1、關于真核基因表達調控 (4)第一頁，共141頁幻燈片v與原核生物比較，真核生物的基因組更為復與原核生物比較，真核生物的基因組更為復雜。真核生物基因的表達調控系統遠比原核雜。真核生物基因的表達調控系統遠比原核生物復雜。生物復雜。v真核生物（除酵母、藻類和原生動物等單細胞類之外）主要由多細胞組成，每個細胞基因組中蘊藏的遺傳信息量及基因數量都大大高于原核生物。人類細胞單倍體基因組有3109bp，為大腸桿菌總DNA的800倍，噬菌體的10萬倍左右！第二頁，共141頁幻燈片真核生物基因表達與調控的復雜性：v（1）真核生物具有由核膜包被的細胞核，其真核生物具有由核膜包被的細胞核，其基因的轉錄發生在細胞核中

2、，而翻譯則發生基因的轉錄發生在細胞核中，而翻譯則發生在細胞質中在細胞質中v（2）基因組結構龐大。基因組結構龐大。真核生物基因數目比真核生物基因數目比原核生物多，大多數基因除了有不起表達作原核生物多，大多數基因除了有不起表達作用的內含子，另外還有更多調節基因表達的用的內含子，另外還有更多調節基因表達的非編碼序列，真核生物所轉錄的前體非編碼序列，真核生物所轉錄的前體mRNA必須經過加工成熟后才進入表達階段。必須經過加工成熟后才進入表達階段。第三頁，共141頁幻燈片(3)形成染色體結構。形成染色體結構。真核生物染色質由DNA與5種組蛋白結合組成，它們折疊和纏繞形成核小體，核小體及染色質進一步折疊纏繞

3、形成細胞分裂的中期染色體。染色質的結構對基因的表達起總體控制作用。第四頁，共141頁幻燈片（4）重復序列。重復序列。真核生真核生物基因普遍存在重復序物基因普遍存在重復序列和異染色質。列和異染色質。大多數大多數為非編碼區。為非編碼區。（5）斷裂基因。斷裂基因。有外顯有外顯子和內含子。子和內含子。 （6）發育過程中高度分化的機制（7）信號傳遞復雜第五頁，共141頁幻燈片1.根據其性質可分為兩大類：根據其性質可分為兩大類：一是一是瞬時調控或稱為可逆性調控瞬時調控或稱為可逆性調控，它相當于原核細胞對環境條件變，它相當于原核細胞對環境條件變化所做出的反應。瞬時調控包括某種底物或激素水平升降時，及細胞化所

4、做出的反應。瞬時調控包括某種底物或激素水平升降時，及細胞周期不同階段中酶活性和濃度的調節。周期不同階段中酶活性和濃度的調節。二是二是發育調控或稱不可逆調控發育調控或稱不可逆調控，是真核基因調控的精髓部分，是真核基因調控的精髓部分，它決定了真核細胞生長、分化、發育的全部進程。它決定了真核細胞生長、分化、發育的全部進程。真核生物基因表達調控的種類：第六頁，共141頁幻燈片2.根據基因調控在同根據基因調控在同一事件中發生的先后一事件中發生的先后次序又可分為：次序又可分為：第七頁，共141頁幻燈片真核基因表達調控的環節更多真核基因表達調控的環節更多v真核基因轉錄發生在細胞核真核基因轉錄發生在細胞核(線

5、粒體基因的轉錄在線粒線粒體基因的轉錄在線粒體內體內)，翻譯則多在胞漿，兩個過程是分開的，因此其調控，翻譯則多在胞漿，兩個過程是分開的，因此其調控增加了更多的環節和復雜性增加了更多的環節和復雜性.v同原核生物一樣，轉錄依然是真核生物基因表達調控同原核生物一樣，轉錄依然是真核生物基因表達調控的主要環節。的主要環節。v但轉錄后的調控占有了更多的分量。但轉錄后的調控占有了更多的分量。 第八頁，共141頁幻燈片v8.18.1真核生物的基因結構與轉錄活性真核生物的基因結構與轉錄活性 v8.28.2真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表達調控水平上的基因表達調控 v8.38.3真核生物轉錄水平上的基因表

6、達調控真核生物轉錄水平上的基因表達調控 v8.48.4真核基因轉錄后水平上的調控真核基因轉錄后水平上的調控Contents第九頁，共141頁幻燈片8.1真核生物的基因結構與轉錄活性v1.真核細胞與原核細胞的差異v2.基因家族（gene family)v3.斷裂基因第十頁，共141頁幻燈片1.真核細胞與原核細胞在基因轉錄、翻譯及DNA的空間結構方面存在以下幾個方面的差異 P282 試說明真核細胞與原核細胞在基因轉錄，翻譯及DNA的空間結構方面存在的主要差異，表現在哪些方面？ 武漢大學2003年分子生物學碩士入學試題 第十一頁，共141頁幻燈片 在真核細胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽

7、鏈，很少存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。 真核細胞DNA與組蛋白和大量非組蛋白相結合，只有一小部分DNA是裸露的。第十二頁，共141頁幻燈片 高等真核細胞DNA中很大部分是不轉錄的，大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內含子。 真核生物能夠有序地根據生長發育階段的需要進行DNA片段重排，還能在需要時增加細胞內某些基因的拷貝數。第十三頁，共141頁幻燈片 在真核生物中，基因轉錄的調節區相對較大，它們可在真核生物中，基因轉錄的調節區相對較大，它們可能遠離啟動子達幾百個甚至上千個堿基對，這些調節區一能遠離啟動子達幾百個甚至上千個堿基對，這些調節區一般通過改變整個所控制基因般通過改變整個所控

8、制基因5上游區上游區DNA構型來影響它構型來影響它與與RNA聚合酶的結合能力。聚合酶的結合能力。 在原核生物中，轉錄的調節區都很小，大都位于啟動子上游在原核生物中，轉錄的調節區都很小，大都位于啟動子上游不遠處，調控蛋白結合到調節位點上可直接促進或抑制不遠處，調控蛋白結合到調節位點上可直接促進或抑制RNA聚合酶與它的結合。聚合酶與它的結合。第十四頁，共141頁幻燈片 真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經轉運穿過核膜，到達細胞質后，才能被翻譯成蛋白質，原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。 許多真核生物的基因只有經過復雜的成熟和剪接過程，才能順利地翻譯成蛋白質。第十五頁，共141頁幻燈片真核生物的

