第八章基因的表达与调控（下） -...

分子生物学

第八章基因的表达与调控（下）

——真核基因表达调控模式

第五节其它水平上的调控

夏玉琼

2013-12-12

目录

蛋白质磷酸化

蛋白质乙酰化

激素

热激蛋白

2

分子生物学夏玉琼西安电子科技大学

细胞应答的一系列步骤

3

细胞外信号受体

细胞内信号蛋白

目标蛋白代谢酶基因调控蛋白细胞骨架蛋白

调节代谢调节基因表达

调节细胞形状和运动

I 外界信息的“感知”

II 染色质水平的基因活性调控

III 特定基因的表达

http://jpkc.scu.edu.cn/ywwy/zbsw(E)/edetail6.htm


蛋白质磷酸化与去磷酸化

生物体内普遍存在的信息传导调节方式

几乎涉及所有的生理及病理过程，如糖代谢、光合作用、细胞的生长发育、神经递质的合成与释放甚至癌变等

4

蛋白质蛋白质-nPi

蛋白激酶

蛋白质磷酸酯酶


跨膜信号传导的两种重要方式

5

酪氨酸激酶途径(PTK) 受体偶联的G蛋白途径http://jpkc.scu.edu.cn/ywwy/zbsw(E)/edetail6.htm

P是磷酸化

P是磷酸化


常见的蛋白激酶

受cAMP水平调控的A激酶

C激酶与PIP2， IP3和DAG

CaM激酶及MAP激酶

蛋白质磷酸化与细胞分裂调控

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受cAMP水平调控的A激酶（PKA）

Protein kinase A (PKA)

7

调节亚基

催化亚基

http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_kinase_A


C激酶(PKC)与PIP2, IP3, DAG

8

http://avantilipids.com/index.php?option=com_content&view=article&id=631&Itemid=244&catnumber=850155

HOOH

OH

O

O

O

PO

OHO-

P O-

HO

O

PHOO-

1 2 3

456O

NH4+

NH4+

NH4+

酶解

PI

PIP2

DAGIP3


PKC与PIP2, IP3, DAG

PIP2→IP3+DAGIP3引起细胞质Ca2+浓度升高

PKC从细胞质转运到靠近原生质膜（细胞膜）内侧处，被DAG和Ca2+的双重影响激活

PKC实施对丝氨酸/苏氨酸的磷酸化

9


PKC与PIP2, IP3, DAG

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细胞外

细胞内

PIP2

磷脂酶CDAG

Ca2+储存量控制的通道Ca2+

底物磷酸化

IP3

IP3敏感的Ca2+通道

内质网

Ca2+储存量耗散的信号

http://sky.scnu.edu.cn/life/class/cellbiology/kcln/8/clip_image020.jpg

1

22

3

DAG能提高PKC对钙离子的亲合力

2


CaM激酶

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Ca2+/钙调蛋白

未活化的CaM 激酶

活化的CaM 激酶

邻近磷酸引起的自磷酸化

不依赖于钙的磷酸化

CaM, 即钙调蛋白, 是与钙离子结合的蛋白质

CaM激酶应答于细胞内Ca2+水平 Ca2+

钙调蛋白

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%92%99%E8%B0%83%E8%9B%8B%E7%99%BD


MAP激酶

MAP激酶(mitogen(促细胞分裂剂)-activated protein kinase)

又称ERKS, extracellular-signal-regulated kinase受许多外源细胞生长、分化因子的诱导也受酪氨酸激酶及G蛋白受体的调控活性取决于MAP-激酶-激酶对其进行的磷酸化MAP-激酶-激酶受控于MAP-激酶-激酶-激酶MAP-激酶-激酶-激酶受控于C激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白

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MAP激酶

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http://jpkc.scu.edu.cn/ywwy/zbsw(E)/edetail6.htm

Ras蛋白和PKC激活丝氨酸/苏氨酸“瀑布式”磷酸化引起相关生理反应

细胞膜

MAP-激酶-激酶-激酶

MAP-激酶-激酶

MAP-激酶

蛋白质活性变化基因表达变化

活化的RaS蛋白


依赖于细胞周期蛋白（cyclin）的CDK

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P53蛋白P21蛋白

CDK 调控细胞分裂进程

P21蛋白↑结合 cyclin E-CDK2

磷酸化pRb蛋白

E2F DNA合成相关酶细胞G1→S结合激活促进

P21蛋白↓结合

cyclin E-CDK2磷酸化

pRb蛋白

E2F DNA合成相关酶细胞G1→S结合激活促进

G1 细胞休眠期 S DNA复制期

控制


依赖于细胞周期蛋白（cyclin）的CDK

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活性P53蛋白

转录调控

非活性

非活性活性

转录调控大量参与DNA合成的基因被激活，细胞进入S期


CDK活性的调控

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CDK活性受调控细胞周期蛋白磷酸化

细胞周期蛋白↑结合

活性CDK细胞周期蛋白-CDK复合物

CDK的酪氨酸位点去磷酸化，苏氨酸磷酸化


目录

蛋白质磷酸化

蛋白质乙酰化

激素

热激蛋白

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肿瘤抑制因子p53

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+++

DNA结合区N端酸性区

C端碱性区

非乙酰化

乙酰化

AcAc

p53参与多种信号通路调控，如细胞周期调控，DNA损伤修复，血管的生成与抑制，细胞凋亡等


p300/CBP等蛋白复合物

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P300/CBP复合物既能使组蛋白乙酰化，也能使p53乙酰化

