分子生物学第一篇基因表达调控和蛋白质修饰

分子生物学第一篇:基因表达调控和蛋白质修饰基因组(Genome):DNARNA量“C:C:DNA总量（单倍体基因组CC值悖论。基因表达(Geneexpression):在一定调控机制下基因经过激活、转录、翻译、等过程产生具有生物学功能分子从而赋予细胞一定功能或表型，即基因的转录和翻译的过程。（Regulationofgenexpression):细胞或生物体接受环境信号刺激或适应环基础基因表达(basicgeneexpression)：又称持续性/组成型基因表达(constitutivegeneexpression）: 不易受环境变化而改变的基因表达。这其中包括一类“管家基因(housekeeping,这类基因产物是细胞生存活动所必需的在个体各生长阶段都表达。可调节基因表达(regulatedgene易受环境变化而改变的基因表达。对环境应答时被增强表达的过程称为诱导(induction),被激活的基因称为可诱导基因(induciblegenes)repression)，被抑制的基因称为可阻(repressiblegenes)基因表达规律:组织特异性(tissuespecificity)时间特异性(temporalspecificity)基因表达调节的生物学意义:(一)适应环境，维持生长和增殖(二)维持个体发育与分化.真核细胞的结构特性:1隔开2(monocistron)基本上没有操纵元件的结构，3、以核小体为单位的染色质结构，以及众多DNA结合蛋白质成为调节基因开闭的重要DNA等，也增加了基因表达调控的层次和复杂性。基因表达调节的主要阶段1(transcriptionalreguto)本或最重要的调控）2RNA(RNAsplicig3、RNA转运和定位过程(transportationandlocalization4、翻译调控(translationalregultion)5mRNA(mRNAstabiliy6(proteinprocessingation)：典型的间期(interphas30nm的纤维被压缩40-50倍)(euchromatin常染色质约10%(activechroma0nm的6(inactivein)活性染色体的重要特征DNA酶I超敏位点(DNaseIHypersensitiveSite(s酶I超敏位点的出现是活性染色质的重要特点之一）I(DNaseDNA的任意位点。但染色之中有少数100倍以上，被称为DNAIDNAI100-200bp5’侧3DNA拓扑结构变化(DNAtopology)天然双链DNA的构象大多为负性超螺旋。基因活跃转录时RNA聚合酶转录方向的前方的DNA结构是正性超螺旋，其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶迁移转录，而负性超螺旋自有利于核小体再形成。DNA碱基修饰变化(DNAmodification)CpG序列的甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合而影响转录。(histonemodification)DNADNA蛋白成分的加入，组蛋白解聚与释放。染色质重塑：通过调整核小体的相位，中和组蛋白尾巴碱性氨基酸残基（赖氨酸K、精H等DNA的结合，降低相邻核(chromatin。染色质重塑是基因表达表观遗传水平上控制的主要调控方式,包括：ATP物理修饰：即ATPDNA滑动，或使核小体解离并重新装配。延伸中RNAII,此染色质物理重塑复合体对于转录延伸也具有重要意义。染色质的共价化学修饰化和泛素化等。主要发生在组蛋白末端的尾部，尤其是核心组蛋白的氨基末端尾部。组蛋白末端部分含有一些带活性基团的氨基酸残基，这些氨基酸残基成为各种化学修饰的靶点。（酶：eacetyl：转录激活的标志，多发于组蛋白暴露在外的N（HDAC与转录抑制相关，并参与多条信号传导通路。