分子生物學(xué)第一篇基因表達(dá)調(diào)控和蛋白質(zhì)修飾

分子生物學(xué)第一篇:基因表達(dá)調(diào)控和蛋白質(zhì)修飾基因組(Genome):DNARNA量“C:C:DNA總量（單倍體基因組CC值悖論?；虮磉_(dá)(Geneexpression):在一定調(diào)控機(jī)制下基因經(jīng)過(guò)激活、轉(zhuǎn)錄、翻譯、等過(guò)程產(chǎn)生具有生物學(xué)功能分子從而賦予細(xì)胞一定功能或表型，即基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程。（Regulationofgenexpression):細(xì)胞或生物體接受環(huán)境信號(hào)刺激或適應(yīng)環(huán)基礎(chǔ)基因表達(dá)(basicgeneexpression)：又稱持續(xù)性/組成型基因表達(dá)(constitutivegeneexpression）: 不易受環(huán)境變化而改變的基因表達(dá)。這其中包括一類“管家基因(housekeeping,這類基因產(chǎn)物是細(xì)胞生存活動(dòng)所必需的在個(gè)體各生長(zhǎng)階段都表達(dá)?？烧{(diào)節(jié)基因表達(dá)(regulatedgene易受環(huán)境變化而改變的基因表達(dá)。對(duì)環(huán)境應(yīng)答時(shí)被增強(qiáng)表達(dá)的過(guò)程稱為誘導(dǎo)(induction),被激活的基因稱為可誘導(dǎo)基因(induciblegenes)repression)，被抑制的基因稱為可阻(repressiblegenes)基因表達(dá)規(guī)律:組織特異性(tissuespecificity)時(shí)間特異性(temporalspecificity)基因表達(dá)調(diào)節(jié)的生物學(xué)意義:(一)適應(yīng)環(huán)境，維持生長(zhǎng)和增殖(二)維持個(gè)體發(fā)育與分化.真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特性:1隔開(kāi)2(monocistron)基本上沒(méi)有操縱元件的結(jié)構(gòu)，3、以核小體為單位的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及眾多DNA結(jié)合蛋白質(zhì)成為調(diào)節(jié)基因開(kāi)閉的重要DNA等，也增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次和復(fù)雜性。基因表達(dá)調(diào)節(jié)的主要階段1(transcriptionalreguto)本或最重要的調(diào)控）2RNA(RNAsplicig3、RNA轉(zhuǎn)運(yùn)和定位過(guò)程(transportationandlocalization4、翻譯調(diào)控(translationalregultion)5mRNA(mRNAstabiliy6(proteinprocessingation)：典型的間期(interphas30nm的纖維被壓縮40-50倍)(euchromatin常染色質(zhì)約10%(activechroma0nm的6(inactivein)活性染色體的重要特征DNA酶I超敏位點(diǎn)(DNaseIHypersensitiveSite(s酶I超敏位點(diǎn)的出現(xiàn)是活性染色質(zhì)的重要特點(diǎn)之一）I(DNaseDNA的任意位點(diǎn)。但染色之中有少數(shù)100倍以上，被稱為DNAIDNAI100-200bp5’側(cè)3DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化(DNAtopology)天然雙鏈DNA的構(gòu)象大多為負(fù)性超螺旋。基因活躍轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄方向的前方的DNA結(jié)構(gòu)是正性超螺旋，其后面的DNA為負(fù)性超螺旋。正性超螺旋會(huì)拆散核小體，有利于RNA聚合酶遷移轉(zhuǎn)錄，而負(fù)性超螺旋自有利于核小體再形成。DNA堿基修飾變化(DNAmodification)CpG序列的甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合而影響轉(zhuǎn)錄。(histonemodification)DNADNA蛋白成分的加入，組蛋白解聚與釋放。染色質(zhì)重塑：通過(guò)調(diào)整核小體的相位，中和組蛋白尾巴堿性氨基酸殘基（賴氨酸K、精H等DNA的結(jié)合，降低相鄰核(chromatin。