分子與合成生物學(xué)

1、天津大學(xué)化工學(xué)院Different levels of protein production regulation 分子與合成生物學(xué)論文專業(yè)：制藥工程班級(jí)：一班學(xué)號(hào)：3010207307姓名：申海蛟 2012/11/7 題目：Different levels of protein production regulation一、 引言一切生命活動(dòng)都離不開蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的承擔(dān)者。蛋白質(zhì)的作用主要有以下幾點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)蛋白：是構(gòu)成細(xì)胞和生物體結(jié)構(gòu)的重要物質(zhì)，如肌肉、頭發(fā)等的成分； 2、催化作用：絕大多數(shù)酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)；3、運(yùn)輸作用：具有運(yùn)輸載體的功能，如血紅蛋白能運(yùn)輸氧；4、信息傳遞作用：

2、調(diào)節(jié)機(jī)體的生命活動(dòng)，如胰島素等激素；5、免疫功能：如人體內(nèi)的抗體。不同的蛋白質(zhì)有不同的作用，蛋白質(zhì)如此繁多的功能讓人體內(nèi)的蛋白質(zhì)數(shù)以十萬計(jì)，而構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種，那么如此之多的蛋白質(zhì)究竟是怎么來的，這就是本文主要討論的內(nèi)容。二、 正文右圖為中心法則的解析圖，清楚地表現(xiàn)了DNA、RNA和蛋白質(zhì)三者之間的聯(lián)系。由圖可知，蛋白質(zhì)的合成受RNA控制，RNA的數(shù)量決定了蛋白質(zhì)的數(shù)量，而RNA則是由DNA轉(zhuǎn)錄而來，所以說，基因的多樣性決定了蛋白質(zhì)的多樣性，但同時(shí)，蛋白質(zhì)又對(duì)基因的表達(dá)有調(diào)控作用，從而形成一個(gè)相互制約的系統(tǒng)維持人體的平衡。上圖是由DNA到有活性的蛋白質(zhì)的具體流程圖，需要表達(dá)的基因在

3、調(diào)控子的作用下轉(zhuǎn)錄出相關(guān)mRNA在核糖體內(nèi)合成多肽鏈，多肽鏈需要經(jīng)過修飾才能具有活性，以下將詳細(xì)講述蛋白質(zhì)修飾的相關(guān)內(nèi)容。1、 蛋白質(zhì)的折疊蛋白質(zhì)的基本單位為氨基酸，而蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指的就是其氨基酸序列，蛋白質(zhì)會(huì)由所含氨基酸殘基的親水性、疏水性、帶正電、帶負(fù)電等等特性通過殘基間的相互作用而折疊成一立體的三級(jí)結(jié)構(gòu)。雖然蛋白質(zhì)可在短時(shí)間中從一級(jí)結(jié)構(gòu)折疊至立體結(jié)構(gòu)，研究者卻無法在短時(shí)間中從氨基酸序列計(jì)算出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，甚至無法得到準(zhǔn)確的三維結(jié)構(gòu)。因此，研究蛋白質(zhì)折疊的過程，可以說是破譯“第二遺傳密碼”折疊密碼（folding code）的過程。蛋白質(zhì)折疊機(jī)制的理論模型框架模型假設(shè)蛋白質(zhì)的局部構(gòu)象依賴

4、于局部的氨基酸序列。在多肽鏈折疊過程的起始階段，先迅速形成不穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元； 稱為“flickering cluster”，隨后這些二級(jí)結(jié)構(gòu)靠近接觸，從而形成穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)框架；最后，二級(jí)結(jié)構(gòu)框架相互拼接，肽鏈逐漸緊縮，形成了蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。這個(gè)模型認(rèn)為即使是一個(gè)小分子的蛋白也可以一部分一部分的進(jìn)行折疊，其間形成的亞結(jié)構(gòu)域是折疊中間體的重要結(jié)構(gòu)。疏水塌縮模型在疏水塌縮模型中，疏水作用力被認(rèn)為是在蛋白質(zhì)折疊過程中起決定性作用的力的因素。在形成任何二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之前首先發(fā)生很快的非特異性的疏水塌縮。擴(kuò)散-碰撞-粘合機(jī)制該模型認(rèn)為蛋白質(zhì)的折疊起始于伸展肽鏈上的幾個(gè)位點(diǎn)，在這些位點(diǎn)上生成不穩(wěn)

