,”,的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能,RNA,所必需的全部核苷酸序列。,2,、转录模板,3,、,RNA,聚合酶,4,、,RNA,聚合酶,基础转录所需的蛋白质因子（,TF,）,从转录起始点到终止点的全部,DNA,序列。,能直接或间接与启动子核心序列,TATA,区特异结合，并启动转录的调节蛋白。由至少,10-12,个亚基组成。其中最大亚基的羧基端含有,7,个氨基酸残基（,Y-S-P-T-S-P-S,）组成的多磷酸化位点重复序列，称为羧基末端结构域（,CTD,）。,TF A,、,B,、,D,、,E,、,F,、,J,、,H,等。（需要,20,种以上蛋白质因子结合形成转录起始复合物）。,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,SV40,早期基因的上游，有两个长,72bp,的正向重复序列。,8.2.2,增强子及其对转录的影响,增强子特点：,增强效应十分明显,，一般能使基因转录频率增加10-200倍；,增强效应与其位置和取向无关,，不论增强子以什么方向排列（53或35），甚至和靶基因相距3,kb，,或在靶基因下游，均表现出增强效应；,大多为重复序列，,一般长约50,bp，,适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有一个核心序列：（,G）TGGA/TA/TA/T（G），,该序列是产生增强效应时所必需的；,增强效应有严密的组织和细胞特异性,，说明增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作用才能发挥其功能；,没有基因专一性,，可以在不同的基因组合上表现增强效应；,许多增强子还受外部信号的调控,，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。,SV40,的转录单元上发现，转录起始位点上游约,200 bp,处有两段长,72 bp,的正向重复序列。,增强子可能有如下,3,种作用机制：,影响模板附近,DNA,双螺旋结构,，导致,DNA,双螺旋弯折或在反式因子的参与下，以蛋白质之间的相互作用为媒介形成增强子与启动子之间“成环”连接，活化基因转录。,将模板固定在细胞核内特定位置，,如连接在核基质上，有利于,DNA,拓扑异构酶改变,DNA,双螺旋结构的张力，促进,RNA,聚合酶,在,DNA,链上的结合和滑动。,增强子区可以作为反式作用因子或,RNA,聚合酶,进入染色质结构的“入口”,。,增强子作用机理：,8.2.3,反式作用因子,在真核基因转录调控过程中，除了启动子、增强子等顺式作用元件外，还需要反式作用因子。,反式作用因子（转录因子）：,反式作用因子是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率,的蛋白质。,TFD,（,TATA,）、,CTF,（,CAAT,）、,SP1,（,GGGCGG,）、,HSF,（热激蛋白启动区）,真核生物中转录因子活性调节的主要方式,转录复合物中，根据各个蛋白质成分在转录中的作用，可将整个转录复合物分为,3,部分：,参与所有或某些转录阶段的,RNA,聚合酶亚基,，不具有基因特异性。,与转录的起始或终止有关的,辅助因子,，不具基因特异性。,与特异调控序列结合的转录因子。是某个（类）基因转录必须的。,转录起始复合物,转录因子有两种独立的活性：,首先它们特异地与,DNA,结合位点相结合，然后激活转录。这些活性可以独立分配给特定的蛋白结构域，分别称作,DNA,识别或结合结构域,和,转录活化结构域,。,转录激活功能是与其,DNA,结合活性相分离的，它们在蛋白质的不同区域。,1,、,DNA,识别或结合结构域：,螺旋,-,转折,-,螺旋（,Helix-turn-helix,，,H-T-H）,锌指结构,（,zinc finger）,碱性,-,亮氨酸拉链（,basic-leucine zipper,）,碱性,-,螺旋,-,环,-,螺旋（,basic helix/loop/helix,，,bHLH）,同源域蛋白,（,1,）螺旋,-,转折,-,螺旋,(H-T-H),这类蛋白质分子中至少有两个,螺旋，中间由短侧连氨基酸残基形成“转折”，近羧基端的,螺旋中氨基酸残基的替换会影响该蛋白质在,DNA,双螺旋大沟中的结合。,1,、螺旋,-,转折,-,螺旋,(2),锌指结构,定义：,是一种常出现在,DNA,结合蛋白中的结构基元（,motif,）。通常是由一个含有大约,30,个氨基酸的环和一个与环上的,4,个,Cys,或,2,个,Cys,和,2,个,His,配位的,Zn,构成,，形成的结构像手指状。,锌指,结构,：,包括锌指、锌钮和锌簇结构，有锌参与时才具备转录调控活性。与DNA的结合较为牢固，特异性也很高。,锌指结构,配位键,2-9,个,定义：是一种常出现在,DNA,结合蛋白中的结构基元。,由一个含有大约,30,个氨基酸的环和一个与环上的,4,个,Cys,或,2,个,Cys,和,2,个,His,配位的,Zn,构成，形成的结构像手指状。,目前已确认三种类型锌指结构：,第一类,C,2,H,2,锌指结构：,一致序列为：,Cys,X,2-4,Cys,X,3,PheX,5,LeuX,2,His,X,3,His,(X,为任意氨基酸,),C,2,H,2,锌指结构是真核转录因子最常见的,DNA,结合基元。