真核基因表達調(diào)控詳解演示文稿

真核基因表達調(diào)控詳解演示文稿當前1頁，總共59頁。優(yōu)選真核基因表達調(diào)控當前2頁，總共59頁。不同物種中的let-7基因具有序列保守性,且均可與lin-41基因的3’UTR區(qū)域互補在lin-41基因的3’UTR區(qū)域發(fā)現(xiàn)了let-7的互補區(qū)當前3頁，總共59頁。TranscriptionofmiRNAgenesbyRNAPolIITranscribedbypolIItopri-miRNA(primaryprecursor)Pri-miRNAcontainsthe7-methylguanosinecapandapoly(A)tailPolIIisphysicallyassociatedwithmiRNAgenepromotersmiRNAgenetranscriptionissensitiveto-amanitinPolIIdependenttranscriptionenablestemporalandspatialregulationofmiRNAproduction.Biogenesis當前4頁，總共59頁。當前5頁，總共59頁。DuandZamore,Development132,4645-4652.animalsplantsBiogenesis當前6頁，總共59頁。ComplexloadingselectionMalloryetal.,CurrentOpinioninPlantBiology(2008)5’terminaldependentmiRNAsorting當前7頁，總共59頁。microRNA的作用機理ReductionofmRNAstabilityPlantmiRNAsguidecleavageoftargetmRNAs(howeveronlyafewmiRNAtargetshavebeenexaminedattheproteinlevel)AnimalmiRNAsalsoreducestabilityoftargetmRNAsInhibitionofmRNAtranslationlin-4mediatedregulationoflin-14;let-7mediatedregulationoflin-41OtheranimalmiRNAscausereducedtargetproteinlevelswithoutaffectingtargetmRNAlevelsincellcultureAtleastthreeexamplesofplantmiRNAsaffectingtargetproteinbutnotmRNAlevels當前8頁，總共59頁。當前9頁，總共59頁。miRNA介導的翻譯抑制機制當前10頁，總共59頁。與小分子siRNA相比，miRNA在分子特性等方面是相似的，但也存在不少的差異。siRNA是雙鏈RNA，3‘端有2個非配對堿基，通常為UU；miRNA是單鏈RNA。siRNAs是由dsDNA在Dicer酶切割下產(chǎn)生，而成熟miRNAs的產(chǎn)生要復雜一些。與siRNA所介導的基因沉默機制不同的是，miRNA是一種內(nèi)源基因的調(diào)控機制，代表了生物自身的一套正常程序。miRNA對靶基因的調(diào)控并不依賴于其與靶基因序列的高度互補性，如果miRNA與靶基因mRNA存在完全或者近乎完全互補配對，則通過靶基因mRNA的斷裂方式調(diào)控基因表達；反之，miRNA則是通過翻譯抑制調(diào)控靶基因的表達，miRNAs的這種調(diào)控方式主要依賴于miRNA的5’端2-8寡核苷酸序列“seedregion”與靶基因mRNA的3’UTR互補得以實現(xiàn)。當前11頁，總共59頁。8.5.1蛋白質(zhì)磷酸化對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控

細胞是生命活動的基本單位。細胞通過DNA的復制和細胞分裂將本身所固有的遺傳信息由親代傳至子代，實現(xiàn)增殖繁衍。它們還不斷地“感知”環(huán)境變化，并對其作出特定的應答。細胞應答可以分為3個階段：外界信息的“感知”，即由細胞膜到細胞核內(nèi)的信息傳遞,染色質(zhì)水平上的基因活性調(diào)控,特定基因的表達，即從DNA→RNA→蛋白質(zhì)的遺傳信息傳遞過程。8.5真核基因其他水平上的表達調(diào)控當前12頁，總共59頁。

蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化過程是生物體內(nèi)普遍存在的信息傳導調(diào)節(jié)方式，幾乎涉及所有的生理及病理過程，如糖代謝、光合作用、細胞的生長發(fā)育、神經(jīng)遞質(zhì)的合成與釋放甚至癌變等等。當前13頁，總共59頁。真核細胞主要跨膜信號傳導途徑當前14頁，總共59頁。細胞表面的三類受體示意圖當前15頁，總共59頁。受體分子活化細胞功能的途徑主要有兩條：受體本身或受體結(jié)合蛋白具有內(nèi)源酪氨酸激酶活性，胞內(nèi)信號通過酪氨酸激酶途徑得到傳遞；配體與細胞表面受體結(jié)合，通過G蛋白介異的效應系統(tǒng)產(chǎn)生介質(zhì)，活化絲氨酸/蘇氨酸或酪氨酸激酶，從而傳遞信號。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的蛋白激酶基因多達2000余個。根據(jù)底物蛋白質(zhì)被磷酸化的氨基酸殘基種類可分為三大類：1、絲氨酸/蘇氨酸型，2、酪氨酸型，3、組氨酸型。根據(jù)是否有調(diào)節(jié)物參與蛋白激酶的活性可分為兩大類：信使依賴型和非信使依賴型。當前16頁，總共59頁。

細胞表面受體與配體分子的高親和力特異性結(jié)合，能誘導受體蛋白構(gòu)象變化，使胞外信號順利通過質(zhì)膜進入細胞內(nèi)，或使受體發(fā)生寡聚化而被激活。當前17頁，總共59頁。蛋白質(zhì)磷酸化和GTP結(jié)合蛋白參與的信號轉(zhuǎn)導過程當前18頁，總共59頁。G蛋白（GTPbindingproteins）所有能與GTP結(jié)合的蛋白質(zhì)都可以稱為“G蛋白”，并不是都參與細胞信號傳遞。所有的GTP結(jié)合蛋白都具有水解GTP生成GDP的能力，即具有GTP酶的特性，所以把所有GTP結(jié)合蛋白都歸屬于“G蛋白超家族”（GTP-bindingproteinsuperfamily）。在研究信號傳遞時特指與細胞表面受體偶聯(lián)的異三聚體G蛋白（heterotrimericGTPbindingprotein）。G蛋白的基本結(jié)構(gòu)：100kD左右，由α、β、γ三種亞基組成，在天然電泳中β與γ仍緊密結(jié)合在一起。α亞基分子量在39-46kD之間，差別最大，被用作G蛋白的分類依據(jù)。其共同的特點是，具有一個GTP結(jié)合位點，本身具有GTP酶的活性，即可以把GTP水解成GDP和無機磷酸.當前19頁，總共59頁。異質(zhì)G蛋白介導的生理效應配體受體效應物生理效應腎上腺素β-腎上腺受體腺苷酸環(huán)化酶糖原水解血清緊張素血清緊張素受體腺苷酸環(huán)化酶行為敏感好學光視紫紅質(zhì)cGMP磷酸二酯酶視覺興奮IgE抗原復合物肥大細胞Ig-受體磷脂酶C分泌f-Met肽趨化受體磷脂酶C趨化性乙酰膽堿毒蠅堿受體K+通道降低起搏活性配體受體效應物當前20頁，總共59頁。不同的Gα激發(fā)不同的調(diào)節(jié)途徑當前21頁，總共59頁。1.受cAMP水平調(diào)控的A激酶依賴于cAMP的蛋白激酶稱為A激酶（PKA），它能把ATP分子上的末端磷酸基團加到某個特定蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸殘基上。被A激酶磷酸化的氨基酸N端上游往往存在兩個或兩個以上堿性氨基酸，特定氨基酸的磷酸化（X-Arg-Arg-X-Ser-X）改變了這一蛋白的酶活性。在不同的細胞中，A激酶的反應底物不一樣，所以，cAMP能在不同靶細胞中誘發(fā)不同的反應。當前22頁，總共59頁。A激酶當前23頁，總共59頁。非活性狀態(tài)的PKA全酶由4個亞基R2C2所組成，分子量約為150-170，調(diào)節(jié)亞基與cAMP相結(jié)合，引起構(gòu)象變化并釋放催化亞基，后者隨即成為有催化活性的單體。當前24頁，總共59頁。糖原代謝時，激素與其受體在肌肉細胞外表面相結(jié)合，誘發(fā)細胞質(zhì)cAMP的合成并活化A激酶，后者再將活化磷酸基團傳遞給無活性的磷酸化酶激酶，活化糖原磷酸化酶，最終將糖原磷酸化，進入糖酵解過程并提供ATP。當前25頁，總共59頁。2.C激酶與PIP2、IP3和DAG該蛋白激酶活性是依賴于Ca2+的，故稱C激酶（PKC）。IP3(肌醇-1,4,5-三磷酸)引起細胞質(zhì)Ca2+濃度升高，導致C激酶從胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到靠近原生質(zhì)膜內(nèi)側(cè)處，并被DAG(二?；视?和Ca2+的雙重影響所激活。DAG提高了C激酶對于Ca2+的親和力。C激酶是一個7.7×104的蛋白質(zhì)，主要實施對絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，具有一個催化結(jié)構(gòu)域和一個調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。