第三章 细胞分化的分子机制——转录后的调控

UAG UAA UGA
2. mRNA寿命的不同对蛋白质合成的调控 —— 寿命的不同对蛋白质合成的调控
通过mRNA的选择性降解和 的选择性降解和mRNA稳定性不同调控蛋白质的合成 通过 的选择性降解和 稳定性不同调控蛋白质的合成 不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其3`UTR控制。短寿命 的半衰期不同，主要受其 控制。 不同基因的 的半衰期不同 控制 短寿命mRNA 通常含有一个或多个AU富集区 降解。 的3’UTR通常含有一个或多个 富集区，其作用是促进 通常含有一个或多个 富集区，其作用是促进Poly(A)降解。 降解
C-fos mRNA
5’UTR
coding sequence
3’UTR
成纤维细胞
AU富集区Байду номын сангаас富集区
肿瘤细胞
c-fos基因编码正常成纤维细胞分裂必需的一种蛋白质
3. 激素对特定 激素对特定mRNA稳定性的影响 稳定性的影响
如Prolactin（泌乳刺激素）仅提高牛的 （泌乳刺激素）仅提高牛的casein（酪蛋白）基 （酪蛋白） 因转录水平2倍 提高其mRNA寿命 倍，使mRNA更多次 寿命25倍 因转录水平 倍，提高其 寿命 更多次 的翻译。 的翻译。
rabbit 3’ 中含有3个 富集区 稳定，半衰期17h 富集区， β-珠蛋白RNA的3’UTR中含有 个C富集区，稳定，半衰期 珠蛋白 的 中含有 一种生长因子mRNA的半寿期不超过 的半寿期不超过30min 一种生长因子 的半寿期不超过
mRNA降解性能的差异可以影响细胞的功能 降解性能的差异可以影响细胞的功能
（二）、前体mRNA的加工对 早期发育的调控
海胆：
• 囊胚期与长腕幼虫期细胞nRNA相同； 囊胚期与长腕幼虫期细胞nRNA相同； nRNA相同 • 囊胚期处于转录激活状态的DNA序列与长腕幼虫期 囊胚期处于转录激活状态的DNA序列与长腕幼虫期 DNA 完全一致； 完全一致； • 随着发育进程由基因组DNA的转录所产生的细胞质 随着发育进程由基因组DNA的转录所产生的细胞质 DNA mRNA的复杂性逐渐减小 的复杂性逐渐减小； mRNA的复杂性逐渐减小； • 早期胚胎发育的调控机制：存在加工水平的差异 早期胚胎发育的调控机制：
二、RNA加工水平的调控
（一）、同一基因的初始转录物（nRNA） ）、同一基因的初始转录物（nRNA） 同一基因的初始转录物 经选择性拼接可产生不同的成熟RNA 经选择性拼接可产生不同的成熟RNA
原肌球蛋白基因
α-原肌球蛋白基因
重链可变区（抗原结合区）在淋巴细胞形成过程中，发生基因重 排（DNA水平） 重链恒定区发生分子转换，该模式通过RNA加工完成
（二）、RNA 3’末端的决定
绝大多数真核生物nRNA在剪接之前，先进行3’末端断裂和多聚腺苷 酸化加工，这种加工由顺式和反式作用元件调控。 1、顺式作用元件 • AAUAAA序列：位于3’末端，对其下游10-30bp位点发生的裂解是必 需的； • GU或U富积序列：位于3’末端AAUAAA区域下游，调控mRNA 3’末端 裂解的效率。 2、反式作用元件 （人癌细胞） • 特异性核蛋白因子：可识别发生裂解和进行多聚腺苷酸化的顺式 因子； • poly（A）聚合酶：用于合成多聚腺苷酸尾； • 裂解因子I和II：mRNA前体的裂解酶； • 裂解刺激因子：可显著提高裂解反应的效率
（三）、mRNA向核外的运输
• 推测：RNA在核基质内完成转录和加工，然后将 mRNA运输到核膜孔，由此运出核外，但机制尚不 十分清楚。 • 然而，已知细胞分化中基因选择性表达调控的另 一种方式是细胞核以何种方式处理mRNA前体，通 过调控，有的mRNA运出核外，有的不能运出； • 已发现：一种特殊的病毒蛋白对于mRNA运输是必 需的。
2. 秀丽隐杆线虫发育的翻译调控
—— mRNA 3’UTR调控配子的决定 调控配子的决定
3’ UTR对发育的时空调控作用： 调控配子的决定； 调控许多卵母细胞贮存mRNA的翻 译活动； 调控一些mRNA在卵母细胞中的定 位； 参与某些组织分化的维持