9、基因組中有很多來源相同、結構相似、功能相關的基因，這些基因成套組合稱為基因家族。 同一家族中的成員有時緊密地排列在一起，成為一個基因簇(gene cluster) 。如：編碼組蛋白、免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都屬于基因家族2.基因家族（gene family)第十六頁，共141頁幻燈片 多基因家族大致可分為兩類：一類是基因家族成簇地分布在某一條染色體上，它們可同時發揮作用，合成某些蛋白質，如組蛋白基因家族就成簇地集中在第第7 號染色體長臂號染色體長臂3區區2帶到帶到3區區6帶帶區域內；另一類是一個基因家族的不同成員成簇地分布不同染色體上，這些不同成員編碼一組功能上緊密相關的蛋白質，如珠蛋白 基

10、因家族。 第十七頁，共141頁幻燈片 珠蛋白是一個多基因家族，在人類的第16號染色體上發現了7個類a珠蛋白基因，在第11號染色體上發現了6個類b珠蛋白基因。 在約5億年前，祖先珠蛋白基因經重復和歧化產生了原始的a珠蛋白基因和b珠蛋白基因，再追溯至8億年前，這個祖先珠蛋白基因本身也是通過 基因重復而產生的，它的另一份拷貝進化為現今的肌紅蛋白(myoglobin)基因，肌紅蛋白基因的組成和珠蛋白基因相似，其主要功能也同珠蛋白一樣是貯 存氧，因此我們可以將三個外顯子結構看成是它們共同的祖先。 第十八頁，共141頁幻燈片第十九頁，共141頁幻燈片v1、簡單多基因家族v2、復雜多基因家族v3.發育調控的

11、復雜多基因家族第二十頁，共141頁幻燈片v大多數真核基因大多數真核基因在在DNADNA分子上是不連續的，分子上是不連續的，都都是由蛋白質編碼序列和非蛋白質編碼序列兩是由蛋白質編碼序列和非蛋白質編碼序列兩部分組成，部分組成，其中編碼的序列稱為其中編碼的序列稱為外顯子外顯子(Exon) ，非編碼序列稱，非編碼序列稱內含子內含子(Intron) 。3.斷裂基因第二十一頁，共141頁幻燈片v斷裂基因（斷裂基因（interrupted gene）：在一個基）：在一個基因結構中，編碼某一蛋白質不同區域的各個因結構中，編碼某一蛋白質不同區域的各個外顯子并不連續排列在一起，常常被長度不外顯子并不連續排列在一起

12、，常常被長度不等的內含子所隔離，形成鑲嵌排列的斷裂方等的內含子所隔離，形成鑲嵌排列的斷裂方式，稱為斷裂基因。真核基因有時被稱為斷式，稱為斷裂基因。真核基因有時被稱為斷裂基因。裂基因。 第二十二頁，共141頁幻燈片v真核基因斷裂結構的另一個重要特點是外顯真核基因斷裂結構的另一個重要特點是外顯子子-內含子連接區（內含子連接區（exon-intron junction）的的高度保守性和特異性堿基序列高度保守性和特異性堿基序列。 第二十三頁，共141頁幻燈片v8.18.1真核生物的基因結構與轉錄活性真核生物的基因結構與轉錄活性 v8.28.2真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表達調控水平上的基因

13、表達調控 v8.38.3真核生物轉錄水平上的基因表達調控真核生物轉錄水平上的基因表達調控 v8.48.4真核基因轉錄后水平上的調控真核基因轉錄后水平上的調控Contents第二十四頁，共141頁幻燈片8.2 DNA水平的基因表達調控水平的基因表達調控 v1染色質水平的調節：染色質水平的調節：“開放開放”型活性染色質型活性染色質（activechromatin）結構對轉錄的影響）結構對轉錄的影響 v2基因擴增基因擴增v3基因重排與交換基因重排與交換v4 DNA甲基化與基因活性的調控甲基化與基因活性的調控第二十五頁，共141頁幻燈片1 染色質狀態對基因表達的調控染色質狀態對基因表達的調控 按功能狀

14、態的不同可將染色質分為：按功能狀態的不同可將染色質分為： （1）活性染色質（有轉錄活性）活性染色質（有轉錄活性） （2）非活性染色質（沒有轉錄活性）非活性染色質（沒有轉錄活性） 活性染色質的核小體發生構象改變，具有松散的染色質結構，從而便于轉錄活性染色質的核小體發生構象改變，具有松散的染色質結構，從而便于轉錄調控因子和順式用元件結合和調控因子和順式用元件結合和RNA聚合酶在轉錄模板上滑動。聚合酶在轉錄模板上滑動。 染色質是否處于活化狀態是決定轉錄功能的關鍵染色質是否處于活化狀態是決定轉錄功能的關鍵。第二十六頁，共141頁幻燈片活性染色質上具有DNaseI超敏感位點活性染色質的結構特征是RNA聚

15、合酶、轉錄因子和各種調節因子的結合部位。第二十七頁，共141頁幻燈片在具有轉錄活性在具有轉錄活性的染色質區域，的染色質區域，可以觀察到一些可以觀察到一些變化，最明顯的變化，最明顯的是該區域對核酸是該區域對核酸酶介導的酶介導的DNA降降解的敏感性增強解的敏感性增強。 轉錄活躍區域對核酸酶敏感度增加轉錄活躍區域對核酸酶敏感度增加第二十八頁，共141頁幻燈片2 基因擴增基因擴增v基因擴增是指某些基因的拷貝數專一性增大基因擴增是指某些基因的拷貝數專一性增大的現象，它使得細胞在短期內產生大量的基的現象，它使得細胞在短期內產生大量的基因產物以滿足生長發育的需要，是基因活性因產物以滿足生長發育的需要，是基因