（e组蛋白泛素化(E1subiquitin-activatingenzymesE2subiquitin-conjugatingenzymes;E3s,ubiquitinligases：H2AK119H2BK120泛素化激活转FACT帮助下在转录延伸中发挥作用。SUMO化:4H4H2AH2B上都已发现了一些特异位SUMO组蛋白聚ADP核糖基化：可以在组蛋白上加上1个MARTmono-ADP-ribosyltransferase)或多个ADP分子DNADNA（构象变化可逆。脯氨酸异构化(酶：PPIase，peptidylprolylProlylH3尾部的脯氨酸异构化(H3P38),H3P36的甲基化水平。组蛋白尾部上的大量修饰使得它们之间可能互相干扰，修饰间的相互对话可能发生在不同水平。细胞不同阶段和不同功能活动中组蛋白化学修饰可以是不同的，主要表现为：(1)组蛋白化学修饰类型可能是单一的，也可能是多种联合;(2)空间上，各种化学修饰的组蛋白底物可能相同，也可能不同；(3)时间上，各种化学修饰可能是同时的，也可能不同时；(4)功能上，各种化学修饰的效应可能是协同的，也可能相反。真核基因正性调节占主导基因转录的順式调节在分子遗传学领域，相对同一染色体或DNA分子而言为“順式”(cis)，对不同染色体或DNA分子而言为“反式”(trans)。DNADNA启动子(promoter)RNA-15100-200bp内7~20bpDNARNAII转录起始和转录频率的关键元件。(transcriptionstartsite，TSS-30，-75，-90)以及一个以上的机能元件。机能元件典型的为TATA盒，共有序列为通常位于-30~-25bpTATATATA盒TATAAAAGCGGGCGGCAAGGCCAATCT八聚体ATTTGCATҠBGGGACTTCCATFCTGACGT分类：(corepromoterelement,II起始转录所必需的最小的-30~-25bpTATA-40~+50bpDNA序列。单独作用只能确定转录位点和产生基础水平的转录。(UpstreampromoterTATATATA盒转-110~-30bpGC盒（GGGCGG)的GCTATASp-1(specificityprotein1结合位点，TATAGC盒的启示转录，RNAII(initiator)上,它只有较弱保守序列5’3增强子(enhancer)：远离转录起始点（1~30kb),决定基因的时间、空间特异性表达增强DNA100~200bp,其中的核心组8~12bp,可以但拷贝或多拷贝串联的形式存在。增强子的作用特点可归结如下：DNA1~4kb,个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；中出现；增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同的启动子；增强子一般具有组织或细胞特异性。/过蛋白之间的相作用，形成增强子和启动子间的“成环‘连接的模式活化转录。沉默子(silencer)DNA(negativeregulatoryNRE)能RNA聚合酶的进入，抑制基因转录。沉默子的作用可不受距离和方向（有例外）的限制，并可对异源基因的表达起作用。(generaltranscriptionfactor,GTF)基因。绝缘子)作用。绝缘子重要功能是对抗增强子对启动子不加鉴别地发挥作用，阻断增强子的效应扩撒。因而绝缘子增加了基因调控的精准性。基因转录的反式调节蛋白质因子可分为三大类：1RNA聚合酶和基本转录因子(generaltranscription。它们结合DNA(pre-initiationcomplex,PIC)，启动基因的转录。2（如激活因子和抑制因子强子特异结合的转录因子，具有细胞及基因特异性，可以增强或抑制靶基因的转录。3辅调节因子，它们往往在转录因子和前DNA复制起始复合体之间形成桥梁作用，还可以改变局部染色质的构象，对基因转录的起始具有推动作用。