TRATRA-2是卵子发育所必需的一种 蛋白质，如果tra-2 mRNA翻译活 性被抑制，生殖细胞→精子；
二、早期发育 中母体效应因 子的影响
1、卵母细胞中合成并贮藏 大量的发育信息（mRNA和 蛋白质），这些信息在排 卵以前至早期发育过程中 逐渐被利用； 2、每个卵母细胞中贮藏 20 000 – 50 000种不同的 mRNA，每种mRNA大约1 600个拷贝； 3、贮藏的信息在卵细胞中 梯度分布或者均匀分布
前体RNA IgM µ区
生殖细 胞的 DNA B淋巴细胞的DNA，发生重排
IgD δ区
nRNA
mRNA
相同基因在不同发育时期或不同组 织细胞中拼接不同，合成不同的蛋白质
降钙素/神经多肽CGRP mRNA前体
选择性RNA加工与性别决定
果蝇性别表型的决定事件，通过3 果蝇性别表型的决定事件，通过3个主要性别决定基 RNA的不同拼接模式 的不同拼接模式， 因RNA的不同拼接模式，引起差异基因表达
RNA加工前三个胚层中的 加工前三个胚层中的 RNA量无差异。 量无差异 加工后的RNA主要存在于 主要存在于 加工后的 外胚层中。 外胚层中。
nRNA
核酸run-on(在膜上固定 在膜上固定intron序列与放射性 核酸 在膜上固定 序列与放射性 RNA探针杂交 实验表明：Spec1基因在原肠胚 探针杂交)实验表明 探针杂交 实验表明： 基因在原肠胚 的内、 外胚层细胞核中都表达， 的内、中、外胚层细胞核中都表达，但成熟的 Spec1 mRNA只存在于外胚层中。 只存在于外胚层中。 只存在于外胚层中
第三章 细胞分化的分子机制 —— 转录后的调控
第一节 RNA加工水平的调控 RNA加工水平的调控
大多数编码细胞特异性蛋白质的基因选择性表达的调控主要发 生在转录水平，但转录后调控对决定蛋白质结构和功能重要 真核生物： DNA → nRNA（核）→ mRNA （质）
一、mRNA前体和mRNA
（一）、异质性核RNA（hnRNA） ）、异质性核RNA（hnRNA） 异质性核RNA 由于转录模板不同， 由于转录模板不同，nRNA的长度和性质差别较大 的长度和性质差别较大 分子量： nRNA﹥mRNA； 半寿期： nRNA﹤ mRNA； 复杂性： hnRNA﹥mRNA，核苷酸序列多样性
Poly(A)对翻译的调控： 对翻译的调控： 对翻译的调控 在小鼠的未成熟卵母 细胞质中可以翻译的 mRNA具有较长的 具有较长的poly(A), 具有较长的 减数成熟分裂后poly(A)降 减数成熟分裂后 降 翻译终止。 解，翻译终止。 在减数成熟分裂前不 表达的mRNA的poly(A)较 表达的 的 较 但其3`UTR具 短(15-90A), 但其 具 有胞质多聚腺苷酸化信号 序列(CPEs)(UUUUAU in 序列 mice and frogs)。减数成 。 熟分裂后这些 mRNA迅速 迅速 加上一个长的polyA,开始 加上一个长的 开始 翻译。 翻译。
4. RNA编辑 编辑
RNA编辑是指在已有的RNA 分子上改变（缺失、插入 或置换）一个特定的碱基 以改变遗传信息，使翻译 生成的蛋白质氨基酸组成， 不同于基因序列中原有的 编码信息
血清脂质携带蛋白
翻译后水平上的调控 5、翻译后水平上的调控
一条长链被剪切并除去部分而激活, 胰岛素; 一条长链被剪切并除去部分而激活 胰岛素 除去某些保护/抑制性片段而激活， 除去某些保护 抑制性片段而激活，Dorsal; 抑制性片段而激活 特定的亚细胞定位，膜蛋白、核蛋白等 特定的亚细胞定位，膜蛋白、核蛋白等; 与其它蛋白质一起装配成为功能单位，血红蛋白； 与其它蛋白质一起装配成为功能单位，血红蛋白； 与某些离子结合而激活，钙调蛋白 与某些离子结合而激活，钙调蛋白; 通过蛋白质修饰（磷酸化、乙酰化）而激活，鱼精蛋白、 通过蛋白质修饰（磷酸化、乙酰化）而激活，鱼精蛋白、 晶体蛋白。 晶体蛋白。
FEM-3是精子发育所必需的一种蛋白质，如果 fem-3 mRNA翻译活性被抑制，生殖细胞→卵子； 在幼虫四龄时， fem-3 mRNA 3’UTR区结合翻译 抑制因子（TRA-2），
tra-2 mRNA的3’UTR区含有2个区
域，它们可能结合在幼虫精子发 生时合成的抑制蛋白；如果这两 个区域突变，精子不能形成