16、活性調控的一種方式。調控的一種方式。第二十九頁，共141頁幻燈片v例如例如:v1.非洲爪蟾的卵母細胞中原有非洲爪蟾的卵母細胞中原有rRNA基因（基因（rDNA）約）約500個拷貝，在減數分裂個拷貝，在減數分裂I的粗線期，這個基因開始迅速的粗線期，這個基因開始迅速復制，到雙線期它的拷貝數約為復制，到雙線期它的拷貝數約為200萬個，擴增近萬個，擴增近4000倍，可用于合成倍，可用于合成1012個核糖體，以滿足卵裂期和個核糖體，以滿足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白質的需要。胚胎期合成大量蛋白質的需要。v2.許多昆蟲的某些細胞，如唾腺細胞染色體不經發生許多昆蟲的某些細胞，如唾腺細胞染色體不經發生細胞分裂就

17、可進行重復復制。這種現象叫做多線性細胞分裂就可進行重復復制。這種現象叫做多線性(polyteny)。第三十頁，共141頁幻燈片3 基因重排與交換基因重排與交換v將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很將一個基因從遠離啟動子的地方移到距它很近的位點從而啟動轉錄，這種方式稱為基因近的位點從而啟動轉錄，這種方式稱為基因重排。重排。 v通過基因重排調節基因活性的典型例子是免通過基因重排調節基因活性的典型例子是免疫球蛋白和疫球蛋白和T-細胞受體基因的表達。細胞受體基因的表達。 第三十一頁，共141頁幻燈片第三十二頁，共141頁幻燈片4 DNA甲基化與基因活性的調控甲基化與基因活性的調控vDNA甲基化是最早

18、發現的修飾途徑之一，甲基化是最早發現的修飾途徑之一， DNA的甲基化修飾現象廣泛存在于多種有機的甲基化修飾現象廣泛存在于多種有機體中。體中。v與基因表達調控密切相關。與基因表達調控密切相關。DNA甲基化能引起染色質結構、甲基化能引起染色質結構、DNA構象、組構象、組蛋白修飾及蛋白修飾及DNA與蛋白質相互作用方式的改與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達。變，從而控制基因表達。 第三十三頁，共141頁幻燈片vDNA的甲基化修飾與錯誤修正時的定位有關。的甲基化修飾與錯誤修正時的定位有關。錯配修復錯配修復: Dam甲基化酶；甲基化酶； 5GATC； MutS、MutH和和MutL第三十四頁，共

19、141頁幻燈片vDNA的甲基的甲基化的位點化的位點v：5-甲基胞嘧甲基胞嘧啶（啶（5-mC）和和少量少量N6-甲基甲基腺嘌呤（腺嘌呤（N6-mA）及）及7-甲基鳥嘌甲基鳥嘌呤（呤（7-mG）第三十五頁，共141頁幻燈片v在真核生物中，在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現在甲基胞嘧啶主要出現在CpG序列序列、CpXpGCpXpG、CCA/TGGCCA/TGG和和GATCGATC中中。v多個多個CpG序列集合成簇形成了富含甲基化位點的序列集合成簇形成了富含甲基化位點的CpG島島（CpG island），具有很高的序列保守性。），具有很高的序列保守性。第三十六頁，共141頁幻燈片v真核生物細胞內存在

20、兩種甲基化酶活性：真核生物細胞內存在兩種甲基化酶活性： v1）一種被稱為日常型甲基轉移酶；）一種被稱為日常型甲基轉移酶； v2）另一種是從頭合成型甲基轉移酶）另一種是從頭合成型甲基轉移酶 第三十七頁，共141頁幻燈片5基因丟失（了解）基因丟失（了解）v在細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基在細胞分化過程中，可以通過丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動物、因而去除這些基因的活性。某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發育中，許線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產生生殖細胞的那些細胞一直只有將

21、來分化產生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。保留著整套的染色體。第三十八頁，共141頁幻燈片v8.18.1真核生物的基因結構與轉錄活性真核生物的基因結構與轉錄活性 v8.28.2真核生物真核生物DNADNA水平上的基因表達調控水平上的基因表達調控 v8.38.3真核生物轉錄水平上的基因表達調控真核生物轉錄水平上的基因表達調控 v8.48.4真核基因轉錄后水平上的調控真核基因轉錄后水平上的調控Contents第三十九頁，共141頁幻燈片8.3 轉錄水平的基因表達調控轉錄水平的基因表達調控第四十頁，共141頁幻燈片v特點：真核生物的轉錄調控大多數是通過順特點：真核生物的轉錄調控大多數是通過

22、順式作用元件式作用元件（cis-acting element）和反式和反式作用因子作用因子（trans-acting factor，又稱跨域，又稱跨域作用因子）作用因子）間復雜的相互作用來實現的。間復雜的相互作用來實現的。 第四十一頁，共141頁幻燈片8.3 轉錄水平的基因表達調控轉錄水平的基因表達調控v1.1.真核基因轉錄機器的主要組成：真核基因轉錄機器的主要組成：1.1.順式作用元件順式作用元件1.2.反式作用因子反式作用因子v2.2.真核基因轉錄調控的主要模式真核基因轉錄調控的主要模式第四十二頁，共141頁幻燈片3.1順式作用元件vDNA上一段序列，它們常與特定的功能基因上一段序列，它們

23、常與特定的功能基因連鎖在一起，組成基因轉錄的調控區，影響連鎖在一起，組成基因轉錄的調控區，影響自身基因的表達的自身基因的表達的DNA序列序列，稱為順式作用稱為順式作用元件。元件。第四十三頁，共141頁幻燈片v種類：啟動子、增強子、沉默子、應答元件種類：啟動子、增強子、沉默子、應答元件主要是起正性調控作用的順式作用元件，包括主要是起正性調控作用的順式作用元件，包括啟啟動子動子(promoter)、增強子、增強子(enhancer)；近年又發現起負性調控作用的元件近年又發現起負性調控作用的元件沉默子沉默子/靜止靜止子子(silencer)。第四十四頁，共141頁幻燈片v在原核生物中，大多數基因表達

