第三章细胞分化的分子机制转录后的调控

1、第三章 细胞分化的分子机制 转录后的调控真核生物： dna nrna（核） mrna （质）第一节第一节 rnarna加工水平的调控加工水平的调控大多数编码细胞特异性蛋白质的基因选择性表达的调控主要发生在转录水平，但转录后调控对决定蛋白质结构和功能重要（一）、异质性核（一）、异质性核rnarna（hnrnahnrna）由于转录模板不同，由于转录模板不同，nrna的长度和性质差别较大的长度和性质差别较大分子量： nrnamrna；半寿期： nrna mrna；复杂性： hnrnamrna，核苷酸序列多样性一、mrna前体和mrna（二）、前体mrna的加工对 早期发育的调控海胆： 囊胚期与长腕幼

2、虫期细胞囊胚期与长腕幼虫期细胞nrnanrna相同；相同； 囊胚期处于转录激活状态的囊胚期处于转录激活状态的dnadna序列与长腕幼虫期序列与长腕幼虫期完全一致；完全一致； 随着发育进程由基因组随着发育进程由基因组dnadna的转录所产生的细胞质的转录所产生的细胞质mrnamrna的复杂性逐渐减小；的复杂性逐渐减小； 早期胚胎发育的调控机制：早期胚胎发育的调控机制：存在加工水平的差异存在加工水平的差异早期发育对rna信息的选择不同类型细胞 对nrna的选择不同rna加工前三个胚层中的加工前三个胚层中的rna量无差异量无差异。ect en/mes加工后的加工后的rna主要存在于主要存在于外胚层中

3、。外胚层中。核酸保护实验核酸保护实验(放射性放射性intron或或exon探针与总探针与总rna杂交后再杂交后再rnase消化消化)表明：表明：海胆钙结合海胆钙结合蛋白基因蛋白基因cyiiia在原肠胚的外在原肠胚的外胚层中表达胚层中表达核酸核酸run-on(在膜上固定在膜上固定intron序列与放射性序列与放射性rna探针杂交探针杂交)实验表明：实验表明：spec1基因在原肠胚基因在原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达，但成熟的的内、中、外胚层细胞核中都表达，但成熟的spec1 mrna只存在于外胚层中。只存在于外胚层中。nrna（一）、同一基因的初始转录物（一）、同一基因的初始转录物（nrn

4、anrna） 经选择性拼接可产生不同的成熟经选择性拼接可产生不同的成熟rnarna原肌球蛋白基因二、rna加工水平的调控-原肌球蛋白基因nrnamrnab淋巴细胞的dna，发生重排生殖细胞的dna重链可变区（抗原结合区）在淋巴细胞形成过程中，发生基因重 排（dna水平）重链恒定区发生分子转换，该模式通过rna加工完成前体rna区区igmigd相同基因在不同发育时期或不同组 织细胞中拼接不同，合成不同的蛋白质降钙素/神经多肽cgrp mrna前体果蝇性别表型的决定事件，通过果蝇性别表型的决定事件，通过3 3个主要性别决定基个主要性别决定基因因rnarna的不同拼接模式，引起差异基因表达的不同拼接

5、模式，引起差异基因表达选择性rna加工与性别决定（二）、rna 3末端的决定绝大多数真核生物nrna在剪接之前，先进行3末端断裂和多聚腺苷酸化加工，这种加工由顺式和反式作用元件调控。1、顺式作用元件 aauaaa序列：位于3末端，对其下游10-30bp位点发生的裂解是必需的； gu或u富积序列：位于3末端aauaaa区域下游，调控mrna 3末端裂解的效率。2、反式作用元件 （人癌细胞） 特异性核蛋白因子：可识别发生裂解和进行多聚腺苷酸化的顺式因子； poly（a）聚合酶：用于合成多聚腺苷酸尾； 裂解因子i和ii：mrna前体的裂解酶； 裂解刺激因子：可显著提高裂解反应的效率（三）、mrna向

6、核外的运输 推测：rna在核基质内完成转录和加工，然后将mrna运输到核膜孔，由此运出核外，但机制尚不十分清楚。 然而，已知细胞分化中基因选择性表达调控的另一种方式是细胞核以何种方式处理mrna前体，通过调控，有的mrna运出核外，有的不能运出； 已发现：一种特殊的病毒蛋白对于mrna运输是必需的。第二节第二节 翻译和翻译后的调控翻译和翻译后的调控 1. 翻译过程翻译过程（mrna 特异多肽链的合成）aug氨基酰氨基酰-trna与核糖体结合；与核糖体结合；aa离开离开trna，aa之间肽键、之间肽键、缩合；核糖体沿缩合；核糖体沿mrna移动；移动；uag uaa uga一、翻译水平的调控3 3

7、个阶段个阶段2. mrna寿命的不同对蛋白质合成的调控寿命的不同对蛋白质合成的调控 通过通过mrna的选择性降解和的选择性降解和mrna稳定性不同调控蛋白质的合成稳定性不同调控蛋白质的合成rabbit3不同基因的不同基因的mrna的半衰期不同，主要受其的半衰期不同，主要受其3utr控制。控制。短寿命短寿命mrna的的3utr通常含有一个或多个通常含有一个或多个au富集区富集区，其作用是促进，其作用是促进poly(a)降解。降解。-珠蛋白珠蛋白rna的的3utr中含有中含有3个个c富集区，稳定，半衰期富集区，稳定，半衰期17h一种生长因子一种生长因子mrna的半寿期不超过的半寿期不超过30min