5、定的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元或者疏水簇，主要依靠局部序列的進(jìn)程或中程（3-4個(gè)殘基）相互作用來維系。它們以非特異性布朗運(yùn)動(dòng)的方式擴(kuò)散、碰撞、相互黏附，導(dǎo)致大的結(jié)構(gòu)生成并因此而增加了穩(wěn)定性。進(jìn)一步的碰撞形成具有疏水核心和二級(jí)結(jié)構(gòu)的類熔球態(tài)中間體的球狀結(jié)構(gòu)。球形中間體調(diào)整為致密的、無活性的類似天然結(jié)構(gòu)的高度有序熔球態(tài)結(jié)構(gòu)。最后無活性的高度有序熔球態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾挠谢盍Φ奶烊粦B(tài)。成核-凝聚-生長模型根據(jù)這種模型，肽鏈中的某一區(qū)域可以形成“折疊晶核”，以它們?yōu)楹诵?，整個(gè)肽鏈繼續(xù)折疊進(jìn)而獲得天然構(gòu)象。所謂“晶核”實(shí)際上是由一些特殊的氨基酸殘基形成的類似于天然態(tài)相互作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些殘基間不是以非特異的疏水作用維系的

6、，而是由特異的相互作用使這些殘基形成了緊密堆積。晶核的形成是折疊起始階段限速步驟。拼版模型此模型的中心思想就是多肽鏈可以沿多條不同的途徑進(jìn)行折疊，在沿每條途徑折疊的過程中都是天然結(jié)構(gòu)越來越多，最終都能形成天然構(gòu)象，而且沿每條途徑的折疊速度都較快，與單一途徑折疊方式相比，多肽鏈速度較快，另一方面，外界生理生化環(huán)境的微小變化或突變等因素可能會(huì)給單一折疊途徑造成較大的影響，而對(duì)具有多條途徑的折疊方式而言，這些變化可能給某條折疊途徑帶來影響，但不會(huì)影響另外的折疊途徑，因而不會(huì)從總體上干擾多肽鏈的折疊，除非這些因素造成的變化太大以至于從根本上影響多肽鏈的折疊。格點(diǎn)模型格點(diǎn)模型（也簡稱HP模型），最早是由

7、Dill等人1989年提出的。格點(diǎn)模型可分為二維模型和三維模型兩類。二維格點(diǎn)模型就是在平面空間中產(chǎn)生正交的單位長度的網(wǎng)格，每個(gè)氨基酸分子按在序列中排序的先后順序依次放置到這些網(wǎng)格交叉點(diǎn)上，在序列中相鄰的氨基酸分子放置在格點(diǎn)中時(shí)也必須相鄰，即相鄰氨基酸分子在格點(diǎn)模型中的距離為1。但是需要注意的是，網(wǎng)格中的每個(gè)交叉點(diǎn)最多只能放置一個(gè)氨基酸分子，如果序列中的某個(gè)氨基酸分子已經(jīng)放置在此位置上，則后序的氨基酸分子就不可以再放置在這個(gè)格點(diǎn)上。如果在放置氨基酸分子的過程中出現(xiàn)當(dāng)前所要放置的氨基酸分子沒有位置可以放置了，那就說明該構(gòu)型是不合理的，需要重新放置。三維格點(diǎn)模型和二維格點(diǎn)模型相似，它是在三維空間中產(chǎn)

8、生的單位長度的立體網(wǎng)格。格點(diǎn)中放置氨基酸分子的方法和二維的相同，但在二維格點(diǎn)模型中放置氨基酸分子時(shí)除了序列前兩個(gè)氨基酸分子外最多只有三個(gè)方向可以選擇，而在三維格點(diǎn)模型中復(fù)雜度提高了很多，放置氨基酸分子最多可以有五個(gè)方向可選。多肽鏈的折疊除了直接折疊外，還有的會(huì)有分子伴侶參與作用。1987 年 Lasky首先提出了分子伴侶的概念。他將細(xì)胞核內(nèi)能與組蛋白結(jié)合并能介導(dǎo)核小體有序組裝的核質(zhì)素稱為分子伴侶。根據(jù) Ellis 的定義，這一概念延伸為“一類在序列上沒有相關(guān)性但有共同功能的蛋白質(zhì)，它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)幫助其他含多肽的結(jié)構(gòu)完成正確的組裝，而且在組裝完畢后與之分離，不構(gòu)成這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)執(zhí)行功能時(shí)的組份”。