24、通過操縱子在原核生物中，大多數基因表達通過操縱子模型進行調控，其順式作用元件主要由啟動模型進行調控，其順式作用元件主要由啟動基因、操縱基因和調節基因組成。基因、操縱基因和調節基因組成。第四十五頁，共141頁幻燈片真核基因表達以正性調控為主導真核基因表達以正性調控為主導v真核基因轉錄表達的調控蛋白也有起阻遏和真核基因轉錄表達的調控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以激激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以激活蛋白的作用為主。即多數真核基因在沒有活蛋白的作用為主。即多數真核基因在沒有調控蛋白作用時是不轉錄的，需要表達時就調控蛋白作用時是不轉錄的，需要表達時就要有激活的蛋白質來促進轉錄

25、。要有激活的蛋白質來促進轉錄。換言之：真換言之：真核基因表達以正性調控為主導。核基因表達以正性調控為主導。v真核基因調控中雖然也發現有負性調控元件，真核基因調控中雖然也發現有負性調控元件，但其存在并不普遍；但其存在并不普遍；第四十六頁，共141頁幻燈片順式作用元件順式作用元件（1 1）啟動子：在）啟動子：在DNADNA分子中，分子中，RNARNA聚合酶能夠識別、結聚合酶能夠識別、結合并導致轉錄起始的序列。合并導致轉錄起始的序列。核心啟動子和上游啟動子核心啟動子和上游啟動子第四十七頁，共141頁幻燈片v核心啟動子核心啟動子(core promoter)是指保證使是指保證使RNA聚合酶聚合酶II轉

26、轉錄正常起始所必需的、最少的錄正常起始所必需的、最少的DNA序列。序列。包括轉錄起始位點及轉錄起始位點上游一包括轉錄起始位點及轉錄起始位點上游一25一一30bp處的富含處的富含TA的典型元件的典型元件TATA盒。盒。 v核心啟動子單獨起作用時，只能確定轉錄起始位點并產生基核心啟動子單獨起作用時，只能確定轉錄起始位點并產生基礎水平的轉錄。礎水平的轉錄。 第四十八頁，共141頁幻燈片v上游啟動子元件上游啟動子元件(upstream promoter element，UPE)包括通常位于一包括通常位于一70bp附近的附近的CAAT盒盒(CCAAT)和和GC盒盒(GGGCGG)等，能通過等，能通過TF

27、II-D復合物調節轉錄起始的復合物調節轉錄起始的頻率，提高轉錄效率。頻率，提高轉錄效率。 第四十九頁，共141頁幻燈片2. 增強子對轉錄的影響增強子對轉錄的影響v增強子是指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的增強子是指能使與它連鎖的基因轉錄頻率明顯增加的DNA序序列，最早發現于列，最早發現于SV40早期基因的上游，有兩個長早期基因的上游，有兩個長72bp的正向重的正向重復序列。復序列。v增強子通常具有下列特性：增強子通常具有下列特性：增強效應十分明顯。增強效應十分明顯。增強效應與其位置和取向無關。增強效應與其位置和取向無關。大多為重復序列（大多為重復序列（50bp）。）。其增強效應有嚴密的組織

28、和細胞特異性。其增強效應有嚴密的組織和細胞特異性。無基因專一性，可在不同的基因組合上表現增強效應；無基因專一性，可在不同的基因組合上表現增強效應；許多增強子還受外部信號的調控。許多增強子還受外部信號的調控。第五十頁，共141頁幻燈片增強子作用機理： 第五十一頁，共141頁幻燈片（3 3）沉默子：）沉默子：一種負調控元件，參與基因表達的負調控。一種負調控元件，參與基因表達的負調控。其作用可不受序列方向影響，能遠距離發揮作用。其作用可不受序列方向影響，能遠距離發揮作用。當其結當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏阻遏作用。作用。第五十二頁，共141頁幻燈片（）應答元

29、件：一段（）應答元件：一段DNA上游序列，能和專一性蛋白上游序列，能和專一性蛋白因子結合，調控基因特異性表達。因子結合，調控基因特異性表達。包括：包括：如熱激應答元件（如熱激應答元件（heat shock response element，HSE），），糖皮質應答元件（糖皮質應答元件（glucocorticoid response element，GRE），），金屬應答元件（金屬應答元件（metal response element，MRE）等）等 第五十三頁，共141頁幻燈片3.2 反式作用因子反式作用因子3.2.1 基本概念基本概念3.2.2 反式作用因子的反式作用因子的DNA識別或結合域

30、識別或結合域3.2.3反式作用因子中的轉錄激活域反式作用因子中的轉錄激活域第五十四頁，共141頁幻燈片反式作用因子反式作用因子 1、定義：能直接或間接地識別或結合在各類順式定義：能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件核心序列上，參與調控靶基因轉錄效率作用元件核心序列上，參與調控靶基因轉錄效率的的蛋白質蛋白質。P300 TFDTFD（TATATATA）、）、CTFCTF（CAATCAAT）、）、SP1SP1（GGGCGGGGGCGG）、）、HSFHSF（熱激蛋白啟動區）（熱激蛋白啟動區）功能：激活或阻遏基因的表達第五十五頁，共141頁幻燈片聚聚合合酶酶轉轉錄錄起起始始復復合合體體的的組組裝裝

31、第五十六頁，共141頁幻燈片2 2、結構、結構DNA結合結構域結合結構域轉錄活化結構域轉錄活化結構域結構域結構域主要包括：主要包括：蛋白質蛋白質-蛋白質結合域蛋白質結合域第五十七頁，共141頁幻燈片DNA識別或結合域識別或結合域 v螺旋螺旋-轉折轉折-螺旋螺旋v鋅指結構鋅指結構v堿性堿性-亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈v堿性堿性-螺旋螺旋-環環-螺旋螺旋v同源域蛋白（同源域蛋白（homeo domains，HD）第五十八頁，共141頁幻燈片v最初在最初在噬菌體的阻遏蛋白中發現的一種噬菌體的阻遏蛋白中發現的一種DNA結合結構域。結合結構域。v現廣泛分布在從酵母到人類的各種真核生物現廣泛分布在從酵母到人類的