染色質(zhì)重塑是基因表達(dá)表觀遺傳水平上控制的主要調(diào)控方式,包括：ATP物理修飾：即ATPDNA滑動(dòng)，或使核小體解離并重新裝配。延伸中RNAII,此染色質(zhì)物理重塑復(fù)合體對(duì)于轉(zhuǎn)錄延伸也具有重要意義。染色質(zhì)的共價(jià)化學(xué)修飾化和泛素化等。主要發(fā)生在組蛋白末端的尾部，尤其是核心組蛋白的氨基末端尾部。組蛋白末端部分含有一些帶活性基團(tuán)的氨基酸殘基，這些氨基酸殘基成為各種化學(xué)修飾的靶點(diǎn)。（酶：eacetyl：轉(zhuǎn)錄激活的標(biāo)志，多發(fā)于組蛋白暴露在外的N（HDAC與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)，并參與多條信號(hào)傳導(dǎo)通路。（e組蛋白泛素化(E1subiquitin-activatingenzymesE2subiquitin-conjugatingenzymes;E3s,ubiquitinligases：H2AK119H2BK120泛素化激活轉(zhuǎn)FACT幫助下在轉(zhuǎn)錄延伸中發(fā)揮作用。SUMO化:4H4H2AH2B上都已發(fā)現(xiàn)了一些特異位SUMO組蛋白聚ADP核糖基化：可以在組蛋白上加上1個(gè)MARTmono-ADP-ribosyltransferase)或多個(gè)ADP分子DNADNA（構(gòu)象變化可逆。脯氨酸異構(gòu)化(酶：PPIase，peptidylprolylProlylH3尾部的脯氨酸異構(gòu)化(H3P38),H3P36的甲基化水平。組蛋白尾部上的大量修飾使得它們之間可能互相干擾，修飾間的相互對(duì)話可能發(fā)生在不同水平。細(xì)胞不同階段和不同功能活動(dòng)中組蛋白化學(xué)修飾可以是不同的，主要表現(xiàn)為：(1)組蛋白化學(xué)修飾類型可能是單一的，也可能是多種聯(lián)合;(2)空間上，各種化學(xué)修飾的組蛋白底物可能相同，也可能不同；(3)時(shí)間上，各種化學(xué)修飾可能是同時(shí)的，也可能不同時(shí)；(4)功能上，各種化學(xué)修飾的效應(yīng)可能是協(xié)同的，也可能相反。真核基因正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)節(jié)在分子遺傳學(xué)領(lǐng)域，相對(duì)同一染色體或DNA分子而言為“順式”(cis)，對(duì)不同染色體或DNA分子而言為“反式”(trans)。DNADNA啟動(dòng)子(promoter)RNA-15100-200bp內(nèi)7~20bpDNARNAII轉(zhuǎn)錄起始和轉(zhuǎn)錄頻率的關(guān)鍵元件。(transcriptionstartsite，TSS-30，-75，-90)以及一個(gè)以上的機(jī)能元件。機(jī)能元件典型的為TATA盒，共有序列為通常位于-30~-25bpTATATATA盒TATAAAAGCGGGCGGCAAGGCCAATCT八聚體ATTTGCAT?BGGGACTTCCATFCTGACGT分類：(corepromoterelement,II起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的-30~-25bpTATA-40~+50bpDNA序列。單獨(dú)作用只能確定轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)和產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄。(UpstreampromoterTATATATA盒轉(zhuǎn)-110~-30bpGC盒（GGGCGG)的GCTATASp-1(specificityprotein1結(jié)合位點(diǎn)，TATAGC盒的啟示轉(zhuǎn)錄，RNAII(initiator)上,它只有較弱保守序列5’3增強(qiáng)子(enhancer)：遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)（1~30kb),決定基因的時(shí)間、空間特異性表達(dá)增強(qiáng)DNA100~200bp,其中的核心組8~12bp,可以但拷貝或多拷貝串聯(lián)的形式存在。增強(qiáng)子的作用特點(diǎn)可歸結(jié)如下：DNA1~4kb,個(gè)30kb,而且在基因的上下游都能起作用；DNA53’的方向性，方向倒置依然能起作用；中出現(xiàn)；增強(qiáng)子對(duì)啟動(dòng)子沒(méi)有嚴(yán)格的專一性，同一增強(qiáng)子可以影響不同的啟動(dòng)子；增強(qiáng)子一般具有組織或細(xì)胞特異性。