第五节 蛋白质合成的调节
第五节 蛋白质合成的调节
一、原核生物中蛋白质合成的调控
(一) 操纵子是细菌代谢的重要调节机构
操纵子学说 (operon hypothesis)
F.Jacob & J.Monod (1960)
(二) CAP蛋白结合cAMP对转录进行正控制
分解物基因激活蛋白(catabolite activator protein, CAP):结合在启动子上以增强RNA聚合酶的结合。
基因激活物蛋白是大肠杆菌中的分解物基因激活蛋白(catabolite aetivator protein,CAP),这种蛋白质能使细菌在无葡萄糖时利用另一种碳源。当有乳糖存在时,别构乳糖使乳糖阻遏物从DNA上释放下来,但这还不足以激活乳糖操纵子的转录,因为lac启动子是一个弱启动子。因此,要从这一启动子转录,需要把CAP结合在启动子上,以增强RNA聚合酶的结合。这一调节方式也存在于甘露糖、半乳糖和其他糖的代谢酶。当缺葡萄糖时,导致细胞内的cAMP水平提高,在细菌和真核细胞中,cAMP起胞内信号的作用。cAMP与CAP结合,引起CAP构象发生变化,从而使其同DNA特定序列结合,激活邻近基因的转录。当葡萄糖充足时,胞内cAMP水平下降,cAMP从CAP蛋白上分离下来,CAP失活,不再结合到DNA上,细胞便转向利用葡萄糖代谢。因此,细菌对乳糖的利用是通过负、正两条途径配合进行调控的。
(三) 不同的σ因子可使RNA聚合酶识别不同的启动子
细菌RNA聚合酶含有的σ因子, 其结合提高了辨认启动子的能力,保证了原核生物RNA聚合酶只能与启动子区形成稳定的起始复合物,在酶与启动子特异性结合的过程中起着极其重要的作用。
在有些细菌细胞内含有不同的σ因子,它们可以辨认不同的启动子,因此具有调控不同基因转录起始的作用,以适应生长发育不同阶段的要求。
二、真核生物中蛋白质合成的调控
(一)染色质结构与基因表达调控
1、基因转录与核小体结构
2、组蛋白和非组蛋白对转录的调节
在真核细胞中,带负电荷的DNA分子和带正电荷的组蛋白紧密结合而呈封闭状态。
DNA分子中有的基因虽具有转录为mRNA的潜能,但因被组蛋白封闭而不能进行转录。
可见,组蛋白的结合与分离以及修饰(如乙酰基化、甲基化、磷酸化等)能调节mRNA的转录。
非组蛋白带有负电荷,能通过静电作用,吸引封闭DNA(带负电)的组蛋白(带正电) ,使二者分离,DNA得以转录。
非组蛋白种类繁多,有多种是参与核酸代谢和修饰的酶:
如RNA聚合酶
DNA聚合酶
Poly(A)聚合酶
DNA内切酶
DNA外切酶
组蛋白乙酰转移酶
组蛋白甲基化酶
组蛋白激酶
组蛋白水解酶
非组蛋白激酶等
非组蛋白有物种和组织特异性,能与DNA特异结合,对DNA有专一调控作用!
非组蛋白对转录的调节可能分两步进行:
(1) 非组蛋白能特异性地同被组蛋白所阻遏的DNA特定区域相结合;
(2) 非组蛋白发生磷酸化而带负电荷,便开始排斥带负电荷的DNA,而与带正电荷的组蛋白结合成复合物。结果解除了组蛋白在特定区段对DNA的抑制,使该区基因转录。
基因的活化以及细胞的分化与非组蛋白的磷酸化有关!
(二) 真核基因转录水平的调节
真核基因的转录起始过程复杂:基因所在DNA上的顺式调控元件
诸多反式调控因子
1、真核生物基因受到邻近启动子和远方增强子的调控
TATA框(TATA box 或Hogness box):保证转录准确地在起始点开始
其它与转录起始有关的DNA调节序列(如CAAT框、GC序列等):主要控制转录起始的频率
增强子(enhancer):通过启动子来增强转录效率的一种远端调控元件
沉默子(silencer):作用与增强子相反,抑制基因表达
DNA上的基因调节序列-------—— 顺式调控元件
2、真核生物基因转录的启动需要转录因子的参与
转录因子(general transcription factor, TF):
——DNA专一序列结合蛋白(sequence-sp
通用转录因子(general transcription factor, TF):在基因开始转录前它们结合到启动子上,与RNA聚合酶组装成转录起始复合物,起始转录。
特定的转录因子(special transcription factor):一些能和特定的DNA调节序列相结合的基因调节蛋白(gene regulatory protein),在基因转录起始和调节等方面有着重要的作用。
(1) 转录起始复合物的组装与转录起始
转录起始复合物(transcriptional initiation complex):
转录因子
转录相关因子(TBP associated factors)
RNA聚合酶
对产生一系列的分子接触点,并在蛋白质与碱基对的接触边缘形成氢键、离子键或发生疏水性相互作用。
有些调节蛋白如激活蛋白不能直接作用于DNA,而是发生间接作用:通过改变染色质结构,使转录因子易于同DNA接触。
(2) 转录调控因子的结构特征
它们的基本结构中具有不同功能的功能域(domain):由几十到几百个氨基酸构成
其中3个主要的功能域是:
DNA结合功能域
转录激活功能域
结合其它因子的功能域
