第七讲 DNA或蛋白质的化学修饰与基因表达

具有受体功能的酪氨酸 蛋白激酶 (receptor protein tyrosine kinase, RPTK)。包括三个结构域：胞外的配体 结合区，细胞内部具有酪氨酸蛋白激酶活性的区域和连 接这两个区域的跨膜结构。胞外配体结合区：RPTK的N 端大约500-850个氨基酸组成亲水性胞外配体结合区域， 氨基酸序列变化较大，是不同RPTK与相应配体特异性结 合的结构基础。
2. 真核细胞主要跨膜信号转导途径
3. 蛋白激酶的种类与功能 根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基的 种类可分为三大类： 第一类为丝氨酸/苏氨酸型。这类蛋白激酶 使底物蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸 化 第二类为酪氨酸型。被磷酸化的是底物的 酪氨酸残基。 第三类是"双重底物特异性蛋白激酶（dualspecificity protein kinase），既可使丝氨酸 和苏氨酸残基磷酸化又可使酪氨酸残基磷 酸化。
5. C激酶与PIP2、IP3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（PIP2）的两个酶解 产物：肌醇1，4， 5-三磷酸（IP3）和二酰基甘油（DAG）。C激酶 （PKC）是依赖于Ca2+的蛋白质激酶。由于IP3 所引起的细胞质Ca2+浓度升高，导致C激酶从胞 质转运到靠原生质膜内侧处，并被DAG和Ca2+的 双重影响所激活。 C激酶的活性也受磷脂酰丝氨酸的影响，原因是 后者大大提高了C激酶对于Ca2+的亲和力，从而 使得C激酶能被生理水平的Ca2+离子所活化。C 激酶主要实施对丝氨酸、苏氨酸的磷酸化，它具 有一个催化结构域和一个调节结域。
1． 蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作用 (1). 在胞内介导胞外信号时具有专一应答特点。与 信号传递有关的蛋白激酶类主要受控于胞内信使， 如cAMP，Ca2+，DG（二酰甘油，diacyl glycerol）等，这种共价修饰调节方式显然比变构 调节较少受胞内代谢产物的影响。 (2).蛋白质的磷酸化与脱磷酸化控制了细胞内已有的 酶“活性”。与酶的重新合成及分解相比，这种方 式能对外界刺激做出更迅速的反应。 (3).对外界信号具有级联放大作用； (4).蛋白质的磷酸化与脱磷酸化保证了细胞对外界信 号的持续反应。 被磷酸化的主要氨基酸残基：丝氨酸、苏氨酸和酪 氨酸。组氨酸和赖氨酸残基也可能被磷酸化。
I． DNA甲基化抑制基因转录的直接机制 某些转录因子的结合位点内含有CpG序列， 甲基化以后直接影响了蛋白质因子的结合 活性，不能起始基因转录。 II. 甲基化抑制转录的间接机制 CpG甲基化，通过改变染色质的构象或者 通过与甲基化CpG结合的蛋白因子间接影 响转录因子与DNA的结合。
与不含甲基化的染色质相比，甲基化后 染色质对于核酸酶或限制性内切酶的敏感 度下降，更容易与组蛋白H1相结合，说明 甲基化与非甲基化DNA在构象上有差异。 已经分离纯化了数个与甲基化DNA特异结 合的蛋白质。MeCP1可以与至少12个对称 的甲基化CpG结合，而MeCP2仅同单个甲 基化的CpG序列结合。
由于甲基化胞嘧啶极易在进化中丢失，所以，高等 真核生物中CG序列远远低于其理论值。哺乳类基因组 中约存在4万个CG islands，大多位于转录单元的5„区。 没有甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用，就可能被氧 化成为U，被DNA修复系统所识别和切除，恢复成C。 已经甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用, 它就变为T, 无法 被区分。因此, CpG序列极易丢失。
酪氨酸蛋白磷酸酶（PTP） 主要有:胞内型，跨膜受体型。 两类PTP的共同点是它们 的 催化域中氨基酸顺序极为相 似，共有240个氨基酸，内含 -HCXGXXR（S/T）G-的 "signature motif"。胞内型 PTP只有一个催化域。受体 型中常有两个催化区，其不 同类型的胞外结构往往不同。 PTP1B（胞内型）是一个 37kDa的胞内酶，在氨基酸 水平上与CD45（跨膜受体型） 的胞内部分有很高的同源 性。 CD45是一类在结构上 相关的，高分子量（150280kD）跨膜蛋白，具有与 受体极为相似的结构特点， 在免疫T细胞和B细胞中含量 极高。