,如：,SP1,、,TF,A,转录因子。,锌指与,DNA,结合,转录因子,SP1,（,GC,盒）,连续的,3,个锌指重复结构。,Cys,2,/Cys,2,锌指,Cys,2,/His,2,锌指,见于,甾体激素受体,见于,SP1,，,TF A,等,第二类为,C,4,锌指结构：,一致序列：,Cys,X,2,Cys,X,13,Cys,X,2,Cys,X,14-15,Cys,X,5,Cys,X,9,Cys,X,2,Cys,每,4,个,Cys,结合一个,Zn,2+,，故而得名。,这一结构常形成,2,个锌指。,类固醇激素受体家族,：,含有连续的,两个锌指结构,，以同源或异源性二聚体的方式将,两个螺旋,结合在相邻的两个大沟中。,第三类为,C,6,锌指结构：,一致序列：,Cys,X,2,Cys,X,6,Cys,X,5-6,Cys,X,2,Cys,X,6,Cys,6,个,Cys,结合,2,个,Zn,2+,，将这段肽链折叠成,紧密的球状结构。,（,3,）碱性,-,亮氨酸拉链,bZIP,结构,。出现在,DNA,结合蛋白和其它蛋白质中的一种结构基元。蛋白中,每隔,6,个氨基酸就有一个亮氨酸，导致第,7,个亮氨酸残基都在,-,螺旋的同一方向出现,。,两条肽链以,-,螺旋上的亮氨酸残基一侧形成的疏水键相互作用，形成拉链型二聚体。,但亮氨酸拉链区并不能结合,DNA,，而是,肽链氨基端的,20-30,个碱性氨基酸结构域与,DNA,结合,。,这类蛋白质的,DNA,结合结构域实际是以碱性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。,（,4,）碱性,-,螺旋,-,环,-,螺旋（,bHLH,）,蛋白质的,氨基端则是碱性区,，其,DNA,结合特性与亮氨酸拉链类蛋白相似。,结构特点与,bZip,相似，只是,两个,螺旋结构之间多了一段非螺旋连接区,(,环,),，故称螺旋环螺旋。,bHLH,类蛋白只有形成,同源或异源二聚体,时，才具,有,足够的,DNA,结合能力,。当这类异源二聚体中的一方不含有碱性区时，该二聚体明显缺乏对靶,DNA,的亲和力。,bHLH,蛋白的,DNA,结合能力分析,不含有碱性区时，,缺乏对靶,DNA,的亲和力。,在真核生物中，反式作用因子的功能由于受蛋白质,-,蛋白质之间相互作用的调节变得精密、复杂，完整的转录调控功能通常以复合物的方式来完成，这就意味着,并非每个转录因子都直接与,DNA,结合,。因此，,是否具有转录活化域就成为反式作用因子中唯一的结构基础,。,反式作用因子功能具有多样性，其转录活化域也有多种，通常依赖于,DNA,结合结构域以外的,30-100,个氨基酸残基,。,2.,转录活化结构域,不同的转录活化域有下列特征性结构：,（,1,）带负电的螺旋结构：,其特点是,含有较多的负电荷,，并能形成亲脂性,-,螺旋。如糖皮质激素受体,AP1,家族的,Jun,及,GAL4,有酸性的螺旋结构，能,与,TFIID,复合物中某个通用因子或,RNA,聚合酶,II,本身结合，并有稳定转录起始复合物的作用。,（,2,）富含谷氨酰胺结构域：,结合,GC,盒的,Sp1,转录因子有,4,个转录活化域，都位于,DNA,结合区之外，其中两个富含,Gln,（,25%,）。,（,3,）富含脯氨酸结构域：,识别并结合,CAAT,盒的转录因子,CTF-NF1,（含,20-30%,）,真核基因转录调节是复杂的、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用因子复杂的相互作用来实现的。,8.3.1,真核生物,DNA,水平上的基因表达调控,在个体发育过程中，,DNA,会发生规律性变化，从而控制基因表达和个体的发育。,DNA,水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、重排和移位等。,这与转录和翻译水平的调控是不同的，因为它使基因组发生了改变。,按功能状态的不同可将染色质分为,活性染色质和非活性染色质：,活性染色质是指具有转录活性的染色质；,非活性染色质是指没有转录活性的染色质。,活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有,疏松的染色质结构,从而便于转录调控因子与顺式作用元件结合和,RNA,聚合酶在转录模板上滑动。,1,、“开放”型活性染色质结构对转录的影响,真核细胞中,基因转录的模板是染色质,而不是裸露的,DNA，,因此染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于活化状态是决定,RNA,聚合酶能否有效行使转录功能的关键。,活性染色质的主要特点,在结构上：,活性染色质上具有,DNaseI,超敏感位点,(5,端）,活性染色质上具有,基因座控制区,活性染色质上具有,核基质结合区（,MAR,序列）,A,B,A“,灯刷型”染色体,B,存在于“活性”染色质区的,DNA,环状结构,2,、基因扩增：,基因扩增,是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它使细胞在,短期内产生大量的基因产物,以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。