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什么是基因表达调控

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什么是基因表达调控

发布日期:2018-11-29 作者: 点击:

基因表达调控(regulation of gene expression or gene control)是对从DNA到蛋白质的过程叫基因表达(gene expression)过程的调节。了解动植物生长发育规律、形态结构特征及生物学功能,就必须搞清楚基因表达调控的时间和空间概念。本篇主要介绍因表达调控以下几个方面的主要表现形式①转录水平上的调控;②mRNA加工、成熟水平上的调控;③翻译水平上的调控。

基因表达调控的指挥系统有很多种,不同生物使用不同的信号来指挥基因调控。原核生物和真核生物之间存在着相当大差异。原核生物中,营养状况、环境因素对基因表达起着十分重要的作用;而真核生物尤其是高等真核生物中,激素水平、发育阶段等是基因表达调控的主要手段,营养和环境因素的影响则为次要因素。


1、真核基因表达调控

真核生物基因表达调控与原核生物有很大的差异。原核生物同一群体的每个细胞都和外界环境直接接触,它们主要通过转录调控,以开启或关闭某些基因的表达来适应环境条件(主要是营养水平的变化),故环境因子往往是调控的诱导物。

而大多数真核生物,基因表达调控明显的特征时能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因,从而实现“预定”的,有序的,不可逆的分化和发育过程,并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常的生理功能。

真核生物基因表达调控据其性质可分为两大类:第一类是瞬时调控或叫可逆调控,相当于原核生物对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种代谢底物浓度或激素水平升降时及细胞周期在不同阶段中酶活性和浓度调节。第二类是发育调节或称不可逆调控,这是真核生物基因表达调控的精髓,因为它决定了真核生物细胞分化,生长,和发育的全过程。

按照基因调控发生的先后顺序,可将其分为转录水平调控和转录后的水平调控;转录水平调控又可分为表观修饰调控及由诸多转录因子和RNA聚合酶控制的转录水平调控;而转录后水平调控又可细分为转录后的水平调控,翻译水平调控及蛋白质加工水平的调控。

研究基因调控应回答下面三个主要问题:①什么是诱发基因转录的信号? ②基因调控主要是在那个环节(模板DNA转录,mRNA的成熟或蛋白质合成)实现的?③不同水平基因调控的分子机制是什么?而现阶段大多数的分子机制的研究主要体现在表观遗传调控(代表DNA水平)、转录调控(代表RNA水平)和转录后调控(代表蛋白水平)。

(1)转录水平调控

真核生物在转录水平的调控主要是通过反式作用因子(转录因子)、顺式作用元件(启动子)和RNA聚合酶的相互作用来完成的,主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成过程。转录起始复合物的形成:真核生物RNA聚合酶识别的是由通用转录因子与DNA形成的蛋白质-DNA复合物,只有当一个或多个转录因子结合到DNA上,形成有功能的启动子,才能被RNA聚合酶所识别并结合.转录起始复合物的形成过程为:TFⅡD结合TATA盒;RNA聚合酶识别并结合TFⅡD-DNA复合物形成一个闭合的复合物;其他转录因子与RNA聚合酶结合形成一个开放复合物.

在这个过程中,反式作用因子的作用是:促进或抑制TFⅡD与TATA盒结合;促进或抑制RNA聚合酶与TFⅡD-DNA复合物的结合;促进或抑制转录起始复合物的形成。反式作用因子(转录因子):一般具有三个功能域(DNA识别结合域、转录活性域和结合其他蛋白结合域);能识别并结合上游调控区中的顺式作用元件(启动子);对基因的表达有正性或负性调控作用。

(2)转录后水平的调控

真核生物基因转录在细胞核内进行,而翻译则在细胞质中进行。在转录过程中真核基因有插入序列,结构基因被分割成不同的片段,因此转录后的基因调控是真核生物基因表达调控的一个重要方面,首要的是RNA的加工、成熟。各种基因转录产物RNA,无论rRNA、tRNA还是mRNA,必须经过转录后的加工才能成为有活性的分子。

(3)表观遗传调控

现代研究发现,异常的表观遗传可能导致发生肿瘤、自身免疫病、衰老、神经精神异常和多种儿科综合征。表观遗传学主要是对染色质重塑、DNA甲基化及组蛋白修饰、X染色体失活、非编码RNA调控等多方面进行研究。对表观遗传中各种因子的突变导致疾病的研究,将有助我们了解表观遗传机制、基因表达和环境之间的关系,并期望能纠正或降低那些能够导致疾病的表观基因的不稳定性,指导疾病的诊治和新药的研制。