没有Cyclin，CDK无活性。 Cyclin的合成和积累。 形成Cyclin和CDK复合物。Tyr磷酸化阻碍了ATP 的结合，CDK仍然无活性。 T-环中的Thr被磷酸化，Tyr上的磷酸基团被去掉， CDK活性大为增强。 CDK使磷酸酯酶磷酸化，进一步提高其活性。 CDK使DBRP磷酸化，具有酶活性。 在DBRP的帮助下，泛素连接酶把泛素加到Cyclin 上。 Cyclin被降解，CDK失活。 见Lehninger, figure 13-33。
7. 酪氨酸蛋白激酶 对于许多生长因子受体的研究表明，跨膜 的酪氨酸蛋白激酶在信息传递过程中起着 重要作用。表皮生长因子（EGF）、胰岛 素样生长因子（IGF）、成纤维细胞生长因 子（FGF）、神经生长因子（NGF）、血 小板衍生生长因子（PDGF）和血管内皮细 胞生长因子（VEGF）受体都拥有定位于胞 内的酪氨酸激酶功能区域和膜外区。
8. 蛋白磷酸酯酶 Ser/Thr蛋白磷酸酯酶主要包括：PP-1，PP-2A， PP-2B和PP-2C四类。 PP-1是糖代谢中的一个关键酶，具有很高的活性， 其催化亚基为38kDa，可以与其它组分或调节亚 基组成全酶。PP-2A全酶包括一个36kDa的催化 亚基和一个65kDa的调节亚基。PP-2B是目前所 发现的唯一受Ca和CaM调节的蛋白磷酸酶,催化 了磷酸化酶激酶α亚基的脱磷酸化作用。由61kDa 的A亚基和16kDa的B亚基组成。A为催化亚基。 PP-2C的分子量为43-48kDa，其活性需要mmol/L 水平的Mg2+，现对其参与调节的生理过程知之甚 少。
根据是否有调节物来 分又可分成两大类： 信使依赖性蛋白 质激酶 （messengerdependent protein kinase），包括胞内 第二信使或调节因子 依赖性蛋白激酶及激 素（生长因子）依赖 性激酶两个亚类； 非信使依赖型蛋 白激酶。
4. 受cAMP调控的A激酶 被A激酶磷酸化的蛋白质其N端上游往 往存在两个或两个以上碱性氨基酸，特异 氨基酸的磷酸化（X-Arg-Arg-X-Ser-X）改 变了这一蛋白的酶活性。这一酶活性代表 了绝大多数细胞中cAMP所引起的全部反应。 PKA全酶由4个亚基组成(R2C2）包括两个 相同的调节亚基（R）和两个相同的催化亚 基（C）。全酶的分子量为150-170kD。
第八讲 DNA或蛋白质的化学修 饰与基因表达
一、 DNA甲基化与基因表达 二、 蛋白质磷酸化与基因表达 三、 基因重排的分子机制
一、 DNA甲基化与基因表达 DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一， 可能存在于所有高等生物中。DNA甲基化 能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导 了基因的重新活化和表达。 1．DNA甲基化的主要形式 5-甲基胞嘧啶，N6-甲基腺嘌呤和7-甲基 鸟嘌呤。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要 出现在CpG和CpXpG中，原核生物中 CCA/TGG和GATC也常被甲基化。
二、 蛋白质磷酸化与基因表达 蛋白质的磷酸化反应是指通过酶促反应把 磷酸基团从一个化合物转移到另一个化合物上的 过Biblioteka Baidu,是生物体内存在的一种普遍的调节方式， 在细胞信号的传递过程中占有极其重要的地位。
已经发现在人体内有多达2000个左右的蛋白质 激酶和1000个左右的蛋白质磷酸酶基因。蛋白质的 磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把ATP或GTP上γ位 的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程， 其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，称为蛋白质 脱磷酸化。
C亚基具有催化活性，R亚基具有调节功能， 有两个cAMP结合位点。R亚基对C亚基具 有抑制作用，所以，R和C聚合后的全酶 （R2C2）无催化活性。R亚基与cAMP的结 合导致C亚基解离并表现出催化活性。 激素与其受体在肌肉细胞外表面相结合， 诱发细胞质cAMP的合成并活化A激酶，再 将活化磷酸基团传递给无活性的磷酸化酶 激酶，活化糖原磷酸化酶，最终将糖原磷 酸化，进入糖酵解并提供ATP。