/過(guò)蛋白之間的相作用，形成增強(qiáng)子和啟動(dòng)子間的“成環(huán)‘連接的模式活化轉(zhuǎn)錄。沉默子(silencer)DNA(negativeregulatoryNRE)能RNA聚合酶的進(jìn)入，抑制基因轉(zhuǎn)錄。沉默子的作用可不受距離和方向（有例外）的限制，并可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用。(generaltranscriptionfactor,GTF)基因。絕緣子)作用。絕緣子重要功能是對(duì)抗增強(qiáng)子對(duì)啟動(dòng)子不加鑒別地發(fā)揮作用，阻斷增強(qiáng)子的效應(yīng)擴(kuò)撒。因而絕緣子增加了基因調(diào)控的精準(zhǔn)性?；蜣D(zhuǎn)錄的反式調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)因子可分為三大類：1RNA聚合酶和基本轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscription。它們結(jié)合DNA(pre-initiationcomplex,PIC)，啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄。2（如激活因子和抑制因子強(qiáng)子特異結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，具有細(xì)胞及基因特異性，可以增強(qiáng)或抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄。3輔調(diào)節(jié)因子，它們往往在轉(zhuǎn)錄因子和前DNA復(fù)制起始復(fù)合體之間形成橋梁作用，還可以改變局部染色質(zhì)的構(gòu)象，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的起始具有推動(dòng)作用。基本轉(zhuǎn)錄機(jī)件RNA聚合酶(RNApolymerase):1RNA聚合酶I 轉(zhuǎn)錄核糖體RNA，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是45S經(jīng)剪接修飾生成除小亞rRNA(SSrRNA)外的各種rRNA；2、RNA聚合酶Ⅱ主要轉(zhuǎn)錄編碼蛋白質(zhì)的基因和一些snRNA；3、RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物都是相對(duì)分子質(zhì)量小的RNA，如tRNA、SSrRNA、snRNA.基本轉(zhuǎn)錄因子TATATBP8TBP(TBPassociatedTFⅡD，是DNARNA轉(zhuǎn)錄時(shí)都需要。反式作用因子（1）DNADNADNA結(jié)合域結(jié)構(gòu)形式是鋅指結(jié)構(gòu)及堿性氨基酸所形成的α構(gòu)①鋅指(zincfinger，Znf)結(jié)構(gòu)：②((結(jié)構(gòu)③堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper，bZIP)：(2)蛋白質(zhì)因子的轉(zhuǎn)錄激活域(activatingdomain)DNA30～100個(gè)氨基酸殘基組成。據(jù)氨基酸組成特點(diǎn)，轉(zhuǎn)錄激活域分為：①帶負(fù)電荷的α螺旋結(jié)構(gòu)或酸性α螺旋(acidicGAL-4GCN-4等都含有TFIID(glutamine-richdomain)：SP-1N2個(gè)主要的轉(zhuǎn)錄激活25HAP-2GAL-2、、AP-2SRF也含有這種結(jié)構(gòu)域。proline-rich家族CTF-1CTF-2CTF-3)C末端與2030％的脯氨酸殘基。輔調(diào)節(jié)因子(coregulators)通過(guò)直接或間接地與特異轉(zhuǎn)錄因子或基本轉(zhuǎn)錄機(jī)件的蛋白亞基結(jié)合而參與基因轉(zhuǎn)錄的DNA(coregulator)相互作用，使基因表達(dá)的調(diào)控更為有效和精細(xì)。不同細(xì)胞對(duì)同一核(。輔激活因子作為核受體和基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物之間的橋梁分子發(fā)揮作用，且調(diào)節(jié)了不同靶基因的表達(dá)，參與了核受體反應(yīng)的細(xì)胞特異性調(diào)節(jié)，并與其他信號(hào)途徑相互聯(lián)系。