32、各種真核生物中，雖彼此在氨基酸的順序上差別很大，但中，雖彼此在氨基酸的順序上差別很大，但高級結構高度保守，如同源域蛋白。高級結構高度保守，如同源域蛋白。螺旋螺旋-轉折轉折-螺旋螺旋（第五十九頁，共141頁幻燈片兩段兩段-螺旋夾一段螺旋夾一段-折迭構成，折迭構成，-螺旋與螺旋與-折迭之間通過折迭之間通過-轉角轉角或成環連接或成環連接第六十頁，共141頁幻燈片Helix 3 of the homeodomain binds in the major groove of DNA, with helices 1 and 2 lying outside the double helix. The N-t

33、erminal arm lies in the minor groove, and makes additional contacts. 第六十一頁，共141頁幻燈片鋅指結構鋅指結構配位鍵配位鍵2-9個個CCysHHis第六十二頁，共141頁幻燈片“鋅指鋅指”: 據其結構命名據其結構命名,是由一個含有大約是由一個含有大約30個氨基酸的環和一個氨基酸的環和一個與環上的個與環上的4個個Cys或或2個個Cys和和2個個His配位的配位的Zn構成，形成構成，形成的結構像手指狀。的結構像手指狀。 C CysH His第六十三頁，共141頁幻燈片典型典型“鋅指蛋白鋅指蛋白” (typic zinic fi

34、ngers)含一連串鋅指。重復含一連串鋅指。重復的鋅指結構都是以鋅的鋅指結構都是以鋅將將螺旋與一個反向螺旋與一個反向平行的平行的片層的基部片層的基部以鋅原子為中心，通以鋅原子為中心，通過與一對半胱氨酸和過與一對半胱氨酸和一對組氨酸間形成配一對組氨酸間形成配位鍵相連接，鋅指環位鍵相連接，鋅指環上突出的賴氨酸、精上突出的賴氨酸、精氨酸參與氨酸參與DNA結合結合。 第六十四頁，共141頁幻燈片Zinc fingers may form -helices that insert into the major groove, associated with -sheets on the other si

35、de. 第六十五頁，共141頁幻燈片這種基序含這種基序含4-8個亮氨酸，個亮氨酸，每隔每隔6個氨基酸就有一個亮氨個氨基酸就有一個亮氨酸殘基間隔，這導致第酸殘基間隔，這導致第7個亮氨個亮氨酸殘基都在螺旋的同側。又因酸殘基都在螺旋的同側。又因這類蛋白質都以這類蛋白質都以二聚體形式二聚體形式與與DNA結合結合，兩個蛋白質，兩個蛋白質螺螺旋上的亮氨酸靠近而形成拉旋上的亮氨酸靠近而形成拉鏈樣結構。鏈樣結構。堿性堿性-亮氨酸拉鏈亮氨酸拉鏈(basic - leucine zipper, bZIP)肽鏈氨基端肽鏈氨基端2030個富含堿性氨個富含堿性氨基酸結構域與基酸結構域與DNA結合。結合。第六十六頁，共1

36、41頁幻燈片The basic regions of the bZIP motif are held together by the dimerization at the adjacent zipper region when the hydrophobic faces of two leucine zippers interact in parallel orientation. N-end第六十七頁，共141頁幻燈片堿性堿性- -螺旋螺旋- -環環- -螺旋螺旋（basic helix /loop /helix，bHLH）其主要特點是可形成兩個其主要特點是可形成兩個-螺螺旋，兩個螺旋之間

37、由環狀結構相旋，兩個螺旋之間由環狀結構相連。連。螺旋負責二聚體的形成，螺旋負責二聚體的形成，在在HLH中帶有中帶有堿性區的肽鏈稱為堿性區的肽鏈稱為 堿性堿性HLH（bHLH）。）。負責結合負責結合DNA。研究發現，研究發現，bH-L-H類蛋白只有類蛋白只有形成同源或異源二聚體時，才具形成同源或異源二聚體時，才具有足夠的有足夠的DNA結合能力，當這結合能力，當這類異源二聚體中的一方不含有類異源二聚體中的一方不含有堿性區時，明顯缺乏對靶基因堿性區時，明顯缺乏對靶基因的親和力。的親和力。 第六十八頁，共141頁幻燈片同源域蛋白同源域蛋白v同源域（同源域（homeo domains）是指編碼）是指編碼

38、60個保守氨基酸序個保守氨基酸序列的列的DNA片段，廣泛存在于真核基因組內，最早從果片段，廣泛存在于真核基因組內，最早從果蠅同源異型座位蠅同源異型座位homeotic loci中克隆得到而命名。具中克隆得到而命名。具有轉錄調控功能。有轉錄調控功能。v同源域蛋白是一個同源域蛋白是一個DNA結合域，它由結合域，它由60個氨基酸組成，個氨基酸組成，并形成并形成3個個螺旋。螺旋。C端端螺旋有螺旋有17個氨基酸，結合個氨基酸，結合DNA大溝。大溝。N端臂插入端臂插入DNA小溝。小溝。v蛋白蛋白C末端區域類似于原核基因阻遏物螺旋末端區域類似于原核基因阻遏物螺旋-轉角轉角-螺旋結螺旋結構有關。構有關。第六十

39、九頁，共141頁幻燈片轉錄活化結構域轉錄活化結構域 v反式作用因子的功能具有多樣性，其轉錄活化域也有反式作用因子的功能具有多樣性，其轉錄活化域也有多種，通常是依賴于多種，通常是依賴于DNA結合結構域以外的結合結構域以外的30l00個氨基酸殘基。個氨基酸殘基。 v不同的轉錄活化域大體上有下列幾組特征性結構：不同的轉錄活化域大體上有下列幾組特征性結構：帶負電荷的帶負電荷的螺旋結構。螺旋結構。富含谷氨酰胺的結構。富含谷氨酰胺的結構。 富含脯氨酸的結構。富含脯氨酸的結構。 第七十頁，共141頁幻燈片真核基因轉錄調節是真核基因轉錄調節是復雜的、多樣的復雜的、多樣的真核生物的轉錄調控大多數是通過順式作用元