三、翻译和翻译后调控的机制
1、卵母细胞中翻译调控机制的假说 卵母细胞中翻译调控机制的假说
masking（掩蔽） mRNA与其它蛋白结合成 与其它蛋白结合成ribonucleoprotein mRNA masking（掩蔽）: mRNA与其它蛋白结合成ribonucleoprotein complex,阻止与核糖体结合 卵成熟或受精后， 阻止与核糖体结合； (RNP) complex,阻止与核糖体结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或 蛋白磷酸化等导致RNP不稳定/解体，翻译得以进行。 RNP不稳定 蛋白磷酸化等导致RNP不稳定/解体，翻译得以进行。 Cap（ 甲基鸟苷酸）的调控：如某些种类( 其卵中的部分mRNA 5’ Cap（7-甲基鸟苷酸）的调控：如某些种类(蛾)，其卵中的部分mRNA 5`-鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。 的5`-鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。 sequester（隐蔽） mRNA被阻隔于蛋白合成装置 被阻隔于蛋白合成装置。 mRNA sequester（隐蔽）: 指mRNA被阻隔于蛋白合成装置。如海胆未受 精卵的组蛋白 mRNA定位于原核中 受精后原核破裂，mRNA才能进入胞质 定位于原核中， 精卵的组蛋白 mRNA定位于原核中，受精后原核破裂，mRNA才能进入胞质 开始翻译。 开始翻译。 Poly(A)对翻译的调控 卵母细胞减数分裂成熟前后， 对翻译的调控： polyA的长度 Poly(A)对翻译的调控：卵母细胞减数分裂成熟前后，mRNA polyA的长度 发生变化（ UTR调控）。带长polyA的 发生变化（由3’UTR调控）。带长polyA的mRNA具翻译活性 UTR调控）。带长polyA mRNA具翻译活性 翻译效率的调控：如将海胆卵母细胞裂解液的pH从自然状态下的pH6.9 pH从自然状态下的pH6.9提 翻译效率的调控：如将海胆卵母细胞裂解液的pH从自然状态下的pH6.9提 高到pH7.4 受精后自然状态下的pH 蛋白质合成量急剧增加。 pH7.4（ pH） 高到pH7.4（受精后自然状态下的pH）,蛋白质合成量急剧增加。受精后 pH升高的作用可能包括去除mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始因子。 升高的作用可能包括去除mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始因子 pH升高的作用可能包括去除mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始因子。
3. 血红蛋白翻译水平的调控 • 成体血红蛋白
•
2n中 2n中，4α和2β珠蛋白基因→4肽链2α/2β 珠蛋白基因→ 肽链2α/2β
α- mRNA:β- mRNA = 1.4:1 mRNA: 珠蛋白: α珠蛋白:β珠蛋白 = 1:1
• 平衡调节机制： 平衡调节机制：
两者竞争翻译起始因子 珠蛋白mRNA mRNA具有更强的与 β珠蛋白mRNA具有更强的与 翻译起始因子结合的能力
翻译和翻译后的调控 第二节 翻译和翻译后的调控
一、翻译水平的调控
1. 翻译过程（mRNA → 特异多肽链的合成） 翻译过程（ ）
3个阶段
AUG
氨基酰-tRNA与核糖体结合； 与核糖体结合； 氨基酰 与核糖体结合 aa离开 离开tRNA，aa之间肽键、 之间肽键、 离开 ， 之间肽键 缩合；核糖体沿mRNA移动； 移动； 缩合；核糖体沿 移动
早期发育对RNA信息的选择——不同类型细胞 对nRNA的选择不同
Ect En/mes
核酸保护实验(放射性 核酸保护实验 放射性intron或 放射性 或 exon探针与总 探针与总RNA杂交后再 探针与总 杂交后再 RNase消化 表明：海胆钙结合 消化)表明 消化 表明： 蛋白基因CyIIIa在原肠胚的外 蛋白基因 在原肠胚的外 胚层中表达