,举例：,非洲爪蟾的卵母细胞中原有,rRNA,基因（,rDNA,）约,500,个拷贝，在减数分裂粗线期，基因开始迅速复制，到双线期拷贝数约为,200,万个，扩增近,4000,倍，可用于合成,10,12,个核糖体。,非洲爪蟾的卵母细胞中,rDNA,的基因扩增,是因发育需要而出现的基因扩增现象,。,基因组拷贝数增加，即,多倍性，,在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。,DNA,拷贝数,在发育或系统发生中的倍性增加在植物中普遍存在,将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为,基因重排,。,通过基因重排调节基因活性的典型例子是,免疫球蛋白结构基因,和,T,细胞受体,的表达。前者是有,B,淋巴细胞合成，后者由,T-,淋巴细胞合成。,3,、基因重排与变换：,V,、,C,、,J,区在胚胎期细胞中相距较远，细胞发育分化时，免疫球蛋白重链基因,DNA,重排,。,免疫球蛋白的肽链主要由可变区（,V,区）、恒定区（,C,区）以及两者之间的连接区（,J,区）组成，,V,、,C,和,J,基因片段在胚胎细胞中相隔较远,。,编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，,通过染色体内,DNA,重组把,4,个相隔较远的基因片段连接在一起,，产生具有表达活性的免疫球蛋白基因。,免疫球蛋白,免疫球蛋白重链基因片段重排,V,V,免疫球蛋白轻链（,链）基因片段重排,免疫球蛋白重链基因片段重排与组织特异性表达,8.3.2 DNA,甲基化与基因活性的调控,DNA,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体中。,与基因表达调控密切相关。大量研究表明，,DNA,甲基化关闭某些基因的活性，去甲基化诱导基因的重新活化和表达。,1,、,DNA,的甲基化,DNA,甲基化能引起,染色质结构、,DNA,构象、,DNA,稳定性及,DNA,与蛋白质相互作用方式的改变,，从而控制基因表达。研究证实，,CpG,二核苷酸中胞嘧啶的甲基化导致了人体,1/3,以上由于碱基转换而引起的遗传病。,DNA,甲基化主要形成,5-,甲基胞嘧啶（,5-mC,）和少量的,N6-,甲基腺嘌呤（,N,6,-mA,）及,7-,甲基鸟嘌呤（,7-mG,）,。,DNA,的甲基化的位点：,5-,甲基胞嘧啶（,5-mC,）和,少量,N6-,甲基腺嘌呤（,N6-mA,）及,7-,甲基鸟嘌呤（,7-mG,）,在真核生物中，,5-,甲基胞嘧啶主要出现在,CpG,序列、,CpXpG,、,CCA/TGG,和,GATC,中,。,CpG,二核苷酸通常成串出现在,DNA,上，称,CpG,岛,。,真核生物细胞内存在,两种甲基化酶活性,：,1.,日常型甲基转移酶,在甲基化母链指导下使处于半甲基化的,DNA,双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。,2.,从头合成型甲基转移酶,催化未甲基化的,CpG,成为,mCpG,它不需要母链指导，但速度很慢。,DNA,甲基化,DNA,构象变化,导致,影响,蛋白质与,DNA,的作用,抑制,转录因子与启动区,DNA,的结合,2,、,DNA,甲基化抑制基因转录的机理,DNA,甲基化导致某些区域,DNA,构象变化，从而影响了蛋白质与,DNA,的相互作用，抑制了转录因子与启动区,DNA,的结合效率。,DNA,甲基化抑制基因转录的机理,对于弱启动子来说，稀少的甲基化就能使基因完全失去转录活性。,当这一类启动子被增强时（带有增强子），即使不去甲基化也可以恢复其转录活性。,若进一步提高甲基化密度，即使增强后的启动子仍无转录活性,。,DNA,甲基化抑制基因转录,启动子强度 甲基化 低密度 高密度,3,、,DNA,甲基化与,X,染色体失活,雌性哺乳动物体细胞的两条,X,染色体中会有一条发生随机失活，这是一种基因剂量补偿的机制。,以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中，有一条,X,染色体是完全失活并呈异染色质状态，而另一个细胞谱系中同一条,X,染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。,X,染色体的,Xq13.3,区段有一个,X,失活中心（,X-inaction center,，,Xic,），,X-,失活从,Xic,区段开始启动，然后扩展到整条染色体。,失活的染色体上绝大所数基因处于关闭状态，,DNA,序列高度甲基化。,X,染色体失活过程模式图,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。,8.3.3,组蛋白的乙酰化对基因表达的影响,核小体的组成：,DNA,：约,200bp,组蛋白：,H1,、,H2A,，,H2B,H3,、,H4,2.,核心组蛋白的乙酰化与去乙酰化,3.,组蛋白乙酰基转移酶（,HAT,）,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。