與DAG結(jié)合以后還能解除調(diào)節(jié)區(qū)所造成的抑制作用，提高酶活性。當前26頁，總共59頁。C激酶磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二?；视图〈?1,4,5-三磷酸當前27頁，總共59頁。激酶信號傳遞及基因表達示意圖磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二?；视虳AG肌醇-1,4,5-三磷酸當前28頁，總共59頁。3.CaM激酶及MAP激酶Ca2+的細胞學功能主要通過鈣調(diào)蛋白激酶（CaM-kinase）來實現(xiàn)的，它們也是一類絲氨酸/蘇氨酸激酶，但僅應答于細胞內(nèi)Ca2+水平。MAP激酶（mitogenactivatedproteinkinase，絲裂原活化蛋白激酶）活性受許多外源細胞生長、分化因子的誘導。MAP-激酶活性取決于該蛋白中僅有一個氨基酸之隔的酪氨酸、絲氨酸殘基是否都被磷酸化。當前29頁，總共59頁。能同時催化這兩個氨基酸殘基磷酸化的酶被稱為MAP-激酶-激酶，它的反應底物是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，后者能同時被C激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白等激活，從而在信息傳導中發(fā)揮功能。當前30頁，總共59頁。4.蛋白質(zhì)磷酸化與細胞分裂調(diào)控細胞通過p53及p21蛋白控制CDK（cyclin-dependentproteinkinase,周期蛋白依賴的蛋白激酶）活性，調(diào)控細胞分裂的進程。P21蛋白過量時，大量周期蛋白（cyclin）E-CDK2復合物與P21蛋白相結(jié)合，使CDK2喪失磷酸化PRb蛋白（retinoblastomaprotein，視網(wǎng)膜母細胞瘤蛋白）的功能。沒有被磷酸化的PRb蛋白與轉(zhuǎn)錄因子E2F相結(jié)合并使后者不能激活與DNA合成有關(guān)的酶，導致細胞不能由G1期進入S期，細胞分裂受阻。當前31頁，總共59頁。如果細胞中P53基因活性降低，P21蛋白含量急劇下降，周期蛋白E-CDK2復合物就能有效地將PRb蛋白磷酸化。此時，PRb蛋白不能與E2F相結(jié)合，后者發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用，激活許

多與DNA合成有關(guān)的基因表達，細胞從G1期進入S期，開始分裂。當前32頁，總共59頁。CDK（周期蛋白依賴的蛋白激酶）活性受雙重調(diào)控沒有周期蛋白，CDK無活性。隨著周期蛋白的合成和積累，逐步形成周期蛋白-CDK復合物。CDK上的酪氨酸位點被磷酸化，掩蓋了其ATP結(jié)合位點，ATP不能有效地與之相結(jié)合，CDK仍然無活性。CDK蛋白T-環(huán)中的蘇氨酸位點被磷酸化，并將其酪氨酸位點上的磷酸基團去掉，其才能發(fā)揮生物學活性。同時，CDK蛋白還能使細胞中的磷酸酯酶磷酸化，以加速脫去自身酪氨酸位點上的磷酸基團。有生物活性的周期蛋白-CDK復合物能將DBRP(destructionboxrecognizingprotein)磷酸化，激活泛素連接酶，把大量泛素加到周期蛋白上并使之迅速降解，CDK失活，新的周期開始。當前33頁，總共59頁。8.5.3激素對基因表達的影響激素（Hormone）是高度分化的內(nèi)分泌細胞合成并直接分泌入血的化學信息物質(zhì)，它通過調(diào)節(jié)各種組織細胞的代謝活動來影響人體的生理活動。它是由內(nèi)分泌腺或內(nèi)分泌細胞分泌的高效生物活性物質(zhì)，在體內(nèi)作為信使傳遞信息，對機體生理過程起調(diào)節(jié)作用?，F(xiàn)在把凡是通過血液循環(huán)或組織液起傳遞信息作用的化學物質(zhì)，都稱為激素。激素的分泌均極微量，為毫微克（十億分之一克）水平，但其調(diào)節(jié)作用均極明顯。激素作用甚廣，但不參加具體的代謝過程，只對特定的代謝和生理過程起調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)代謝及生理過程的進行速度和方向，從而使機體的活動更適應于內(nèi)外環(huán)境的變化。激素的作用機制是通過與細胞膜上或細胞質(zhì)中的專一性受體蛋白結(jié)合而將信息傳入細胞，引起細胞內(nèi)發(fā)生一系列相應的連鎖變化，最后表達出激素的生理效應。