40、件和反式作用真核生物的轉錄調控大多數是通過順式作用元件和反式作用因子復雜的相互作用來實現的。因子復雜的相互作用來實現的。第七十一頁，共141頁幻燈片真核基因轉錄調控的主要模式真核基因轉錄調控的主要模式v2.1 蛋白質磷酸化對基因表達影響蛋白質磷酸化對基因表達影響v2.2 蛋白的乙酰化對基因表達影響蛋白的乙酰化對基因表達影響v2.3 激素及熱激蛋白對基因表達影響激素及熱激蛋白對基因表達影響第七十二頁，共141頁幻燈片1.蛋白質磷酸化蛋白質磷酸化v蛋白質的磷酸化與去磷酸化過程（圖蛋白質的磷酸化與去磷酸化過程（圖8-25，p307）是生物體內普遍存在的信息傳導調節）是生物體內普遍存在的信息傳導調節方

41、式，在方式，在細胞信號的傳遞細胞信號的傳遞過程中占有極其重過程中占有極其重要的地位，幾乎涉及所有的生理及病理過程，要的地位，幾乎涉及所有的生理及病理過程，如糖代謝、光合作用、細胞的生長發育、神如糖代謝、光合作用、細胞的生長發育、神經遞質的合成與釋放甚至癌變等等。經遞質的合成與釋放甚至癌變等等。 第七十三頁，共141頁幻燈片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，實現增殖繁衍。它們還不斷地“感知”環境變化，并對其作出特定的應答。v細胞應答可以分為3個階段：外界信息的外界信息的“感知感知”，即由細胞膜到細胞核內的信息傳遞，即由細胞膜到細胞核內的

42、信息傳遞,染色質水平上的基因活性調控染色質水平上的基因活性調控,特定基因的表達，即從特定基因的表達，即從DNARNA蛋白質的遺傳信息傳遞過程。蛋白質的遺傳信息傳遞過程。1.蛋白質磷酸化蛋白質磷酸化第七十四頁，共141頁幻燈片signal magnificationv特異的膜受體對信號特異的膜受體對信號刺激的識別刺激的識別v信號的跨膜轉換信號的跨膜轉換v細胞內信號分子被傳細胞內信號分子被傳遞給效應分子，引起遞給效應分子，引起細胞的活性變化細胞的活性變化v信號分子的失活引起信號分子的失活引起細胞反應的終止細胞反應的終止第七十五頁，共141頁幻燈片v存在于細胞膜或細胞內；存在于細胞膜或細胞內；v能接

43、受外界的信號并能接受外界的信號并 將這一信號轉化為細胞將這一信號轉化為細胞 內的一系列生物化學反內的一系列生物化學反 應應 ，而對細胞的結構，而對細胞的結構 或功能產生影響或功能產生影響第七十六頁，共141頁幻燈片v配體配體LigandLigand能與受體呈特異性結合的生物活性分子能與受體呈特異性結合的生物活性分子統稱為配體。統稱為配體。受體與配體結合特性：受體與配體結合特性：特異性特異性、高效性高效性、可飽和性、可飽和性、可逆性可逆性。第七十七頁，共141頁幻燈片受體的基本類型第七十八頁，共141頁幻燈片根據其結構和轉換信號的方式又分為三大類根據其結構和轉換信號的方式又分為三大類：離子通道受

44、體離子通道受體，G蛋白偶聯受體蛋白偶聯受體和和跨膜蛋白激酶跨膜蛋白激酶受體系統受體系統。1、膜受體、膜受體(membrane receptor)第七十九頁，共141頁幻燈片受受體體細胞表細胞表面受體面受體細胞內受體細胞內受體配體閘門離子通道配體閘門離子通道生長因子類受體生長因子類受體G蛋白偶聯的受體蛋白偶聯的受體第八十頁，共141頁幻燈片離子通道受體離子通道受體，G蛋白偶聯受體蛋白偶聯受體系統系統跨膜蛋白激酶跨膜蛋白激酶受體系統受體系統。第八十一頁，共141頁幻燈片2 2、胞內受體、胞內受體(membrane receptor)(membrane receptor)第八十二頁，共141頁幻燈片

45、一氧化氮（一氧化氮（NO）細胞內信號細胞內信號 1998 年諾貝爾醫學與生理學獎年諾貝爾醫學與生理學獎 硝酸甘油治療心絞痛具有百年的歷史，其作用機理是在硝酸甘油治療心絞痛具有百年的歷史，其作用機理是在體內轉化為體內轉化為NO，可舒張血管，減輕心臟負荷和心肌的需氧量，可舒張血管，減輕心臟負荷和心肌的需氧量。 第八十三頁，共141頁幻燈片磷酸化與去磷酸化磷酸化與去磷酸化蛋白質的磷酸化是指由蛋白質激酶催化蛋白質的磷酸化是指由蛋白質激酶催化的把的把ATP或或GTP上上位的磷酸基轉移到底位的磷酸基轉移到底物蛋白質氨基酸殘基上的過程物蛋白質氨基酸殘基上的過程其逆轉過程是由蛋白質磷酸酶催化的其逆轉過程是由蛋

46、白質磷酸酶催化的，稱為蛋白質脫磷酸化，稱為蛋白質脫磷酸化。已經發現在人體內有多達已經發現在人體內有多達2000個左右的蛋白質個左右的蛋白質激酶和激酶和1000個左右的蛋白質磷酸酶基因。個左右的蛋白質磷酸酶基因。組氨酸和賴氨酸殘基也可能被磷酸化。組氨酸和賴氨酸殘基也可能被磷酸化。第八十四頁，共141頁幻燈片蛋白激酶的種類與功能蛋白激酶的種類與功能 根據底物蛋白質被磷酸化的氨基酸殘基的種類可分為三大類根據底物蛋白質被磷酸化的氨基酸殘基的種類可分為三大類： 第一類為絲氨酸第一類為絲氨酸/蘇氨酸型。蘇氨酸型。第二類為酪氨酸型。第二類為酪氨酸型。第三類是第三類是組氨酸型。組氨酸型。 細胞受刺激以后，通過