,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,。,目前研究比较深入的是人类中的,HDAC1,和酵母中的,Rpd3,。它们都形成很大的复合体发挥作用。,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。,组蛋白去乙酰化与基因活性的阻遏有关。,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。,5.,组蛋白乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响,8.5.1,蛋白质磷酸化对基因转录的调控,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”,，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。,8.5,真核基因其他水平的表达调控,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,：,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；,配体与细胞膜受体结合，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。,蛋白质的磷酸化反应是指通过酶促反应把磷酸基团从一个化合物转移到另一个化合物上的过程,是生物体内存在的一种普遍的调节方式，在细胞信号的传递过程中占有极其重要的地位。,蛋白质磷酸化与基因表达,蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作用,糖代谢,光合作用,细胞的生长发育,神经递质的合成与释放,癌变,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。,目前为止，已发现蛋白激酶,(PK),基因,2000,余个；,蛋白质去磷酸化酶基因约,1000,个。,根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基不同，,PK,可分为,3,大类：,丝氨酸,/,苏氨酸型；酪氨酸型；组氨酸型。,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,（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,。,蛋白质磷酸化和,GTP,结合蛋白参与的信号转导过程,蛋白磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把,ATP,或,GTP,上,位的磷酸基转移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，称为蛋白质脱磷酸化。,单细胞生物,直接作出反应,多细胞生物,通过细胞间复杂的信号传递系统来传递信息，从而调控机体活动。,外界环境变化时,蛋白质磷酸化对基因转录的调控,跨膜信号转导的一般步骤,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应,细胞间信息物质,是,由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质的统称，,又称作第一信使。,如生长因子、细胞因子、胰岛素等,在细胞内传递信息的小分子物质，如：,Ca,2+,、,IP,3,、,DAG,、,cAMP,、,cGMP,等。,第二信使,(secondary messenger),能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称配体。,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，个别是糖脂。,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,。,1,、膜受体,G,蛋白偶联受体,又称七个跨膜,螺旋受体,/,蛇型受体,G,蛋白,(guanylate binding protein),是一类和,GTP,或,GDP,相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由,、,三个亚基组成。,有两种构象：,非活化型：,-GDP,、,活化型：,-GTP,两种,G,蛋白的活性型和非活性型的互变,霍乱毒素能催化,ADP,核糖基共价结合到,Gs,的,亚基上，致使,亚基丧失,GTP,酶的活性，结果,GTP,永久结合在,Gs,的,亚基上，使,亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内,Na+,和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。,2,、胞内受体,高度可变区,位于,N,端，具有转录活性,DNA,结合区,含有锌指结构,激素结合区,位于,C,端，结合激素、热休克蛋白，使受体二聚化，激活转录,配体,：类固醇激素、甲状腺素等,功 能,：多为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与,DNA,的顺式作用元件结合，调节基因转录。