基本转录机件RNA聚合酶(RNApolymerase):1RNA聚合酶I 转录核糖体RNA，其转录产物是45S经剪接修饰生成除小亚rRNA(SSrRNA)外的各种rRNA；2、RNA聚合酶Ⅱ主要转录编码蛋白质的基因和一些snRNA；3、RNA聚合酶Ⅲ转录产物都是相对分子质量小的RNA，如tRNA、SSrRNA、snRNA.基本转录因子TATATBP8TBP(TBPassociatedTFⅡD，是DNARNA转录时都需要。反式作用因子（1）DNADNADNA结合域结构形式是锌指结构及碱性氨基酸所形成的α构①锌指(zincfinger，Znf)结构：②((结构③碱性亮氨酸拉链(basicleucinezipper，bZIP)：(2)蛋白质因子的转录激活域(activatingdomain)DNA30～100个氨基酸残基组成。据氨基酸组成特点，转录激活域分为：①带负电荷的α螺旋结构或酸性α螺旋(acidicGAL-4GCN-4等都含有TFIID(glutamine-richdomain)：SP-1N2个主要的转录激活25HAP-2GAL-2、、AP-2SRF也含有这种结构域。proline-rich家族CTF-1CTF-2CTF-3)C末端与2030％的脯氨酸残基。辅调节因子(coregulators)通过直接或间接地与特异转录因子或基本转录机件的蛋白亚基结合而参与基因转录的DNA(coregulator)相互作用，使基因表达的调控更为有效和精细。不同细胞对同一核(。辅激活因子作为核受体和基础转录复合物之间的桥梁分子发挥作用，且调节了不同靶基因的表达，参与了核受体反应的细胞特异性调节，并与其他信号途径相互联系。它们通过蛋白质一蛋白质直接相互作用激活基因转录。另外一类辅激活因子不但能与特异转录因子和基本转录机件结合而起桥梁作用，而且本身还具有乙酰化转移酶的活性，参与染色质的重塑和基因转录的调控。辅抑制因子核受体中的视黄酸受体、甲状腺素受体等在无配体结合时，也能与DNA上DNA子所识别和结合的区域，即辅抑制因子可排斥辅激活因子与核受体的结合。NCoR(nuclearcorepressorSMRT(silencingmediatorforretinoidandthyroidhormonereceptors均可特异地与甲状腺素受体及视黄酸受体相结合，以抑制基因的转录。NCoR/SMRTSin3A组e及其他相关蛋白形成“抑制复合体NCoR/Slx/IRT等辅抑制因子脱离核受体，而代之以SRC-1、CBP2p300等辅激活因子与核受体结合，从而激活基因的转录。中介因子(mediators)中介因子是一类能与转录因子相互作用，影响转录因子功能的蛋白质复合体。这些复7～18介因子在基因转录调控中的作用不尽相同。中介因子DRIPSUR2RNA聚合酶Ⅱ的相互作用而在转录前起始复合体的形成上起桥梁的作用TFⅡHRNACTD的磷酸化促进转录的延伸。NAT可以抑制转录，抑制效应可能是通过其亚基Cdk8TFⅡHH亚基TFⅡHRNA聚合酶ⅡCTD**TRAP/SMCC在不同条件下既可以活化转录，又可以抑制转录。基因转录的延伸和终止在延伸因(elongationfactor) 如TFⅡFelonginSⅡTFⅡHP-TEFb等)作用下，RNA聚合酶Ⅱ转录起始复合物脱离转录起始位点顺着转录出的RNA链开始延伸。这些因子的作用各有不同，但大多数是通过增强聚合酶克服其延伸阻力来调控转录的延伸SⅡ:激活RNA聚合酶Ⅱ的3’ 5’核酸酶活性，使暂停的RNA聚合酶继续延;ELL和elongin抑制聚合酶的暂停作用；TFⅡHP-TEFbRNA聚合酶促进延伸。RNARNARNA链在连接多聚核苷接尾处断裂。真核基因转录后调控：指基因转录起始后对转录产物进行一系列修饰、加工的过程，主要包括转录的提前终止、mRNA的剪接和加工、RNA出核及胞质内定位的调控、RNA编辑、mRNA的稳定性、小RNA对基因表达抑制的调控等多个环节。转录后调控可以使遗传信息有更加多样的选择性。（一）转录的提前终止(transcriptionattenuation)DNADNADNA链的环状结构的影响等，使转录起始复合物被迫停止在一定的位置上，转录链终止。