它們通過(guò)蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)直接相互作用激活基因轉(zhuǎn)錄。另外一類輔激活因子不但能與特異轉(zhuǎn)錄因子和基本轉(zhuǎn)錄機(jī)件結(jié)合而起橋梁作用，而且本身還具有乙?；D(zhuǎn)移酶的活性，參與染色質(zhì)的重塑和基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。輔抑制因子核受體中的視黃酸受體、甲狀腺素受體等在無(wú)配體結(jié)合時(shí)，也能與DNA上DNA子所識(shí)別和結(jié)合的區(qū)域，即輔抑制因子可排斥輔激活因子與核受體的結(jié)合。NCoR(nuclearcorepressorSMRT(silencingmediatorforretinoidandthyroidhormonereceptors均可特異地與甲狀腺素受體及視黃酸受體相結(jié)合，以抑制基因的轉(zhuǎn)錄。NCoR/SMRTSin3A組e及其他相關(guān)蛋白形成“抑制復(fù)合體NCoR/Slx/IRT等輔抑制因子脫離核受體，而代之以SRC-1、CBP2p300等輔激活因子與核受體結(jié)合，從而激活基因的轉(zhuǎn)錄。中介因子(mediators)中介因子是一類能與轉(zhuǎn)錄因子相互作用，影響轉(zhuǎn)錄因子功能的蛋白質(zhì)復(fù)合體。這些復(fù)7～18介因子在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的作用不盡相同。中介因子DRIPSUR2RNA聚合酶Ⅱ的相互作用而在轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合體的形成上起橋梁的作用TFⅡHRNACTD的磷酸化促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的延伸。NAT可以抑制轉(zhuǎn)錄，抑制效應(yīng)可能是通過(guò)其亞基Cdk8TFⅡHH亞基TFⅡHRNA聚合酶ⅡCTD**TRAP/SMCC在不同條件下既可以活化轉(zhuǎn)錄，又可以抑制轉(zhuǎn)錄?；蜣D(zhuǎn)錄的延伸和終止在延伸因(elongationfactor) 如TFⅡFelonginSⅡTFⅡHP-TEFb等)作用下，RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物脫離轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)順著轉(zhuǎn)錄出的RNA鏈開(kāi)始延伸。這些因子的作用各有不同，但大多數(shù)是通過(guò)增強(qiáng)聚合酶克服其延伸阻力來(lái)調(diào)控轉(zhuǎn)錄的延伸SⅡ:激活RNA聚合酶Ⅱ的3’ 5’核酸酶活性，使暫停的RNA聚合酶繼續(xù)延;ELL和elongin抑制聚合酶的暫停作用；TFⅡHP-TEFbRNA聚合酶促進(jìn)延伸。RNARNARNA鏈在連接多聚核苷接尾處斷裂。真核基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控：指基因轉(zhuǎn)錄起始后對(duì)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行一系列修飾、加工的過(guò)程，主要包括轉(zhuǎn)錄的提前終止、mRNA的剪接和加工、RNA出核及胞質(zhì)內(nèi)定位的調(diào)控、RNA編輯、mRNA的穩(wěn)定性、小RNA對(duì)基因表達(dá)抑制的調(diào)控等多個(gè)環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)錄后調(diào)控可以使遺傳信息有更加多樣的選擇性。（一）轉(zhuǎn)錄的提前終止(transcriptionattenuation)DNADNADNA鏈的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的影響等，使轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物被迫停止在一定的位置上，轉(zhuǎn)錄鏈終止。真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄提前終止產(chǎn)生的RNA片段可能像選擇性剪接錯(cuò)誤(見(jiàn)后述)產(chǎn)生的無(wú)意義RNA一樣被降解。因而也構(gòu)成基因表達(dá)調(diào)控的一種機(jī)制。（二）mRNA的選擇性剪接RNAmRNA的前體(pre-mRNA)(splicing)mRNA(mRNA)。1．