,真核细胞跨膜信号传导途径,受体分子活化细胞功能的途径：,1.,受体,/,受体结合蛋白具有内源蛋白激酶活性,2.,配体与细胞表面受体结合，通过,G,蛋白介导,蛋白激酶（,PK,）分类：,根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸殘基种类分：,（,1,）丝氨酸,/,苏氨酸型,（,2,）酪氨酸型,（,3,）组氨酸型,根据是否有调节物参与蛋白激酶活性分：,（,1,）信使依赖型,（,2,）非信使依赖型,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。,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。,在不同的细胞中，,A,激酶的反应底物不一样,，所以，,cAMP,能在不同靶细胞中诱发不同的反应,。,1.,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,.,cAMP,调控的,A,激酶活性,PKA,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。,cAMP,活化糖原磷酸化酶示意图,Glycogen breakdown in skeletal muscle,肾上腺素受体,肾上腺素,受体,Gs,Gsa,ACi,ACa,ATP,cAMP,cAMP,PKA,磷酸化酶激酶,b,磷酸化酶激酶,a,ATP,磷酸化酶,b,磷酸化酶,a,磷蛋白磷酸酶,抑制物,Ia,抑制物,Ib,磷蛋白,磷酸酶,Pi,PKA,cAMP,ATP,Pi,H,2,O,磷蛋白,磷酸酶,Pi,Ca,2+,AMP,G,ATP,ATP,PKA,糖原合成酶,a,糖原合成酶,b,ATP,受,cAMP,调控的基因中，在其转录调控区有一共同的,DNA,序列,(TGACGTCA),，称为,cAMP,应答元件,(cAMP response element,CRE),。,可与,cAMP,应答元件结合蛋白,(,cAMP response element bound protein,CREB,),相互作用而调节此基因的转录。,cAMP,介导的转录因子磷酸化对基因表达的调节作用,cAMP,激活,PKA,活化的,PKA,进入细胞核,CREB,(,Ser Thr,),磷酸化,CREB,形成,同源二聚体,与,DNA,的,CRE,结合,激活受,CRE,调控的基因,cAMP-PKA,调控基因表达机制：,cAMP,信号与基因表达,cAMP-PKA,信号途径的信息传递过程：,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,基因调控蛋白磷酸化,基因活化转录。,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,底物蛋白磷酸化,代谢调控作用（生物学效应）。,促进糖原分解,抑制糖原合成,促进脂肪动员,2.,C,激酶与,PIP,2,、,IP,3,和,DAG,（,Ca,2+,磷脂依赖性蛋白激酶途径）,该蛋白激酶活性是依赖于,Ca,2+,的，故称,C,激酶（,PKC,）。,第二信使 三磷酸肌醇,(,肌醇,-1,4,5,三磷酸，,IP,3,),二脂酰甘油,(DAG),激活蛋白激酶,C(protein kinase C,PKC),PIP,2,PLC,DAG +IP,DAG,和,IP,是该途径的主要活性分子,。,IP3,引起细胞质,Ca,2+,浓度升高，导致,C,激酶从胞质转运到靠近原生质膜内侧处，并被,DAG,和,Ca,2+,的双重影响所激活。,DAG,提高了,C,激酶对于,Ca,2+,的亲和力,。,C,激酶,是一个,7.710,4,的蛋白质，主要实施对丝氨酸、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,DAG,结合以后还能解除调节区所造成的抑制作用，提高酶活性。,4,，,5-,二磷酸磷脂酰肌醇（,PIP2,）,磷脂酶,C,（,PLC-,）,1,，,4,，,5-,三磷酸肌醇（,IP3,）,二酰基甘油（,DAG,）,Ca,2+,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,Ca,2+,水平。,3.CaM,激酶及,MAP,激酶,钙调蛋白,(calmodulin,CaM),结构：,CaM,是一条多肽链组成的单体蛋白，有,4,个,Ca,2,结合位点，当胞浆,Ca,2,浓度,10,2,mmol/L,时，,Ca,2,与,CaM,结合，,CaM,构象发生改变而激活,CaM,激酶。,MAP,激酶（,MAP-kinase,，,MAPK,，,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,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（,MAPKK,）,，它的反应底物是,MAP,激酶（,MAPK,）。,MAP-,激酶,-,激酶本身能被,MAP-,激酶,-,激酶,-,激酶（,MAPKKK,）,所磷酸化激活，后者能同