真核细胞转录提前终止产生的RNA片段可能像选择性剪接错误(见后述)产生的无意义RNA一样被降解。因而也构成基因表达调控的一种机制。（二）mRNA的选择性剪接RNAmRNA的前体(pre-mRNA)(splicing)mRNA(mRNA)。1．RNA的剪接方式在剪接过程中，剪接体依次删除mRNA前体中的所有内含子的“规范”的剪接方式称为常规剪接(constitutivesplicing);然而有约40%~60%的基因存在不同的剪接方式，称为变位剪接(alternativeRNAsplicing，又称选择性剪接或可变剪接)。界定(intron5’(exon。变位剪接，使得同一基因可以产生产生多种不同类型的mRNA转录产物，编码具有各种功能的蛋白质，增加蛋白质的多样性及生物功能的复杂性。2．选择性剪接的调控mRNA的剪接是基于对剪接位点的识别，剪接体(spliceosome)完成。Spliceosome5snRNAs(U1,U2U4U5,U6>200proteins=5snRNPs蛋白质颗粒）>50proteinsSRSRhnRNPRNA螺旋因子也参与了对选择性剪接的调控。基本剪接因子间的协同作用和拮抗作用以及相对丰度的改变可以影响剪接位点的选择；特异性剪接因子可以调控特异的剪接过程。RNA剪接的顺式元件和反式因子:剪接复合体在pre-mRNA形成的系列复合过程（三）RNA出核和转运调控在哺乳动物中，被转运出核的RNARNA1/20，大多数RNA都被剪接加(3poly(A)的序列RNA和被破RNA(exosome降解。外切体的核心是一个由六个亚基组成的环状结构，外围的亚基都结合在这一环状结构上。外切体包含一些不同的核酸内切酶亚单位，可以降解不同的RNA。RNA分子的出核转运是在对mRNA加工完成后进行的。因此任何阻碍RNA剪接完成的机制都将成为RNA出核的障碍。（四）RNA编辑RNARNARNA(delition)(insertion)(chimera)RNARNA编辑RNAs(guideRNAs，gRNAs)RNA所介导的。mRNA与翻译水平调控：3mRNA5’末端，40SmRNA滑动等决定了翻译相关因子的磷酸化控制蛋白质起始作用，mRNA的结构和稳定性也与翻译调控密切相关。（一）起始因子磷酸化真核生物在应激情况下，通过激活蛋白激酶使其起始因子(eIF2A,Eukaryotictranslationinitiationfactor2A的磷酸化,在翻译水平调节基因的表达，这是一种重要的调节方式。eIF2AmRNAmRNA可能存在较广泛，是生物体适应环境变化并生存下来行之有效的手段之一。eIF2的磷酸化对翻译的抑制作用eIF2eIF23ATP的参与下与Met–tRNA特异结合。AUG60S亚单位核糖80S翻译起始复合物，进行肽链的合成和延伸，同时释放eIF2GTPeIF2eIF2-GTP-Met-tRNAi复合物形成的循环中，继续进行翻译起始过程。eIF2HRIGDPeIF2BeIF2的再oeIF2可以使其进入非增生的静止状态期。eIF4F的磷酸化对蛋白质合成速率的激活作用αeIF4FE最小2.5×104),mRNA5’m7G帽子结合，(capbindingγp220最大2.2×105),eIF340S核糖体亚单位相互作用RNA和主要蛋白结合提供静电接触；βeIF4FARNAATP(正常翻译时，eIF4FmRNA5m7G结合后，40S-eIF2-GTP-Met-tRNAi复合物才能与mRNAeIF4F磷酸化后，在高活5倍。GCN4mRNA翻译的调控mRNA5。如果mRNAAUG密mRNA(uORF，supstreamopenreadingframes)uORFsuORFs只具有调节功mRNAuORFuORFmRNA分离，从而抑制下游基因的翻译。PERKGCN2eIF2磷酸化作用抑制了大mRNA翻译，但选择性激活ATF4(actingtranscriptionfactor4)

白质合成。这一发现提示，在应激情况下