9、熱休克蛋白就是一大類分子伴侶。分子伴侶是細(xì)胞中一大類蛋白質(zhì)，是由不相關(guān)的蛋白質(zhì)組成的一個(gè)家系，它們介導(dǎo)其它蛋白質(zhì)的正確裝配，但自己不成為最后功能結(jié)構(gòu)中的組分。分子伴侶的概念有三個(gè)特點(diǎn)： 具有這種功能的蛋白，都稱為分子伴侶，盡管是完全不同的蛋白質(zhì)； 作用機(jī)理是不清楚的，故用了“介導(dǎo)”二字，以含糊其辭，“幫助”二字可理解為： 通過催化的或非催化的方式，加速或減緩組裝的過程，傳遞組裝所需要的空間信息，也可能抑制組裝過程中不正確的副反應(yīng)。分子伴侶一定不是最終組裝完成的結(jié)構(gòu)的組成部分，但不一定是一個(gè)分離的實(shí)體。如一些蛋白水解酶的前序列，以及一些核糖核蛋白體的加工前的部分，若具分子伴侶的作用，也稱為分子伴

10、侶。組裝的涵義比較廣，主要指：幫助新生肽的折疊、幫助新生肽成熟為活性蛋白、幫助蛋白質(zhì)跨膜定位、亞基組裝等。蛋白質(zhì)在折疊過程中同樣也會(huì)出一些小的錯(cuò)誤，那么折疊錯(cuò)誤怎么辦呢？錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)就要被降解掉，不然就會(huì)影響人的正常生理功能了。真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解主要有溶酶體途徑、特殊細(xì)胞器的水解系統(tǒng)、細(xì)胞膜表面水解系統(tǒng)、Caspase蛋白酶系統(tǒng)和高度保守的泛素一蛋白酶體途徑(ubiquitin-proteasome pathway，UPP)。UPP是細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)依賴于ATP、非溶酶體途徑的蛋白質(zhì)降解通路，高效并高度選擇性地降解細(xì)胞在應(yīng)激和非應(yīng)激條件下產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，尤其是半衰期短的功能蛋白、癌基因產(chǎn)物和

11、變性、變構(gòu)蛋白等，應(yīng)急狀態(tài)下也降解細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)蛋白。該蛋白水解通路的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是細(xì)胞周期、細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是十分重要的細(xì)胞功能調(diào)解因素。以下以UPP為例講述蛋白質(zhì)的降解U即由泛素、泛素活化酶、泛素結(jié)合酶、泛素蛋白連接酶及蛋白酶體組成。泛素是一種高度保守的、由76個(gè)氨基酸組成的小分子蛋白質(zhì)，分子量8.45ku。從胞核到胞質(zhì)，從生殖細(xì)胞到各種體細(xì)胞都有廣泛的分布，在增殖活躍的腫瘤細(xì)胞和胚胎細(xì)胞中高表達(dá)。泛素C端甘氨酸梭基在泛素連接酶協(xié)助下可與靶蛋白賴氨酸或氨基結(jié)合并形成多泛素鏈，以便于靶蛋白被蛋白水解酶復(fù)合體識(shí)別和水解。泛素活化酶(EI)催化泛素與蛋白底物結(jié)合。當(dāng)泛素途徑被啟動(dòng)后，在AT

