真核生物基因表達(dá)調(diào)控

1、真核生物基因表達(dá)的調(diào)控河南高校民生學(xué)院 王磊 生物技術(shù)一、生物基因表達(dá)的調(diào)控的共性首先，我們來(lái)看看在生物基因表達(dá)調(diào)控這一過(guò)程中體現(xiàn)的共性和一些基本模式。1、作用范圍。生物體內(nèi)的基因分為管家基因和鋪張基因。管家基因始終表達(dá)，鋪張基因只在需要的時(shí)候表達(dá)，但二者的表達(dá)都受到調(diào)控?？梢?jiàn)，調(diào)控是普遍存在的現(xiàn)象。2、調(diào)控方式?；虮磉_(dá)有兩種調(diào)控方式，即正調(diào)控與負(fù)調(diào)控，原核生物和真核生物都離不開(kāi)這兩種模式。3、調(diào)控水平。一種基因表達(dá)的調(diào)控可以在多種層面上開(kāi)放，包括DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后加工水平、翻譯后加工水公平。然為節(jié)省能量起見(jiàn)，轉(zhuǎn)錄的起始階段往往作為最佳調(diào)控位點(diǎn)。二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)真核生

2、物與原核細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上就有著諸多不同，這打算了二者在運(yùn)行方面的迥異途徑。真核生物比原核生物簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)錄與翻譯不同時(shí)也不同地，基因組與染色體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而有著更為簡(jiǎn)單的調(diào)控機(jī)制。1、 多層次。真核生物的基因表達(dá)可發(fā)生在染色質(zhì)水平、轉(zhuǎn)錄起始水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平以及翻譯后水平。2、 無(wú)操縱子和衰減子。3、 大多數(shù)原核生物以負(fù)調(diào)控為主，而真核生物啟動(dòng)子以正調(diào)控為主。4、 個(gè)體發(fā)育簡(jiǎn)單，而受環(huán)境影響較小。真核生物多為多細(xì)胞生物，在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，不僅要隨細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的變化調(diào)整基因表達(dá)，還要隨發(fā)育的不同階段表達(dá)不同基因。前者為短期調(diào)控，后者屬長(zhǎng)期調(diào)控。從整體上看，不行逆的長(zhǎng)期調(diào)控影響更深遠(yuǎn)。三、真核生物

3、基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制介于真核生物表達(dá)以多層次性為最主要特點(diǎn)，我們可以分別從它的幾個(gè)水平著眼，剖析它的調(diào)控機(jī)制。1、染色質(zhì)水平。真核生物基因組DNA以致密的染色質(zhì)形式存在，發(fā)生在染色質(zhì)水平的調(diào)控也稱(chēng)作轉(zhuǎn)錄前水平的調(diào)控，產(chǎn)生永久性DNA序列和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，往往伴隨細(xì)胞分化。染色質(zhì)水平的調(diào)控包括染色質(zhì)丟失、基因擴(kuò)增、基因重排、染色體DNA的修飾，等等。a. 基因丟失：丟失一段DNA或整條染色體的現(xiàn)象。在細(xì)胞分化過(guò)程中，可以通過(guò)丟失掉某些基因而去除這些基因的活性。某些原生動(dòng)物、線(xiàn)蟲(chóng)、昆蟲(chóng)和甲殼類(lèi)動(dòng)物在個(gè)體發(fā)育中，很多體細(xì)胞經(jīng)常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來(lái)分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那些細(xì)胞始終保留著整套

4、的染色體。如馬蛔蟲(chóng)2n2，但染色體上有多個(gè)著絲粒。第一次卵裂是橫裂，產(chǎn)生上下2個(gè)子細(xì)胞。其次次卵裂時(shí)，一個(gè)子細(xì)胞仍進(jìn)行橫裂，保持完整的基因組，而另一個(gè)子細(xì)胞卻進(jìn)行縱向分裂，丟失部分染色體。目前，在高等真核生物（包括動(dòng)物、植物）中尚未發(fā)覺(jué)類(lèi)似的基因丟失現(xiàn)象。b. 基因擴(kuò)增：基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專(zhuān)一性增大的現(xiàn)象，它使得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿(mǎn)足生長(zhǎng)發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。如非洲爪蟾卵母細(xì)胞中rDNA的基因擴(kuò)增是因發(fā)育需要而消滅的基因擴(kuò)增現(xiàn)象；基因組拷貝數(shù)增加，即多倍性，在植物中是格外普遍的現(xiàn)象?；蚪M拷貝數(shù)增加使可供遺傳重組的物質(zhì)增多，這可能構(gòu)成了加速基因進(jìn)化、基因

5、組重組和最終物種形成的一種方式。c. 基因重排：將一個(gè)基因從遠(yuǎn)離啟動(dòng)子的地方移到距它很近的位點(diǎn)從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，這種方式被稱(chēng)為基因重排。通過(guò)基因重排調(diào)整基因活性的典型例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。在人類(lèi)基因組中，全部抗體的重鏈和輕鏈都不是由固定的完整基因編碼的，而是由不同基因片段經(jīng)重排后形成的完整基因編碼的。d. DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理：DNA甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合效率。在一些不表達(dá)的基因中，啟動(dòng)區(qū)的甲基化程度很高，而處于活化狀態(tài)的基因則甲基化程度較低。真核DNA約有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范圍與基因表