2．甲基化抑制基因转录的机制 甲基化导致某些区域DNA构象变化， 从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑 制了转录因子与启动区DNA的结合效率。
对弱启动子来说，少量甲基化就能使其完全 失去转录活性。当这类启动子被增强时，即使不 去甲基化也可以恢复其转录活性。甲基化密度较 高时，即使增强后的启动子仍无转录活性。 因为甲基化对转录的抑制强度与MeCP1 （methylCpG-binding protein1）结合DNA的能力 成正相关，甲基化CpG的密度和启动子强度之间 的平衡决定了该启动子是否具有转录活性。DNA 甲基化对基因转录的抑制直接参与了发育调控。 随着个体发育，当需要某些基因保持"沉默"时， 它们将迅速被甲基化，若需要恢复转录活性，则 去甲基化。
跨膜结构区：是连接受体细胞内、外两部分，镶 嵌在细胞膜中的结构，在靠近膜内侧C端常常是 由碱性氨基酸形成簇状结构。胞内活性区：保守 性较高，由三个不同的部分组成。与跨膜区相连 的近膜区包括41-50个氨基酸，可能是RPTK活性 的功能的调节部位。第二部分为活性位点所在的 催化区，其氨基酸组成具有很高的保守性。该区 含有ATP结合位点和底物结合位点，可能是不同 类型RPTK底物特异性的决定区域。第三部分是 多变的C末端，包括70-200个氨基酸，主要是由 小分子量氨基酸组成的亲水性结构，具有高度的 可塑性。
真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：一 种被称为日常型（mainte-nance）甲基转移酶， 另一种是 从头合成（denovo synthesis）甲基转 移酶。前者主要在甲基化母链（模板链）指导下 使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶 相对应的胞嘧啶甲基化。日常型甲基转移酶常常 与DNA内切酶活性相耦联，有3种类型。II类酶活 性包括内切酶和甲基化酶两种成分，而I类和III类 都是双功能酶，既能将半甲基化DNA甲基化，又 能降解外源无甲基化DNA。
3．DNA甲基化与X染色体失活 雌性胎生哺乳类动物细胞中两条X染色体 之一在发育早期随机失活，以确保其与只有 一条X染色体的雄性个体内X染色体基因的剂 量相同。一旦发生X染色体失活，使该细胞有 丝分裂所产生的后代都保持同一条X染色体失 活。
科学家发现，在X染色体上存在一个与X染色体 失活有密切联系的核心部位称为X染色体失活中 心（X-chromosome inactivation center，Xic）， 定位在Xq13区（正好是Barr氏小体浓缩部位）。 Xi-specific transcript (Xist)基因只在失活的X 染色体上表达，其产物是一功能性RNA，没有 ORF却含有大量的终止密码子。实验证明，Xist RNA分子能可能与Xic位点相互作用，引起后者 构象变化，易于结合各种蛋白因子，最终导致X 染色体失活。
CDK通过蛋白质磷酸化过程控制细胞分裂。 没有被磷酸化的PRb能与转录因子E2F相结 合并使后者不能激活一系列与DNA合成有 关的酶，导致细胞无法由G1进入S。 erbB原癌基因其实编码了一个突变的EGF 受体蛋白，它的胞内激酶活性区被永久性 激活（相当于EGF到正常EGF受体上）。 因此，erbB导致了细胞的永久型分裂。
6. CaM激酶及MAP激酶 Ca2+的细胞学功能主要通过钙调蛋白激酶 （CaM-kinase）来实现，它们也是一类丝氨酸/苏 氨酸激酶，但仅应答于细胞内Ca2+水平。MAP激 酶（mitogen-activated proteinkinase, MAPkinase，又称为extracellular-signal-regulated kinase，ERKS）活性受许多外源 细胞生长、分 化因子的诱导，也受到酪氨酸蛋白激酶及G蛋白 受体系统的调控。MAP-激酶的活性取决于该蛋白 中仅有一个氨基酸之隔的酪氨酸、丝氨酸残基是 否都被磷酸化。科学家把能同时催化这两个氨基 酸残基磷酸化的酶称为MAP-激酶-激酶，它的反 应底物是MAP激酶。MAP-激酶-激酶本身能被 MAP-激酶-激酶-激酶所磷酸化激活，后者能同时 被C激酶或酪氨酸激酶家族的Ras蛋白等激活，从 而在信息传导中发挥功能。