12、P參與下，泛素甘氨酸殘基的C端與EZ酶的活化位點(diǎn)半胱氨酸間通過硫醋鍵連接，繼而使泛素被活化。泛素結(jié)合酶(EZ)在泛素被活化后，活化的泛素轉(zhuǎn)移到泛素結(jié)合酶的活化位點(diǎn)半朧氨酸殘基上。泛素蛋白連接酶(E3)在決定泛素介導(dǎo)的底物蛋白降解的選擇性方面具有重要作用。E3對(duì)酶底物具有親和力并需要與EZ連接將泛素從EZ轉(zhuǎn)移到靶蛋白。在泛素與酶底物結(jié)合后，通常都會(huì)形成一個(gè)多聚泛素鏈。在該鏈中，每個(gè)泛素單體的C端都與前面泛素的特定賴氨酸殘基連接起來。蛋白酶體(Ubp)是催化泛素與底物蛋白藕聯(lián)體降解的關(guān)鍵酶，包括20 S蛋白酶體和26 S蛋白酶體。20 S的亞基主要用于底物識(shí)別而亞基主要進(jìn)行底物降解。26 S蛋白酶

13、體的作用可能與產(chǎn)生游離肽、游離泛素或可重復(fù)利用的泛素有關(guān)側(cè)。可見，泛素蛋白酶體系統(tǒng)的作用由連續(xù)的兩步組成:泛素分子與靶蛋白的共價(jià)結(jié)合;多聚泛素化的蛋白被26 S蛋白水解酶復(fù)合體(proteasome)降解，同時(shí)泛素被重新活化。此過程需要El、EZ和E3 3種酶的協(xié)助才能實(shí)現(xiàn)，它貫穿于整個(gè)細(xì)胞的質(zhì)膜系統(tǒng)，包括細(xì)胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到核膜等。泛素一蛋白酶體途徑是真核細(xì)胞內(nèi)重要的蛋白質(zhì)調(diào)控系統(tǒng)，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進(jìn)程、細(xì)胞增生與分化，以及信號(hào)傳導(dǎo)等多種細(xì)胞生理過程，因此，細(xì)胞內(nèi)蛋白泛素化降解是蛋白質(zhì)重要的轉(zhuǎn)錄后修飾方式。2、 蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)合蛋白質(zhì)可以通過與DNA的結(jié)合來調(diào)控基因的表達(dá)。蛋白質(zhì)識(shí)別有特定序

14、列結(jié)構(gòu)的DNA片段，是基因表達(dá)調(diào)控機(jī)構(gòu)中最根本的分子事件，也是細(xì)胞一些重要的酶對(duì)DNA特定部位進(jìn)行催化加工的專一性的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)利用所謂“識(shí)別螺旋”結(jié)合到B-DNA的深溝可能有相當(dāng)?shù)钠毡樾浴！白R(shí)別螺旋”上的氨基酸側(cè)鏈與深溝內(nèi)特定序列的堿基對(duì)的外側(cè)面之間的相互作用在極大的程度上決定廠識(shí)別過程的專一性。如果用遺傳學(xué)方法在兩個(gè)蛋白質(zhì)之間交換“識(shí)別螺旋”，則蛋白質(zhì)的識(shí)別專一性也隨之交換。作為一個(gè)立體化學(xué)規(guī)律，如果蛋白質(zhì)利用“識(shí)別螺旋”去結(jié)合DNA，那么B型DNA的深溝是最佳的結(jié)合部位。蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)合作用可以通過電泳的方法可以驗(yàn)證，由于蛋白質(zhì)的結(jié)合使得DNA的分子量增大，電泳速度減慢。3、 轉(zhuǎn)錄調(diào)

15、控因子生物的遺傳信息編寫在DNA分子上。在進(jìn)行基因表達(dá)時(shí)，基因首先被轉(zhuǎn)錄成mRNA，然后翻譯成蛋白質(zhì)。這是生物學(xué)中最基本的規(guī)律。正是在這個(gè)規(guī)律基礎(chǔ)上，把從微生物到人的各類生物統(tǒng)一成為一個(gè)大的生物系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)錄和翻譯是忠實(shí)的.，從而決定了生物的遺傳特性。但是基因表達(dá)的程序、時(shí)間和位置是受不同層次的調(diào)控元件所控制的。這種控制機(jī)制不僅決定了基因表達(dá)的數(shù)量，而且決定了基因表達(dá)的時(shí)、空秩序性。生物的正常生長、發(fā)育和分化都是由于基因受控表達(dá)的結(jié)果。一旦這些調(diào)控機(jī)制出現(xiàn)差錯(cuò)，就會(huì)導(dǎo)致各種病變，甚至產(chǎn)生腫瘤。原核生物基因表達(dá)的控制機(jī)制研究得比較清楚。真核基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制比原核遠(yuǎn)為復(fù)雜。真核基因表達(dá)，在多層次

