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基因表達調控

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1概述

從DNA到蛋白質的過程叫基因表達(gene expression),對這個過程的調節即為基因表達調控(regulation of gene expression or gene control)。基因調控是現代分子生物學研究的中心課題之一。因為要了解動植物生長發育規律。形態結構特徵及生物學功能,就必須搞清楚基因表達調控的時間和空間概念,掌握了基因調控機制,就等於掌握了一把揭示生物學奧秘的鑰匙。基因表達調控主要表現在以下幾個方面:①轉錄水平上的調控;②mRNA加工、成熟水平上的調控;③翻譯水平上的調控;
基因表達調控的指揮系統有很多種,不同生物使用不同的信號來指揮基因調控。原核生物和真核生物之間存在著相當大差異。原核生物中,營養狀況、環境因素對基因表達起著十分重要的作用;而真核生物尤其是高等真核生物中,激素水平、發育階段等是基因表達調控的主要手段,營養和環境因素的影響則為次要因素。

2原核生物的基因表達調控

原核生物的基因表達調控雖然比真核生物簡單,然而也存在著複雜的調控系統,如在轉錄調控種就存在著許多問題:如何在複雜的基因組內確定正確的轉錄起始點?如何將DNA的核苷酸按著遺傳密碼的程序轉錄到新生的RNA鏈中?如何保證合成一條完整的RNA鏈?如何確定轉錄的終止?
上述問題決定於DNA的結構、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的互相作用,在轉錄調控中,現已搞清楚了細菌的幾個操縱子模型,現以乳糖操縱子和色氨酸操縱子為例予以說明。
(2)色氨酸操縱子
色氨酸操縱子負責調控色氨酸的生物合成,它的激活與否完全根據培養基中有無色氨酸而定。當培養基中有足夠的色氨酸時,該操縱子自動關閉;缺乏色氨酸時,操縱子被打開。色氨酸在這裡不是起誘導作用而是阻遏,因而被稱作輔阻遏分子,意指能幫助阻遏蛋白髮生作用。色氨酸操縱子恰和乳糖操縱子相反。

3真核生物基因表達調控

真核生物基因表達調控與原核生物有很大的差異。原核生物同一群體的每個細胞都和外界環境直接接觸,它們主要通過轉錄調控,以開啟或關閉某些基因的表達來適應環境條件(主要是營養水平的變化),故環境因子往往是調控的誘導物。而大多數真核生物,基因表達調控最明顯的特徵時能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因,從而實現「預定」的,有序的,不可逆的分化和發育過程,並使生物的組織和器官在一定的環境條件範圍內保持正常的生理功能。真核生物基因表達調控據其性質可分為兩大類:第一類是瞬時調控或叫可逆調控,相當於原核生物對環境條件變化所做出的反應。瞬時調控包括某種代謝底物濃度或激素水平升降時及細胞周期在不同階段中酶活性和濃度調節。第二類是發育調節或稱不可逆調控,這是真核生物基因表達調控的精髓,因為它決定了真核生物細胞分化,生長,和發育的全過程。據基因調控在同一時間中發生的先後次序,又可將其分為轉錄水平調控,轉錄后的水平調控,翻譯水平調控及蛋白質加工水平的調控,研究基因調控應回答下面三個主要問題:①什麼是誘發基因轉錄的信號? ②基因調控主要是在那個環節(模板DNA轉錄,mRNA的成熟或蛋白質合成)實現的?③不同水平基因調控的分子機制是什麼?
回答上述這三個問題是相當困難的,這是因為真核細胞基因組DNA含量比原核細胞多,而且在染色體上除DNA外還含有蛋白質,RNA等,在真核細胞中,轉錄和翻譯兩個過程分別是在兩個彼此分開的區域:細胞核和細胞質中進行。 一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈;真核細胞DNA與組蛋白及大量非組蛋白相結合,只有小部分DNA是裸露的;而且高等真核細胞內DNA中很大部分是不轉錄的;真核生物能夠有序的根據生長發育階段的需要進行DNA片段重排,並能根據需要增加細胞內某些基因的拷貝數等。儘管難度很大,科學家們還是建立起多個調控模型。
(2)染色質結構對轉錄調控的影響
真核細胞中染色質分為兩部分,一部分為固縮狀態,如間期細胞著絲粒區、端粒、次溢痕,染色體臂的某些節段部分的重複序列和巴氏小體均不能表達,通常把該部分稱為異染色質。與異染色質相反的是活化的常染色質。真核基因的活躍轉錄是在常染色質進行的。轉錄發生之前,常染色質往往在特定區域被解旋或鬆弛,形成自由DNA,這種變化可能包括核小體結構的消除或改變,DNA本身局部結構的變化,如雙螺旋的局部去超螺旋或鬆弛、DNA從右旋變為左旋,這些變化可導致結構基因暴露,RNA聚合酶能夠發生作用,促進了這些轉錄因子與啟動區DNA的結合,導致基因轉錄,實驗證明,這些活躍的DNA首先釋放出兩種非組蛋白,(這兩種非組蛋白與染色質結合較鬆弛),非組蛋白是造成活躍表達基因對核算酶高度敏感的因素之一。
更多的科學家已經認識到,轉錄水平調控是大多數功能蛋白編碼基因表達調控的主要步驟。關於這一調控機制,現有兩種假說。一種假說認為,真核基因與原核基因相同,均擁有直接作用在RNA聚合酶上或聚合酶競爭DNA結合區的轉錄因子,第二種假說認為,轉錄調控是通過各種轉錄因子及反式作用蛋白對特定DNA位點的結合與脫離引起染色質構象的變化來實現的。真核生物DNA嚴密的染色質結構及其在核小體上的超螺旋結構,決定了真核基因表達與DNA高級結構變化之間的必然聯繫。DNA鏈的鬆弛和解旋是真核基因起始mRNA合成的先決條件。
翻譯水平上的調控
蛋白質合成翻譯階段的基因調控有三個方面:① 蛋白質合成起始速率的調控;② MRNA的識別;③ 激素等外界因素的影響。蛋白質合成起始反應中要涉及到核糖體、mRNA蛋白質合成起始因子可溶性蛋白及tRNA,這些結構和諧統一才能完成蛋白質的生物合成。mRNA則起著重要的調控功能。
真核生物mRNA的「掃描模式」與蛋白質合成的起始。真核生物蛋白合成起始時,40S核糖體亞基及有關合成起始因子首先與mRNA模板近5』端處結合,然後向3』方向移行,發現AUG起始密碼時,與60S亞基形成80S起始複合物,即真核生物蛋白質合成的「掃描模式」。
mRNA5』末端的帽子與蛋白質合成的關係。真核生物5』末端可以有3種不同帽子:0型、I 型和 II 型。不同生物的mRAN可有不同的帽子,其差異在於帽子的鹼基甲基化程度不同。帽子的結構與mRNA的蛋白質合成速率之間關係密切:① 帽子結構是mRNA前體在細胞核內的穩定因素,也是mRNA在細胞質內的穩定因素,沒有帽子的轉錄產物會很快被核酸酶降解;② 帽子可以促進蛋白質生物合成過程中起始複合物的形成,因此提高了翻譯強度;③ 沒有甲基化(m7G)的帽子(如GPPPN-)以及用化學或酶學方法脫去帽子的mRNA,其翻譯活性明顯下降。
mRNA的先導序列可能是翻譯起始調控中的識別機制。可溶性蛋白因子的修飾對翻譯也起著重要的調控作用。
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