组蛋白乙酰转移酶CBP/p300蛋白转录共激活子PCAF


目录

蛋白质磷酸化

蛋白质乙酰化

激素对基因表达的影响

热激蛋白

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常见激素及其作用

肾上腺皮质激素（类皮质激素）

21

22

氢化可的松（皮质醇）

能够提高血糖含量具有抗炎症能力

醛固醇

参与维持细胞内无机盐和水的平衡



性激素

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β-雌二醇

参与雌性特性的发育

睾丸酮

参与雄性器官的发育



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维生素D3

骨骼发育钙代谢反式视黄酸

（维A的酸性形式）

治疗皮肤病,抗肿瘤

三碘甲腺原氨酸（T3）调控体内的基础代谢水平


激素对靶基因的影响

通过起始基因转录影响靶基因

靶细胞的细胞质受体，和激素形成复合物

经修饰的受体-激素复合物进入细胞核中，与染色质的特定区域结合，导致基因转录的起始或关闭

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激素激素

受体

激素

受体


激素如何调控靶基因

激素应答元件 HRE 应答基因中20bp顺式作用元件

具有类似增强子的作用，活性受激素制约

激素调节转录的组织特异性靶细胞有大量激素受体蛋白

非靶细胞没有/很少有激素受体蛋白

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激素应答元件 HRE

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激素元件序列

糖皮质激素 GRE TGGTACANNNTGTTCT

雌激素 ERE GGTCANNNTGTCC

甲状腺素 TRE CAGGGACGTGACCGCA


激素受体蛋白的结构框架

中央DNA结合区：保守性极高 (42%-94%)

C端的激素结合区：有15%-57%同源性

N端：保守性小于15%

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DNA结合区激素结合区


激素激活受体分子的机制

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阻遏物激素结合位点

COOH

NH2

转录激活区

铰链区DNA结合区

固醇类激素阻遏物

有活性的DNA结合区

COOHNH2

激素、受体与顺式作用

元件的结合位点三者缺

一不可


激素调控基因转录：例

雌激素刺激鸡输卵细胞中卵清蛋白的合成雌激素注入鸡体内，输卵管组织开始合成卵清蛋白

停止雌激素供应，合成速度下降甚至消失

胰高血糖素促进糖原的分解胰高血糖素结合受体

激活腺苷酸环化酶，cAMP浓度升高

蛋白激酶活性增强，相应酶活性增强，糖原分解

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激素作用机理假说

受体流动假说激素-受体复合物在膜内移动→结合并激活腺苷酸环化酶→后续效应

中介物假说受体与酶间通过膜脂偶联证明：去膜脂后激素的信息传递中断

邻位互调假说腺苷酸环化酶有几种不同构象激素与GTP协同作用可使这几种构象之间发生转变

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目录

蛋白质磷酸化

蛋白质乙酰化

激素

热激蛋白

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热休克蛋白诱导的基因表达

应答元件的概念能与某个（类）专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的DNA上游序列

e.g. 热休克应答元件 HSE

e.g. 糖皮质应答元件 GRE

e.g. 金属应答元件 MRE

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热休克蛋白及相关蛋白和DNA

热激蛋白 (heat shock protein, HSP)生物在最适温度以上，受热诱导合成的蛋白

热激因子(heat shock factor, HSF)控制热激蛋白表达的转录因子

热激应答元件 (heat shock element,HSE)能与热激因子结合，控制基因特异表达的DNA上游序列（-60bp）

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HSP, HSF与HSE的关系

许多生物能受热诱导合成一系列热激蛋白HSP

热激因子HSF与hsp70基因TATA上游60bp处的HSE结合，诱发转录起始

使果蝇细胞内hsp70 mRNA水平提高1000倍

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热休克蛋白的分类

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家族主要成员主要生理功能

HSP90 HSP90, HSP83 促进甾醇激素受体与激素的结合及与DNA结合，调节激酶磷酸化活性

HSP70 HSP70, Hsc70, Bip,Dnat, Grp78

参与蛋白质代谢

小分子HSP HSP27，HSP16，Gro23

参与蛋白质折叠和去折叠及多聚复合物的装配

泛蛋白泛蛋白清除细胞内变性蛋白质


热休克基因的特点

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内含子少

适应HSP大量快速表达的需要

防止严重的热休克影响mRNA前体的剪接


热休克蛋白调节的表达机制

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P

P P

HSP70

P

P

PHSP70

单体HSF

热激

热激因子循环

模板DNA

5'nGAAnnTTCnnGAAn3'三体HSF

变性蛋白结合HSP70

热激温度消失

磷酸化HSF

HSF结合HSE

产生大量HSP70


HSF的结构

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DNA结合区疏水重复区 HSF1/2

同源区

HSF

M391KL395P

1-488

1-452

1-4281-3881-380

面积大代表HSF和mRNA结合作用强

37 44 oC

维持单体构象所必需

删除会导致常温下的高亲和力


HSF的作用机理

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常温

热激后

1 2 3

4

DNA结合区

1 2 3 4

1号链与4号链作用形成单体HSF

内源拉链之间解离蛋白质伸展成长链形成三体HSF


小结

蛋白质磷酸化: 信号传递，PKA，PKC, CaM激酶, MAP激酶, 细胞分裂调控

蛋白质乙酰化: p53蛋白乙酰化

激素对基因表达的影响: 激素、受体、激素应答元件

热激蛋白对基因表达的影响: 热激蛋白HSP, 热激因子HSF, 热激应答元件HSE

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