分子生物学 第 7 章 第 5 节：真核基因其他水平上的表达调控

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真核基因其他水平上的表达调控

  1. 蛋白质修饰
    • 磷酸化
    • 乙酰化
  2. 激素调控
  3. 热激蛋白
  4. 翻译水平调控

7.5.1 蛋白质磷酸化对基因转录的调控

蛋白质磷酸化与去磷酸化过程是生物体内普遍存在的信号转导调节方式

[!TIP] 此部分内容建议参考：🔍 《五年本科 三年细胞》“细胞信号转导”相关条目

  • 在已知的上游转导途径中，酪氨酸蛋白激酶 protein tyrosine kinase，PTK 途径及受体耦联的 G 蛋白途径为研究焦点

a）受 cAMP 水平调控的 A 激酶

A 激酶：依赖于 cAMP（环磷酸腺苷）的蛋白激酶

  • A 激酶能把 ATP 分子上的末端磷酸基团加到某个特定蛋白质的 Ser 或 Thr 残基上
  • 被 A 激酶磷酸化的氨基酸 N 端上游往往存在两个及以上碱性氨基酸，特定氨基酸的磷酸化改变了这一蛋白质的酶活性

[!TIP] 碱性氨基酸

  • His
  • Arg
  • Lys

b）C 激酶与 $PIP_2$ 、$IP_3$ 和 $DAG$

  • 磷酸肌醇级联放大的细胞内信使是磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸 $PIP_2$ 的两个酶解产物：
    1. 肌醇-1，4，5-三磷酸 $IP_3$
    2. 二酰基甘油 $DAG$

[!TIP] 有关细胞内信使，请参阅：🔍 《五年本科 三年细胞》“第二信使假说”相关条目

c）CaM 激酶及 MAP 激酶

  • Ca 离子的细胞学功能主要通过钙调蛋白激酶 CaM-Kinase 实现
  • MAP 激酶的活性取决于该蛋白中仅有一个氨基酸之隔的 Tyr、Ser 残基是否都被磷酸化

d）蛋白磷酸化与细胞分裂调控

  • 细胞通过 p53 及 p21 蛋白控制细胞周期蛋白依赖性激酶 CDK cyclin-dependant protein kinase 活性，从而调控细胞分裂的进程

7.5.2 蛋白质乙酰化对转录活性的影响

  • 乙酰化使 p53 蛋白的 DNA 结合区域暴露，增强了 DNA 结合能力，从而促进了靶基因转录
  • CBP/p300 等蛋白复合体促进靶基因转录活性的途径：
    • 诱导染色体结构发生有利于结合 p53 蛋白等改变
    • 使 p53 蛋白乙酰化

[!TIP] 有关 p53，请参阅：🔍 《五年本科 三年细胞》“抑癌基因”相关条目

7.5.3 激素对基因表达的影响

  • 许多类固醇激素及一般代谢性激素（如胰岛素）的调控作用都是通过起始基因转录实现的
  • 靶细胞专一性受体可与激素形成复合物，通过核膜进入细胞核内，导致基因转录的起始或关闭

[!NOTE] 举例｜激素对基因表达的影响

  • 雌激素刺激鸡输卵管中卵清蛋白合成
  • 糖皮质激素通过核穿梭进入细胞核内，激活下游信号通路。实验中可以用糖皮质激素地塞米松（DEX）激活靶基因表达的原理，构建可诱导表达融合蛋白系统

7.5.4 热激蛋白对基因表达的影响

应答元件 response element ：能与某个专一蛋白因子结合，从而控制基因特异表达的 DNA 上游序列

  • 许多生物在最适温度范围以上，能受热诱导合成一系列热休克蛋白 heat shock protein，HSP
  • 真核细胞的热休克蛋白可能具有机体保护功能，并在细胞正常生长发育过程中起着重要作用

分子伴侣 chaperonine ：参与靶蛋白活性和功能的调节，却不是靶蛋白的组成成分。如热休克蛋白

  • HSP 基因中内含子数量很少，保证了它们一旦转录起始，不需要剪接就可以产生成熟 mRNA，以适应 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

7.5.5 翻译水平调控

要考察翻译水平对基因表达的调控，就得先回顾翻译过程使用到的生物装置

  • 蛋白质生物合成的装置：
    1. 核糖体：场所
    2. mRNA：模版
    3. 可溶性蛋白因子：蛋白质生物合成起始物形成所必需
    4. tRNA：氨基酸携带者

借由对不同装置施加不同影响，真核细胞得以在翻译水平上调控基因的表达

a）蛋白合成的起始与“扫描模式”

[!TIP] 模型｜“扫描模式” 真核生物起始蛋白质合成过程：

  1. 核糖体 40S 小亚基及有关合成起始的因子先与 mRNA 靠近 5' 端处结合
  2. 向 3' 端滑行扫描
  3. 扫描到 AUG 起始密码子时，与 60S 大亚基结合成 80S 起始复合物

b）mRNA 5' 端帽子结构的识别

  • 真核生物 mRNA 5' 端帽子结构按碱基甲基化程度分为三种：
    1. O 型
    2. I 型
    3. II 型

c）mRNA 稳定性与基因表达调控

  • 铁应答元件 iron response element，IRE：包括转运铁蛋白受体和铁蛋白，负责铁吸收与铁解毒
  • 位于 5' 非翻译区 5' UTR 的 IRE 控制了铁蛋白 mRNA 的翻译效率

d）可溶性蛋白因子的修饰与翻译起始调控

  • 许多可溶性蛋白因子（起始因子）对蛋白质合成的起始有重要作用，对这些因子的修饰也会影响翻译起始

第七章 完