47、蛋白質磷酸化及一系列級聯放細胞受刺激以后，通過蛋白質磷酸化及一系列級聯放大過程將胞外信號轉化為細胞內信號，從而引大過程將胞外信號轉化為細胞內信號，從而引起廣泛的生起廣泛的生理反應。理反應。第八十五頁，共141頁幻燈片 根據是否有調節物參與蛋白激酶活性又可分成兩大類根據是否有調節物參與蛋白激酶活性又可分成兩大類：信使依賴性蛋白質激酶（信使依賴性蛋白質激酶（messenger-dependent protein kinase），），包括胞內信使或調節因子依賴性蛋白激酶及包括胞內信使或調節因子依賴性蛋白激酶及激素（生長因子）依賴性激酶兩個亞類；激素（生長因子）依賴性激酶兩個亞類；非信使依賴型蛋白激酶

48、。非信使依賴型蛋白激酶。第八十六頁，共141頁幻燈片蛋白質磷酸化對基因表達影響蛋白質磷酸化對基因表達影響v1.受受cAMP水平調控的水平調控的A激酶激酶v2.C激酶與激酶與PIP2、IP3和和DAG v3.CaM激酶及激酶及MAP v4.酪氨酸激酶途徑酪氨酸激酶途徑v5.蛋白質磷酸化參與細胞分裂的調控蛋白質磷酸化參與細胞分裂的調控G蛋白偶聯蛋白偶聯受體系統受體系統跨膜蛋白激酶跨膜蛋白激酶酶受體系統酶受體系統第八十七頁，共141頁幻燈片G蛋白偶聯受體蛋白偶聯受體v這類受體與這類受體與G蛋白偶聯，并通過蛋白偶聯，并通過G蛋白調節蛋白調節細胞的生物學效應，因而稱之為細胞的生物學效應，因而稱之為G蛋白

49、偶聯蛋白偶聯的受體。由一條多肽鏈組成，其中帶有的受體。由一條多肽鏈組成，其中帶有7個疏個疏水跨膜區域水跨膜區域v氨基末端朝向細胞外，羧基末端則朝向細氨基末端朝向細胞外，羧基末端則朝向細胞內基質胞內基質v羧基末端有兩個在蛋白激酶催化下發生磷酸羧基末端有兩個在蛋白激酶催化下發生磷酸化的位點化的位點 ，與受體活性調控有關。當受體與相，與受體活性調控有關。當受體與相應的配體結合后，觸發受體蛋白的構象改變，應的配體結合后，觸發受體蛋白的構象改變，后者再進一步調節后者再進一步調節G蛋白的活性而將配體的信蛋白的活性而將配體的信號傳遞到細胞內。號傳遞到細胞內。第八十八頁，共141頁幻燈片G 蛋白偶聯受體蛋白偶

50、聯受體又稱七個跨膜又稱七個跨膜 螺旋受體螺旋受體/ /蛇型受體蛇型受體第八十九頁，共141頁幻燈片結合結合GTPGTP或或GDPGDPG蛋白蛋白鳥苷酸結合蛋白（鳥苷酸結合蛋白（guanine nucleotidebinding protein）由由3個不同的亞單位構成異聚體個不同的亞單位構成異聚體;具有結合具有結合GTP或或GDP的能力和的能力和GTPase的活性；的活性；其本身的構象改變可進一步激活效應蛋白其本身的構象改變可進一步激活效應蛋白effector protein，實現把細胞外的信號傳遞，實現把細胞外的信號傳遞到細胞內的過程。到細胞內的過程。最早是由最早是由Rodbell，Gilm

51、an等分離純化，并將其命名，獲等分離純化，并將其命名，獲得了得了1994年的諾貝爾獎。年的諾貝爾獎。 第九十頁，共141頁幻燈片G蛋蛋白白的的分分子子開開關關第九十一頁，共141頁幻燈片1.1.受受cAMPcAMP水平調控的水平調控的A A激酶（激酶（P269P269） A A激酶（激酶（Protein Kinase A，PKA）：依賴于）：依賴于cAMPcAMP的蛋白激酶。的蛋白激酶。第九十二頁，共141頁幻燈片蛋白激酶蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由兩個催化亞基和兩）：由兩個催化亞基和兩個調節亞基組成。個調節亞基組成。活化的蛋白激酶活化的蛋白激酶A 催化亞基可使細

52、胞內某些蛋白的絲氨酸或蘇氨酸催化亞基可使細胞內某些蛋白的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，于是改變這些蛋白的活性，進一步影響到相關基因的殘基磷酸化，于是改變這些蛋白的活性，進一步影響到相關基因的表達。表達。第九十三頁，共141頁幻燈片腺苷酸環化酶（腺苷酸環化酶（adenylate cyclase）：是相對分子量為）：是相對分子量為150KD 的糖的糖蛋白，跨膜蛋白，跨膜12 次。在次。在Mg2+或或Mn2+的存在下，腺苷酸環化酶催化的存在下，腺苷酸環化酶催化ATP 生成生成cAMP第九十四頁，共141頁幻燈片cAMP信號與基因表達膜上的受體與外源配基相結合，引膜上的受體與外源配基相結合，引起受體構象上

53、的變化，并與起受體構象上的變化，并與GTP結結合蛋白相結合，激活了與膜相關合蛋白相結合，激活了與膜相關的腺苷酸環化酶（的腺苷酸環化酶（AC），導致胞），導致胞內內cAMP濃度上升，活化濃度上升，活化A激酶，激酶，釋放催化亞基并進入核內，實施釋放催化亞基并進入核內，實施底物磷酸化。被磷酸化的底物，底物磷酸化。被磷酸化的底物，如如CREB、CREM等，可作為轉錄激等，可作為轉錄激活因子誘發基因轉錄。活因子誘發基因轉錄。 第九十五頁，共141頁幻燈片v已經證實，許多轉錄因子都可以通過已經證實，許多轉錄因子都可以通過cAMP介介導的蛋白質磷酸化過程而被激活，因為這類基導的蛋白質磷酸化過程而被激活，因為