6、達(dá)程度呈反比。2.轉(zhuǎn)錄起始水平。這一環(huán)節(jié)是調(diào)控的最主要環(huán)節(jié)，由對(duì)基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控來(lái)完成，包括基因的空間結(jié)構(gòu)、折疊狀態(tài)、DNA上的調(diào)控序列、與調(diào)控因子的相互作用等。e. 活化染色質(zhì)：在真核生物體內(nèi)，RNApol與啟動(dòng)子的結(jié)合受染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的限制，需通過(guò)染色質(zhì)重塑來(lái)活化轉(zhuǎn)錄。常態(tài)下，組蛋白可使DNA鏈形成核小體結(jié)構(gòu)而抑制其轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄因子若與轉(zhuǎn)錄區(qū)結(jié)合則基因具有轉(zhuǎn)錄活性。因而基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄是限制性的，核小體的解散時(shí)必要前提，組蛋白與轉(zhuǎn)錄因子之間的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果可以打算是否轉(zhuǎn)錄。組蛋白的抑制力量可因其乙?；档?。另外，由于端粒位置效應(yīng)或中心粒的原因，抑或是收到一些蛋白的調(diào)控，真核生物細(xì)胞可能消滅10%的異

7、染色質(zhì)，異染色質(zhì)空間上壓縮緊密，不利于轉(zhuǎn)錄。f. 活化基因：真核生物編碼蛋白的基因含啟動(dòng)子元件和增加子元件（啟動(dòng)子：在DNA分子中，RNA聚合酶能夠識(shí)別、結(jié)合并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始的序列。增加子：指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列。），轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子元件相互作用調(diào)整基因表達(dá)；轉(zhuǎn)錄激活因子與增加子元件相互作用，再通過(guò)與結(jié)合在啟動(dòng)子元件上的轉(zhuǎn)錄因子相互作用來(lái)激活轉(zhuǎn)錄。兩種元件以相同的機(jī)制作用于轉(zhuǎn)錄。真核生物RNApol對(duì)啟動(dòng)子親和力很小或沒(méi)有，轉(zhuǎn)錄起始依靠于多個(gè)轉(zhuǎn)變路激活因子的作用，而若干個(gè)調(diào)整蛋白與特定DNA序列的結(jié)合大大提高了活化的精確度，無(wú)疑是這一作用機(jī)制的一大優(yōu)勢(shì)。在這一作用中，增

8、加子與適當(dāng)?shù)恼{(diào)整蛋白作用以增加接近啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄是沒(méi)有方向性的，典型的增加子可以消滅在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游或下游。RNApol與啟動(dòng)子的結(jié)合一般需要三種蛋白質(zhì)的作用，即基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子（又名通用轉(zhuǎn)錄因子）、轉(zhuǎn)錄激活因子和輔激活因子。能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各類(lèi)順式作用元件上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)又名轉(zhuǎn)錄因子?；A(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子與RNApol結(jié)合成全酶復(fù)合物并結(jié)合到啟動(dòng)子上，轉(zhuǎn)錄激活因子可以以二聚體或多聚體的形式結(jié)合到DNA靶位點(diǎn)上，遠(yuǎn)距離或近距離作用域啟動(dòng)子。在遠(yuǎn)距離作用時(shí)，往往還會(huì)有絕緣子參與，以阻斷鄰近的增加子對(duì)非想關(guān)基因的激活；在近距離作用時(shí)，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子可以轉(zhuǎn)變DNA調(diào)控區(qū)的外形，使其他蛋白質(zhì)相互作用、激活轉(zhuǎn)錄。3.轉(zhuǎn)錄后水平。真核生物mRNA前體須經(jīng)過(guò)5-加帽、3-加尾以及拼接過(guò)程、內(nèi)部堿基修飾才能成為成熟度的mRNA，加帽位點(diǎn)與加尾位點(diǎn)、拼接點(diǎn)的選擇就成了調(diào)控的手段。g. 5-加帽：幾乎全部的真核生物和病毒mRNA的5端都具有帽子結(jié)構(gòu)，其作用為愛(ài)護(hù)mRNA免遭5外切酶降解、為mRNA的核輸出供應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)和提高翻譯模板的穩(wěn)定性和翻譯效 率。試驗(yàn)證明，對(duì)于通過(guò)滑動(dòng)搜尋起始的轉(zhuǎn)錄過(guò)程來(lái)說(shuō)，mRNA的翻譯活性依靠于5端的帽子結(jié)構(gòu)。h. 3-加尾：3UTR序列及結(jié)構(gòu)調(diào)整mRNA穩(wěn)定性和壽命4.翻譯水平。在翻譯