基因表达

一、阐述真核细胞基因表达调控的基本环节、主要的调控分子和调控方式。

真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。

（一）DNA水平的调控

DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。

1、基因扩增

基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要。如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。

2．基因丢失

在一些低等真核生物的细胞分化过程中，有些体细胞可以通过丢失某些基因，从而达到调控基因表达的目的，这是一种极端形式的不可逆的基因调控方式。但是，基因丢失现象在高等真核生物中还未发现。

3．基因重排

基因重排(gene rearrangement)是指DNA分子中核苷酸序列的重新排列。这些序列的重排可以形成新的基因，也可以调节基因的表达。

4. DNA甲基化和去甲基化

DNA的甲基化可以引起基因的失活。活跃表达的基因都是甲基化不足的基因。表达活性与甲基化程度呈负相关。甲基化的程度可以调节基因表达。

5.染色质结构与基因表达调控

真核细胞中基因转录的模板是染色质而不是裸露的DNA，因此染色质呈疏松或紧密结构，是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键。按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。

活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。

（二）转录水平的调控

1、真核基因表达调控的顺式作用元件

顺式作用元件(cis-acting element)是指DNA分子上对基因表达有调节活性的特定核苷酸序列。这种DNA序列多位于基因上游或内含子中。

真核基因的顺式作用元件包括启动子、增强子、静止子以及其他调控元件。

启动子的结构和功能

启动子是在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。包括核心启动子和上游启动子。

TATA框（TATA box）：中心位于－30位置，是RNA聚合酶Ⅱ识别和结合位点。

CAAT框（CAAT box）：位于－70～－80位置，决定启动子的起始频率。

GC框(GC box)：－110位置，增强转录活性。

增强子的结构和功能

增强子（enhancer）是一种远端调控元件，增强子通常占100－200bp长度，位于－700～－1000处，所以又称为上游激活序列(upstream activator sequence, UAS)。增强子也要通过与特定的蛋白质因子结合而实现其对转录的增强作用。

静止子

是一种类似增强子但起负调控作用的顺式作用元件。有人称为沉默基因。

其它顺式调控元件

（1）应答元件(responsive elements)

真核细胞中对某些特定的环境作出应答的基因，常具有相同的应答元件．应答元件能被在一些特定情况下表达的调控因子识别。

（2）转座元件对基因表达的调控。

2、真核基因调控的反式作用因子

真核生物的RNA聚合酶与原核生物的RNA聚合酶不同，它本身不能启动转录，因此必须事先有一套转录因子装配到启动子上，RNA聚合酶才能启动转录。

能直接或间接识别各种顺式调控元件的核心序列并与之结合从而调控基因转录效率的各种蛋白质分子称为反式作用因子。转录因子(transcription factor, TF)是参与正调控的反式作用因子，是转录起始过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。

这类DNA结合蛋白有很多种，顺式调控元件也有多种，正是不同的DNA序列和不同的DNA结合蛋白之间在空间结构上的相互作用，以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用，构成了复杂的基因转录调控机制。

反式作用因子的结构特征

反式作用因子一般都具有三个不同功能结构域(domain)。

①DNA结合结构域与顺式调控元件结合的部位。

对大量转录调控因子结构的研究表明，DNA结合结构域大多在大体上有4种结构特征：螺旋－转角－螺旋(helix-turn-helix, HTH)结构、锌指(zinc finger)结构、亮氨酸拉链(leucine zipper)结构、螺旋－突环－螺旋等。

②激活基因转录的功能结构域有时一个反式作用因子可能有一个以上的转录激活区。

③与其他蛋白质因子结合的结构域

3．选择性启动子

有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子，用于在不同细胞中表达。不同启动子可产生不同的初级转录产物和不相同的蛋白质编码序列。

（三）转录后调控

1.不同剪接方式可产生不同的mRNA

在真核生物中，蛋白质基因的转录产物统称为核不均一RNA，必须经过加工才能成为成熟的mRNA分子。加工过程包括三个方面：加帽、加尾和去掉内含子。同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式剪接加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质都可能不同。

2. RNA编辑

转录后的RNA在编码区发生碱基插入，缺失或转换的现象。意义：纠正某些移码突变；构建或删除起始密码子、终止密码子；扩充遗传信息。

（四）翻译水平的调控

阻遏蛋白与mRNA结合，可以阻止蛋白质的翻译并使成熟的mRNA变为失活状态贮存起来。

此外，还可以控制mRNA的稳定性和有选择的进行翻译。例如，当血红素缺乏时，通过级联反应使eIF-2磷酸化，从而抑制翻译的起始。

（五）翻译后调控

直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的，必须经过加工才具有活性。在蛋白质翻译后的加工过程中，还有一系列的调控机制。

1．蛋白质折叠

线性多肽链必须折叠成一定的空间结构，才具有生物学功能。在细胞中，蛋白质的折叠必须有分子伴侣的作用下才能完成折叠。

2．蛋白酶切割

末端切割

有些膜蛋白、分泌蛋白，在氨基端具有一段疏水性强的氨基酸序列，称为信号肽，用于前体蛋白质在细胞中的定位。信号肽必须切除多肽链才具有功能。

多聚蛋白质的切割

有些新合成的多肽链含有几个蛋白质分子的序列，切割以后产生具有不同功能的蛋白质分子。

3、蛋白质的化学修饰

简单的化学修饰是将一些小的化学基团，如乙酰基、甲基、磷酸基加到氨基酸侧链上，或者加到氨基端或羧基端。

复杂的修饰是蛋白质的糖基化（glycosylation），就是将一些分子量很大的碳水化合物加到多肽链上。

4、切除蛋白质内含子