RNA的剪接方式在剪接過(guò)程中，剪接體依次刪除mRNA前體中的所有內(nèi)含子的“規(guī)范”的剪接方式稱為常規(guī)剪接(constitutivesplicing);然而有約40%~60%的基因存在不同的剪接方式，稱為變位剪接(alternativeRNAsplicing，又稱選擇性剪接或可變剪接)。界定(intron5’(exon。變位剪接，使得同一基因可以產(chǎn)生產(chǎn)生多種不同類型的mRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，編碼具有各種功能的蛋白質(zhì)，增加蛋白質(zhì)的多樣性及生物功能的復(fù)雜性。2．選擇性剪接的調(diào)控mRNA的剪接是基于對(duì)剪接位點(diǎn)的識(shí)別，剪接體(spliceosome)完成。Spliceosome5snRNAs(U1,U2U4U5,U6>200proteins=5snRNPs蛋白質(zhì)顆粒）>50proteinsSRSRhnRNPRNA螺旋因子也參與了對(duì)選擇性剪接的調(diào)控?；炯艚右蜃娱g的協(xié)同作用和拮抗作用以及相對(duì)豐度的改變可以影響剪接位點(diǎn)的選擇；特異性剪接因子可以調(diào)控特異的剪接過(guò)程。RNA剪接的順式元件和反式因子:剪接復(fù)合體在pre-mRNA形成的系列復(fù)合過(guò)程（三）RNA出核和轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控在哺乳動(dòng)物中，被轉(zhuǎn)運(yùn)出核的RNARNA1/20，大多數(shù)RNA都被剪接加(3poly(A)的序列RNA和被破RNA(exosome降解。外切體的核心是一個(gè)由六個(gè)亞基組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，外圍的亞基都結(jié)合在這一環(huán)狀結(jié)構(gòu)上。外切體包含一些不同的核酸內(nèi)切酶亞單位，可以降解不同的RNA。RNA分子的出核轉(zhuǎn)運(yùn)是在對(duì)mRNA加工完成后進(jìn)行的。因此任何阻礙RNA剪接完成的機(jī)制都將成為RNA出核的障礙。（四）RNA編輯RNARNARNA(delition)(insertion)(chimera)RNARNA編輯RNAs(guideRNAs，gRNAs)RNA所介導(dǎo)的。mRNA與翻譯水平調(diào)控：3mRNA5’末端，40SmRNA滑動(dòng)等決定了翻譯相關(guān)因子的磷酸化控制蛋白質(zhì)起始作用，mRNA的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性也與翻譯調(diào)控密切相關(guān)。（一）起始因子磷酸化真核生物在應(yīng)激情況下，通過(guò)激活蛋白激酶使其起始因子(eIF2A,Eukaryotictranslationinitiationfactor2A的磷酸化,在翻譯水平調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，這是一種重要的調(diào)節(jié)方式。eIF2AmRNAmRNA可能存在較廣泛，是生物體適應(yīng)環(huán)境變化并生存下來(lái)行之有效的手段之一。eIF2的磷酸化對(duì)翻譯的抑制作用eIF2eIF23ATP的參與下與Met–tRNA特異結(jié)合。AUG60S亞單位核糖80S翻譯起始復(fù)合物，進(jìn)行肽鏈的合成和延伸，同時(shí)釋放eIF2GTPeIF2eIF2-GTP-Met-tRNAi復(fù)合物形成的循環(huán)中，繼續(xù)進(jìn)行翻譯起始過(guò)程。eIF2HRIGDPeIF2BeIF2的再oeIF2可以使其進(jìn)入非增生的靜止?fàn)顟B(tài)期。eIF4F的磷酸化對(duì)蛋白質(zhì)合成速率的激活作用αeIF4FE最小2.5×104),mRNA5’m7G帽子結(jié)合，(capbindingγp220最大2.2×105),eIF340S核糖體亞單位相互作用RNA和主要蛋白結(jié)合提供靜電接觸；βeIF4FARNAATP(正常翻譯時(shí)，eIF4FmRNA5m7G結(jié)合后，40S-eIF2-GTP-Met-tRNAi復(fù)合物才能與mRNAeIF4F磷酸化后，在高活5倍。GCN4mRNA翻譯的調(diào)控mRNA5。如果mRNAAUG密mRNA(uORF，supstreamopenreadingframes)uORFsuORFs只具有調(diào)節(jié)功mRNAuORFuORFmRNA分離，從而抑制下游基因的翻譯。PERKGCN2eIF2磷酸化作用抑制了大mRNA翻譯，但選擇性激活A(yù)TF4(actingtranscriptionfactor4)

白質(zhì)合成。這一發(fā)現(xiàn)提示，在應(yīng)激情況下