16、，受多種因子協(xié)同調(diào)節(jié)控制，調(diào)控的主要部位在基因的轉(zhuǎn)錄水平。關(guān)于真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究正集中在順式作用元件和反式作用因子，以及它們的相互作用等方面。下面用酵母轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子PHO81為例子簡單說一下。PHO81蛋白上的堿性區(qū)（88-160）和酸性區(qū)（771-810）附近的微小變化可導(dǎo)致rAPase的表達(dá)向組成型轉(zhuǎn)化，且這兩個(gè)區(qū)域是協(xié)同作用的，而酸性區(qū)的凈負(fù)電荷的降低能使rAPase的活力降低。PHO81蛋白中含有6個(gè)錨蛋白重復(fù)單位。是PHO81蛋白與PHO80- PHO85蛋白復(fù)合物的結(jié)合區(qū)。對(duì)錨蛋白重復(fù)序列的突變表明錨蛋白重復(fù)序列1,2,3,4,5，6對(duì)PHO81是十分關(guān)鍵的，而錨蛋白重復(fù)序列3

17、的Pro509，Lou510的缺失并不影響PHO81的功能。在PHO81蛋白的701-719位氨基酸殘基有一段類似核定位序列的的肽段，相應(yīng)片段的缺失導(dǎo)致PHO81完全失活。但將該可能的核定位序列的最保守的堿性氨基酸Arg701、Lys702同時(shí)變?yōu)橹行园被幔⊿er、Gln）導(dǎo)致rAPase的表達(dá)大大提高，而將核定位序列中Lys717變?yōu)锳sn，或?qū)rg719變?yōu)镾er。都不影響PHO81的功能。另外在蛋白質(zhì)結(jié)合DNA調(diào)控中還有一種重要的結(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu)。鋅指是最大的DNA結(jié)合蛋白家族,是識(shí)別DNA最有效、最成功的一種結(jié)構(gòu)元件。其模塊性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與核酸作用的相對(duì)簡單性,使其成為研究蛋白-核酸相互

18、作用的理想材料,以及人為設(shè)計(jì)篩選新的核酸結(jié)合蛋白的最佳元件。鋅指是指一套相當(dāng)廣泛的蛋白結(jié)構(gòu)元件,其共同的結(jié)構(gòu)特性是通過結(jié)合Zn2+來穩(wěn)定一種很短的可以自我折疊的蛋白結(jié)構(gòu),最初是指在非洲爪蟾轉(zhuǎn)錄因子TFIIIA中發(fā)現(xiàn)的一段長約30個(gè)氨基酸的重復(fù)序列。這段序列由保守的半胱氨酸、組氨酸和疏水氨基酸組成,其排列方式為:5OXOCysOX2-5OCys-X3O5OX2OHisOX2-5OHis,其中X為任意氨基酸;5為疏水氨基酸。由于Cys、His是與Zn2+形成配位鍵的理想配體,他們推測(cè)這段30個(gè)氨基酸長的序列圍繞處于中心的Zn2+以及順序出現(xiàn)的兩個(gè)Cys、His進(jìn)行折疊,形成一種穩(wěn)定的“指頭”型球狀結(jié)構(gòu),而TFIIIA正是利用這些“指頭”樣結(jié)構(gòu)來“指向”5S RNA基因內(nèi)部的調(diào)節(jié)區(qū)DNA(此即所謂C2H2型“鋅指”)。后來的金屬結(jié)合光譜實(shí)驗(yàn)證實(shí)了上述觀點(diǎn),并且在許多其它參與基因調(diào)節(jié)的蛋白中也發(fā)現(xiàn)了類似的、可以結(jié)合Zn2+的結(jié)構(gòu)。三、 結(jié)語以上從蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)與DNA 結(jié)合調(diào)控以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子