表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达的可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象很多,已知的有DNA甲基化(DNA methylation),基因组印记(genomic imprinting),母体效应(maternal effects),基因沉默(gene silencing)等。表观遗传调控主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA调控4种控制表观遗传的沉默或激活。而表观遗传调控在DNA水平上调控,主要体现在DNA甲基化、组蛋白甲基化以及组蛋白乙酰化。

(4)翻译水平的调控

蛋白质合成翻译阶段的基因调控有三个方面:① 蛋白质合成起始速率的调控;② MRNA的识别;③ 激素等外界因素的影响。蛋白质合成起始反应中要涉及到核糖体、mRNA蛋白质合成起始因子可溶性蛋白及tRNA,这些结构和谐统一才能完成蛋白质的生物合成。mRNA则起着重要的调控功能。

真核生物mRNA的“扫描模式”与蛋白质合成的起始。真核生物蛋白合成起始时,40S核糖体亚基及有关合成起始因子首先与mRNA模板近5’端处结合,然后向3’方向移行,发现AUG起始密码时,与60S亚基形成80S起始复合物,即真核生物蛋白质合成的“扫描模式”。

mRNA5’末端的帽子与蛋白质合成的关系。真核生物5’末端可以有3种不同帽子:0型、I 型和 II 型。

不同生物的mRAN可有不同的帽子,其差异在于帽子的碱基甲基化程度不同。帽子的结构与mRNA的蛋白质合成速率之间关系密切:① 帽子结构是mRNA前体在细胞核内的稳定因素,也是mRNA在细胞质内的稳定因素,没有帽子的转录产物会很快被核酸酶降解;② 帽子可以促进蛋白质生物合成过程中起始复合物的形成,因此提高了翻译强度;③ 没有甲基化(m7G)的帽子(如GPPPN-)以及用化学或酶学方法脱去帽子的mRNA,其翻译活性明显下降。

基因表达调控

2、原核基因表达调控

原核生物的基因表达调控虽然比真核生物简单,然而也存在着复杂的调控系统。在原核基因转录调控中,现已搞清楚了细菌的几个操纵子模型,现以乳糖操纵子和色氨酸操纵子为例予以说明。

(1)色氨酸操纵子

色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成,它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定。当培养基中有足够的色氨酸时,该操纵子自动关闭;缺乏色氨酸时,操纵子被打开。色氨酸在这里不是起诱导作用而是阻遏,因而被称作辅阻遏分子,意指能帮助阻遏蛋白发生作用。色氨酸操纵子恰和乳糖操纵子相反。

(2)乳糖操纵子

大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因:①结构基因,能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白,这是与生物性状的发育和表型直接相关的基因。乳糖操纵子包含3个结构基因:lacZ、lacY、lacA。LacZ合成β—半乳糖苷酶,lacY合成透过酶,lacA合成乙酰基转移酶。②操纵基因O,控制结构基因的转录速度,位于结构基因的附近,本身不能转录成mRNA。③启动基因P,位于操纵基因的附近,它的作用是发出信号,mRNA合成开始,该基因也不能转录成mRNA。④调节基因i:可调节操纵基因的活动,调节基因能转录出mRNA,并合成一种蛋白,称阻遏蛋白。操纵基因、启动基因和结构基因共同组成一个单位——操纵子(operon)。

乳糖操纵子其调控机制简述如下:

抑制作用:调节基因转录出mRNA,合成阻遏蛋白,因缺少乳糖,阻遏蛋白因其构象能够识别操纵基因并结合到操纵基因上,因此RNA聚合酶就不能与启动基因结合,结构基因也被抑制,结果结构基因不能转录出mRNA,不能翻译酶蛋白。

诱导作用:乳糖的存在情况下,乳糖代谢产生别乳糖(alloLactose),别乳糖能和调节基因产生的阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白改变构象,不能在和操纵基因结合,失去阻遏作用,结果RNA聚合酶便与启动基因结合,并使结构基因活化,转录出mRNA,翻译出酶蛋白。

负反馈:细胞质中有了β—半乳糖苷酶后,便催化分解乳糖为半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后,又造成了阻遏蛋白与操纵基因结合,使结构基因关闭。



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关键词:基因表达调控,基因表达定量,表观组学技术服务

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