54、這類基因的因的5端啟動區大都擁有一個或數個端啟動區大都擁有一個或數個cAMP應應答元件（答元件（cAMPresponse element,CRE），），其基本序列是其基本序列是TGACGTCA。vCRE結合蛋白結合蛋白(cAMP response element bound protein ,CREB)第九十六頁，共141頁幻燈片v該信號途徑涉及的反應鏈可表示為：激素G蛋白耦聯受體G蛋白腺苷酸環化酶cAMP依賴cAMP的蛋白激酶A基因調控蛋白基因轉錄第九十七頁，共141頁幻燈片7.3.1蛋白質磷酸化、信號轉導及基因蛋白質磷酸化、信號轉導及基因表達表達v1.受受cAMP水平調控的水平調控的A激酶

55、激酶v2.C激酶與激酶與PIP2、IP3和和DAG v3.CaM激酶及激酶及MAP v4.酪氨酸激酶途徑酪氨酸激酶途徑v5.蛋白質磷酸化參與細胞分裂的調控蛋白質磷酸化參與細胞分裂的調控G蛋白偶聯蛋白偶聯受體系統受體系統跨膜蛋白激酶跨膜蛋白激酶受體系統受體系統第九十八頁，共141頁幻燈片4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）磷脂酶磷脂酶C（PLC-）1，4，5-三磷酸肌醇（三磷酸肌醇（IP3）二酰基甘油（二酰基甘油（DAG）2. C激酶與激酶與PIP2、IP3和和DAG磷脂酰肌醇途徑又稱為又稱為“雙信使系統雙信使系統”(double messenger system)。第九十九頁

56、，共141頁幻燈片 C激酶（激酶（PKC）是依賴于）是依賴于Ca2+的蛋白質激酶。的蛋白質激酶。由于由于IP3所引起的細胞質所引起的細胞質Ca2+濃度升高，導致濃度升高，導致C激激酶從胞質轉運到靠原生質膜內側處，并被酶從胞質轉運到靠原生質膜內側處，并被DAG和和Ca2+的雙重影響所激活。的雙重影響所激活。C激酶主要實施對絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，它具激酶主要實施對絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，它具有一個催化結構域和一個調節結域。有一個催化結構域和一個調節結域。第一百頁，共141頁幻燈片第一百零一頁，共141頁幻燈片第一百零二頁，共141頁幻燈片3.CaM激酶及激酶及MAPv鈣調蛋白鈣調蛋白(calmo

57、dulin , CaM)為鈣結合蛋白，為鈣結合蛋白，由一條肽鏈組成，有四個由一條肽鏈組成，有四個Ca2+結合位點。與結合位點。與Ca2+結合后可激活結合后可激活CaM激酶（激酶（CaM-kinase） ，再磷酸化多種功能蛋白質的絲、，再磷酸化多種功能蛋白質的絲、蘇氨基酸殘基。蘇氨基酸殘基。 第一百零三頁，共141頁幻燈片第一百零四頁，共141頁幻燈片vMAP激酶（激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK, 有絲分裂活化蛋白激酶）活有絲分裂活化蛋白激酶）活性受許多外源細胞生長、分化因子的誘導，性受許多外源細胞生長、分化因子的誘導，也受到也受到酪氨酸蛋白激

58、酶及酪氨酸蛋白激酶及G蛋白受體系統的蛋白受體系統的調控。調控。 vMAP-激酶的活性取決于該蛋白中僅有一個氨激酶的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基酸之隔的酪氨酸、絲氨酸殘基是否都被磷酸化（圖酸化（圖8-32）。）。 第一百零五頁，共141頁幻燈片v把能同時催化這兩個氨基酸殘基磷酸化的酶把能同時催化這兩個氨基酸殘基磷酸化的酶稱為稱為MAP-激酶激酶-激酶（激酶（ MAPKK ），它的反），它的反應底物是應底物是MAP激酶。激酶。vMAP-激酶激酶-激酶本身能被激酶本身能被MAP-激酶激酶-激酶激酶-激激酶（酶（ MAPKKK）所磷酸化，后者能同時被）所磷酸化，

59、后者能同時被C激酶或酪氨酸激酶家族的激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白等激活，蛋白等激活，從而在信息傳導中發揮作用。從而在信息傳導中發揮作用。 v（圖（圖8-32）第一百零六頁，共141頁幻燈片 MAPKK MAPKKK MAPK第一百零七頁，共141頁幻燈片4.酪氨酸激酶途徑（酪氨酸激酶途徑（TPK）v酪氨酸激酶酪氨酸激酶 (tyrosine protein kinase, TPK)通過受體本身的酪氨酸激酶的激活來完成信通過受體本身的酪氨酸激酶的激活來完成信號的裝導，不需要號的裝導，不需要G蛋白。蛋白。 v跨膜受體型跨膜受體型TPK和和胞質非受體型胞質非受體型TPK受體類由胞外結合配體結構域、

60、跨膜結構域和細胞質激酶結構域組受體類由胞外結合配體結構域、跨膜結構域和細胞質激酶結構域組成，其成，其TPK活性受胞外結構域與配體的調節。配體與受體結合可活性受胞外結構域與配體的調節。配體與受體結合可誘導受體蛋白的二聚化，將受體胞質區酪氨酸殘基磷酸化。誘導受體蛋白的二聚化，將受體胞質區酪氨酸殘基磷酸化。非受體酪氨酸激酶除有一段與前者同源的激酶結構域序列外，還有數個前非受體酪氨酸激酶除有一段與前者同源的激酶結構域序列外，還有數個前體所不具備的保守區。體所不具備的保守區。第一百零八頁，共141頁幻燈片（一）受體酪氨酸激酶receptor Tyrosine Kinase, receptor trK（R