① DNA结合功能域
aα螺旋-转角-α螺旋结构域 (helix-turn-helix motif):
螺旋-转角-αa螺旋结构域 (helix-turn-helix motif)
亮氨酸拉链型结构域 (Leucine zipper motif)
a螺旋-袢环-α螺旋结构域 (helix-loop-helix motif)
② 激活基因转录的结构域
一般由20~100个氨基酸残基组成。有时一个反式作用因子可含有多个转录激活区(如酵母GAL4: 2个)
不同的转录激活区具有共同的结构特点:
a. 具有含很多负电荷的a螺旋结构(a-helix)
b. 富含谷氨酰胺(Gln)
c. 有些反式作用因子的功能结构域富含脯氨酸残基(Pro)
③ 结合其它因子的结构域
(三) 蛋白质合成的转录后水平的调节
RNA转录后还需要在不同情况下进一步加工、剪接和修饰:
RNA剪接
5末端戴上7-甲基鸟苷酸帽(m7G)
3末端多腺苷酸化等
RNA编辑(RNA editing):mRNA水平上的遗传信息加工方式。在转录后的mRNA中,其编辑区出现碱基插入,删除或转换等变化,从而改变了初始转录物的编码特性(其编码区所发生的碱基数量变化,改变了原初基因)。
在原生动物、一些植物线粒体 mRNA、哺乳动物和某些病毒mRNA中也都发现了RNA编辑现象。
在锥虫线粒体的3个成熟mRNA中,发现约有50%的尿苷酸是因‘编辑’活动产生的。其中最突出的是CoⅢ mRNA,约有158个位点系统地插入了394个尿苷酸,又在9处删除了18个尿苷酸,因而此mRNA实际增加了376个尿苷酸,占CoⅢ成熟mRNA总长的55%。
因此,CoⅢ基因远小于其转录产物,而被称为隐匿基因。
(四) 蛋白质合成的翻译水平的调节
真核生物中也存在着明显的翻译水平上的调节。在这一水平的调控中,最为重要的几个方面是:
真核生物中也存在着明显的翻译水平上的调节。在这一水平的调控中,最为重要的几个方面是:
(1) mRNA的稳定性
mRNA屏蔽状态的解除与否、mRNA的寿命长短都直接影响mRNA作为合成蛋白质模板的功能。
隐蔽mRNA(masked mRNA):
在真核生物中, 母体mRNA常同蛋白质结合以核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein particle)的形式隐蔽下来。受精后才有步骤地“显露”出来,并利用卵母细胞中已装配的核糖体进行蛋白质合成,供早期胚胎发育之用。
有的mRNA的稳定性受激素的控制。乳汁中的酪蛋白是在乳腺中合成的,酪蛋白mRNA转录物的寿命在有催乳激素时比没有催乳激素时长得多。
由此可见,真核生物中形成稳定的mRNA是一个很重要的翻译调控途径。
例如,哺乳动物网织细胞在丢失细胞核之后的数周内尚保存合成血红蛋白的能力,这表明细胞内存在着非常稳定的长寿命血红蛋白mRNA。
(2) mRNA非翻译区的结构与翻译调控
真核mRNA分子的非翻译区:在mRNA的翻译过程中也有调控作用
(untranslated region, UTR):5’端的“帽子”结构
3’端的多(A)尾
5’端非编码序列
3’端非编码序列
其它非编码序列
5’ m7G cap:
mRNA的翻译活性要依赖于m7G状态的形成;
“m7G cap”的结构有利于mRNA由细胞核转运到细胞质并增加mRNA的稳定性;
对于3ˊ多(A)尾在翻译中的有效调节具有协同作用;
mRNA 5ˊ端由“m7G cap”到起始密码之间的非编码先导序列在结构特点上也与翻译起始的识别机制有关(一个有功能的起始密码AUG,总是出现在一定的核苷酸序列框架之内)。
AUG上游的第三个核苷酸常是嘌呤且多数为A;
紧跟在AUG后面的核苷酸也应是嘌呤,多数情况不是G。处于这样序列中的AUG利用率最高!
3’非翻译区 (3’ untranslated region, UTR):
--------在3ˊ端存在着一段含A、U核苷酸丰富的长序列,在翻译过程中不参加蛋白质的翻译(UTR),包括终止密码、多(A)尾以及两者之间的非编码序列,在翻译过程中有促进自身mRNA降解的作用。
真核生物中调节蛋白(如生长因子、基因调节蛋白等)在细胞中的产量水平要受到快速调节,为其编码的mRNA往往不稳定。
3’ UTR的作用:
UTR序列可刺激切除多(A)尾;
有的mRNA的UTR区对专一性核酸内切酶有识别作用,通过酶切,使mRNA降解。
3ˊUTR 区中的AU序列(指UTR区3ˊ端的一段A、U核苷酸丰富序列)是对翻译起抑制作用的元件(如在一些细胞因子mRNA的3ˊ-UTR中常有的UUAUUUAU八核苷酸序列)。
mRNA 3ˊpoly(A) tail的功能:
在mRNA由核向细胞质中运转时具有保护作用
对mRNA的稳定性和翻译效率都有调控作用。
(五) 蛋白质合成的翻译后水平的调节
信号肽的切除
化学修饰
加工、切割
蛋白质的寿命控制
(六)真核基因表达的激素调节
多细胞真核生物的一些基因表达常受内、外激素(hormone)的调控。
甾类激素:一些分子量较小的疏水性分子
如蜕皮素、皮质醇、雌激素、睾酮、甲状腺素、糖皮质素和一些多肽激素(如胰岛素)等