8、mrna降解性能的差异可以影响细胞的功能降解性能的差异可以影响细胞的功能c-fos mrna 5utr coding sequence 3utr成纤维细胞成纤维细胞肿瘤细胞肿瘤细胞au富集区富集区c-fos基因编码正常成纤维细胞分裂必需的一种蛋白质3. 激素对特定激素对特定mrna稳定性的影响稳定性的影响如如prolactin（泌乳刺激素）仅提高牛的（泌乳刺激素）仅提高牛的casein（酪蛋白）基（酪蛋白）基因转录水平因转录水平2倍，提高其倍，提高其mrna寿命寿命25倍，使倍，使mrna更多次更多次的翻译。的翻译。二、早期发育中母体效应因子的影响1、卵母细胞中合成并贮藏大量的发育信息（mrn

9、a和蛋白质），这些信息在排卵以前至早期发育过程中逐渐被利用；2、每个卵母细胞中贮藏 20 000 50 000种不同的mrna，每种mrna大约1 600个拷贝；3、贮藏的信息在卵细胞中梯度分布或者均匀分布1 1、卵母细胞中翻译调控机制的假说、卵母细胞中翻译调控机制的假说hmrna maskingmrna masking（掩蔽）（掩蔽）: : mrna mrna与其它蛋白结合成与其它蛋白结合成ribonucleoprotein ribonucleoprotein (rnp) complex,(rnp) complex,阻止与核糖体结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或阻止与核糖体结合；卵成熟或受

10、精后，离子强度改变或蛋白磷酸化等导致蛋白磷酸化等导致rnprnp不稳定不稳定/ /解体，翻译得以进行。解体，翻译得以进行。h5 cap5 cap（7-7-甲基鸟苷酸）的调控：甲基鸟苷酸）的调控：如某些种类如某些种类( (蛾蛾) )，其卵中的部分，其卵中的部分mrnamrna的的5-5-鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。hmrna sequestermrna sequester（隐蔽）（隐蔽）: : 指指mrnamrna被阻隔于蛋白合成装置。如海胆未受被阻隔于蛋白合成装置。如海胆未受精卵的组蛋白精卵的组蛋白 mrnamrna定位于原核中，受精后原核破裂，

11、定位于原核中，受精后原核破裂，mrnamrna才能进入胞质才能进入胞质开始翻译。开始翻译。hpoly(a)poly(a)对翻译的调控：对翻译的调控：卵母细胞减数分裂成熟前后，卵母细胞减数分裂成熟前后，mrna polyamrna polya的长度的长度发生变化（由发生变化（由3utr3utr调控）。带长调控）。带长polyapolya的的mrnamrna具翻译活性具翻译活性h翻译效率的调控：翻译效率的调控：如将海胆卵母细胞裂解液的如将海胆卵母细胞裂解液的phph从自然状态下的从自然状态下的ph6.9ph6.9提提高到高到ph7.4ph7.4（受精后自然状态下的（受精后自然状态下的phph）,

12、,蛋白质合成量急剧增加。受精后蛋白质合成量急剧增加。受精后phph升高的作用升高的作用可能包括去除可能包括去除mrnamrna的封闭蛋白和激活翻译起始因子。的封闭蛋白和激活翻译起始因子。三、翻译和翻译后调控的机制poly(a)对翻译的调控：对翻译的调控： 在小鼠的未成熟卵母在小鼠的未成熟卵母细胞质中可以翻译的细胞质中可以翻译的mrna具有较长的具有较长的poly(a), 减数成熟分裂后减数成熟分裂后poly(a)降降解，翻译终止。解，翻译终止。 在减数成熟分裂前不在减数成熟分裂前不表达的表达的mrna的的poly(a)较较短短(15-90a), 但其但其3utr具具有胞质多聚腺苷酸化信号有胞质

13、多聚腺苷酸化信号序列序列(cpes)(uuuuau in mice and frogs)。减数成。减数成熟分裂后这些熟分裂后这些 mrna迅速迅速加上一个长的加上一个长的polya,开始开始翻译。翻译。 2. 秀丽隐杆线虫发育的翻译调控秀丽隐杆线虫发育的翻译调控 mrna 3utr调控配子的决定调控配子的决定tra-2tra-2是卵子发育所必需的一种蛋白质，如果tra-2 mrna翻译活性被抑制，生殖细胞精子； tra-2 mrna的3utr区含有2个区域，它们可能结合在幼虫精子发生时合成的抑制蛋白；如果这两个区域突变，精子不能形成3 utr对发育的时空调控作用：调控配子的决定；调控许多卵母细

14、胞贮存mrna的翻译活动；调控一些mrna在卵母细胞中的定位；参与某些组织分化的维持fem-3是精子发育所必需的一种蛋白质，如果fem-3 mrna翻译活性被抑制，生殖细胞卵子；在幼虫四龄时， fem-3 mrna 3utr区结合翻译抑制因子（tra-2）， 成体血红蛋白成体血红蛋白 2n2n中，中，44和和22珠蛋白基因珠蛋白基因44肽链肽链2/22/2 - mrna:- mrna = 1.4:1 - mrna:- mrna = 1.4:1 珠蛋白珠蛋白:珠蛋白珠蛋白 = 1:1= 1:1 平衡调节机制：平衡调节机制： 两者竞争翻译起始因子两者竞争翻译起始因子 珠蛋白珠蛋白mrnamrna具有更强的与具有更强的与 翻译起始因子结合的能力翻译起始因子结合的能力 3. 血红蛋白翻译水平的调控血红蛋白翻译水平的调控 4. rna编辑编辑血清脂质携带蛋白rna编辑是指在已有的rna分子上改变（缺失、插入或置换）一个特定的碱基以改变遗传信息，使翻译生成的蛋白质氨基酸组成，不同于基因序列中原有的编码信息5 5、翻译后水平上的调控、翻译后水平上的调控h一条长链被剪切并除去部分而激活一条长链被剪切