當前34頁，總共59頁。幾種常見的疏水性小分子激素的結(jié)構(gòu)式當前35頁，總共59頁。1激素對靶基因的影響許多類固醇激素（如雌激素、孕激素、醛固酮、糖皮質(zhì)激素和雄激素）以及一般代謝性激素（如胰島素）的調(diào)控作用都是通過起始基因轉(zhuǎn)錄而實現(xiàn)的。體內(nèi)存在的許多糖皮質(zhì)類激素應答基因都有一段大約20bp的順式作用元件（激素應答元件，簡稱HRE），該序列具有類似增強子的作用，其活性受激素制約。靶細胞中含有大量激素受體蛋白，而非靶細胞中沒有或很少有這類受體。激素元件序列糖皮質(zhì)GRETGGTACANNNTGTTCG雌激素EREGGTCANNNTGTCC甲狀腺素TRECAGGGACGTGACCGCA當前36頁，總共59頁。固醇類激素的受體蛋白分子有相同的結(jié)構(gòu)框架，包括保守性極高并位于分子中央的DNA結(jié)合區(qū)，位于C端的激素結(jié)合區(qū)和保守性較低的N端。研究表明，激素、受體與順式元件的結(jié)合位點三者缺一不可，其中無論是受體蛋白與激素的結(jié)合，還是激素本身，都不是與DNA結(jié)合并激活轉(zhuǎn)錄所必需的。通常情況下，受體蛋白中激素結(jié)合結(jié)構(gòu)域妨礙了DNA結(jié)合區(qū)及轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)發(fā)揮生理功能，只有與相應激素結(jié)合后才能打破這種障礙。當前37頁，總共59頁。當前38頁，總共59頁。Glucocorticoidsregulategenetranscriptionbycausingtheirreceptortotransportintothenucleusandbindtoanenhancerwhoseactionisneededforpromoterfunction.當前39頁，總共59頁。當前40頁，總共59頁。2.激素的作用機制有3種較為流行的假說：受體流動假說。激素-受體復合物可在膜內(nèi)移動并與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，激活環(huán)化酶，引發(fā)后續(xù)效應。通過激素的稀釋或解離，使受體和環(huán)化酶回復到非耦聯(lián)狀態(tài)。中介物假說。受體與酶之間可能通過膜脂耦聯(lián)在一起。有人用適量的高純磷脂酶A處理肝細胞膜后發(fā)現(xiàn)，此時氟離子仍可刺激膜上的腺苷酸環(huán)化酶活性，但對胰高血糖素的作用完全喪失。若加入膜脂則激素的作用恢復，說明去膜脂后激素的信息傳遞中斷。鄰位互調(diào)假說。根據(jù)GTP能影響激素與受體結(jié)合并進而影響腺苷酸環(huán)化酶活性的現(xiàn)象，認為該酶系統(tǒng)至少存在3個活性部位，即激素-受體結(jié)合部位、Mg2+-ATP作用中心和核苷酸調(diào)節(jié)部位。因為腺苷酸環(huán)化酶有幾種不同的立體構(gòu)象，激素與GTP協(xié)同作用可使這幾種不同的構(gòu)象之間發(fā)生互變。當前41頁，總共59頁。8.5.4熱激蛋白誘導的基因表達能與某個（類）專一蛋白因子結(jié)合，從而控制基因特異表達的DNA上游序列稱為應答元件。應答元件主要有：熱激應答元件（HSE）糖皮質(zhì)應答元件（GRE）金屬應答元件（MRE）應答元件與細胞內(nèi)專一的轉(zhuǎn)錄因子相互作用，協(xié)調(diào)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。調(diào)控因子應答元件DNA序列結(jié)合蛋白熱激HSECNNGAANNTCCNNGHSF鎘MRECGNCCCGGNCNC？佛波酯TRETGACTCAAP1血清SRECCATATTAGGSRF當前42頁，總共59頁。許多生物在最適溫度范圍以上，能受熱誘導合成一系列熱休克蛋白（heatshockprotein）。受熱后，果蠅細胞內(nèi)Hsp70mRNA水平提高1000倍，就是因為熱激因子（heatshockfactor，HSF）與hsp70基因TATA區(qū)上游60bp處的HSE相結(jié)合，誘發(fā)轉(zhuǎn)錄起始。當前43頁，總共59頁。熱激蛋白調(diào)控的基因表達機制當前44頁，總共59頁。當前45頁，總共59頁。當前46頁，總共59頁。8.5.5RNA的加工成熟各種基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物都是RNA，無論是rRNA、tRNA還是mRNA，初級轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物只有經(jīng)過加工，才能成為有生物功能的活性分子。1.rRNA和tRNA的加工成熟rRNA加工有兩個內(nèi)容，一個是分子內(nèi)的切割，另一個是化學修飾。真核生物的rRNA基因轉(zhuǎn)錄時先產(chǎn)生一個45S的前體rRNA，然后前體rRNA很快就會被加工降解，生成不同相對分子質(zhì)量的成熟rRNA。rRNA的化學修飾主要是核糖甲基化。tRNA基因轉(zhuǎn)錄時也可能先生成前體tRNA，tRNA基因的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在進入細胞質(zhì)后，首先經(jīng)過核苷的修飾，生成4.5S前體tRNA，再剪接成為成熟tRNA(4S)。當前47頁，總共59頁。原核rRNA前體加工示意當前48頁，總共59頁。2mRNA的加工成熟編碼蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA。這類基因產(chǎn)物在轉(zhuǎn)錄后要進行一系列的加工變化，才能成為成熟的有生物功能的mRNA。這些加工主要包括在mRNA的5'末端加"帽子"，在其3'末端加上poly(A)，進行RNA的剪接以及核苷酸的甲基化修飾等。由于mRNA的這些結(jié)構(gòu)與它作為蛋白質(zhì)合成模板的功能有密切關(guān)系，所以是基因表達的重要調(diào)控環(huán)節(jié)。編碼蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄時首先生成前體pre-mRNA(或稱核不均一RNA，hnRNA)，然后再加工剪接為成熟mRNA。當前49頁，總共59頁。3真核生物基因轉(zhuǎn)錄后加工的多樣性真核生物的基因可以按其轉(zhuǎn)錄方式分為兩大類：簡單轉(zhuǎn)錄單位復雜轉(zhuǎn)錄單位。這兩種轉(zhuǎn)錄方式雖然最終都產(chǎn)生蛋白質(zhì)，但它們的轉(zhuǎn)錄后加工方式是不同的。當前50頁，總共59頁。簡單轉(zhuǎn)錄單位。這類基因只編碼產(chǎn)生一個多肽，其原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有時需要加工，有時則不需要加工。有3種不同形式：第一種簡單轉(zhuǎn)錄單位，如組蛋白基因，它們沒有內(nèi)含子，因此不存在轉(zhuǎn)錄后加工問題，其mRNA3’末端沒有poly(A)，但有一個保守的回文序列作為轉(zhuǎn)錄終止信號。第二種簡單轉(zhuǎn)錄單位包括腺病毒蛋白IX、α-干擾素和許多酵母蛋白質(zhì)基因，它們沒有內(nèi)含子，所編碼的mRNA不需要剪接，但需要加poly(A)。第三種簡單轉(zhuǎn)錄單位包括α和β-珠蛋白基因及許多細胞蛋白基因，這些基因雖然都有內(nèi)含子，需要進行轉(zhuǎn)錄后加工剪接，還要加poly(A)，但它們只產(chǎn)生一個有功能的mRNA，所以仍然是簡單轉(zhuǎn)錄單位。當前51頁，總共59頁。簡單轉(zhuǎn)錄單位轉(zhuǎn)錄后加工有3種不同形式當前52頁，總共59頁。復雜轉(zhuǎn)錄單位。含有復雜轉(zhuǎn)錄單位的主要是一些編碼組織和發(fā)育特異性蛋白質(zhì)的基因，它們除了含有數(shù)量不等的內(nèi)含子以外，其原始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物能通過多種不同方式加工成兩個或兩個以上的mRNA。也有三種情況：利用多個5’端轉(zhuǎn)錄起始位點或剪接位點產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)利用多個加poly(A)位點和不同的剪接方式產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。這類基因調(diào)控點不在5‘末端和內(nèi)含子的不同剪接，而在于有兩個或多個加poly(A)位點，因此可通過不同的剪接方式得到不同的蛋白質(zhì)。雖無剪接，但有多個轉(zhuǎn)錄起始位點或加polyA位點的基因。當前53頁，總共59頁。當前54頁，總共59頁。

前mRNA不同的剪接方式造成了不同組織中不同的降鈣素樣蛋白當前55頁，總共59頁。mRNA有效性的調(diào)控真核生物能否長時間、及時地利用成熟的mRNA分子翻譯出蛋白質(zhì)以供生長、發(fā)育的需要，是與mRNA的穩(wěn)定性以及屏蔽狀態(tài)的解除密切相關(guān)的。