基因表达调控

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在一个生物体中,任何细胞都带有同样的遗传信息,带有同样的基因,但是,一个基因在不同组织、不同细胞中的表现并不一样,这是由基因调控机制所决定的。遗传信息从DNA传递到蛋白质的过程称为基因表达,对这个过程的调节即为基因表达调控。一个细胞在特定的时刻仅产生很少一部分蛋白质,也就是说,基因组中只有很少一部分基因得以表达。基因调控机制根据各个细胞的功能要求,精确地控制每种蛋白质的生产数量。生物体完整的生命过程是基因组中的各个基因按照一定的时空次序开关的结果。原核生物和真核单细胞生物直接暴露在生存环境之中,根据环境条件的改变,合成各种不同的蛋白质,使代谢过程适应环境的变化。高等真核生物是多细胞有机体,在个体发育过程中出现细胞分化,形成各种不同的组织和器官,而不同类型的细胞所合成的蛋白质在质和量上都是不同的。因而,无论是原核细胞还是真核细胞,都有一套精确的基因表达和蛋白质合成的调控机制。

细胞要维持其功能,有些蛋白质在任何时候都是必需的,这些蛋白质所对应的基因称为管家基因(housekeeping gene) ,它们随时都要表达。编码细胞特化蛋白质的基因叫诱导基因,这些基因在需要对应蛋白质的时间和地点才表达。虽然生物体内的每一个细胞都有完整的基因组,但各种基因在不同细胞中表达的规律是不一样的。要了解生物的生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能,就必须要研究基因表达调控的时间和空间规律,掌握基因表达调控的秘密。

1、基因表达调控的层次

基因表达调控主要表现在几个方面:第一是染色质水平上的调控。基因转录前染色质结构需要发生一系列重要变化,这是基因转录的前提,活化的基因处于染色质的伸展状态之中,可以被转录,而非活化的染色质DNA不能被转录。第二是转录水平上的表达调控,这是最主要的基因调控方式。转录水平调控的重点是在特定组织或细胞中、在特定的生长发育阶段、在特定的机体内外条件下,选择特定基因进行转录表达。第三是转录后调控,这是指基因转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工等调控行为,主要包括提前终止转录过程,对mRNA前体进行加工剪切,mRNA通过核孔和在细胞质内定位等。第四是翻译水平上的调控,这是基因表达调控的重要环节。翻译的速率和细胞生长的速度之间是密切协调的。在肽链合成的起始、延伸和终止三个阶段中,对翻译起始速率的调控是最重要的,而在翻译的延伸和终止阶段也存在着调控因素。最后一个方面的调控是蛋白质活性的调节。来自mRNA的遗传信息翻译成蛋白质后,这些蛋白质如何活化并发挥其生物学功能,涉及蛋白质合成后的加工问题。对于由mRNA翻译产生的多肽,经过正常折叠后,有些已经具有生物活性,然而,对于真核生物中大部分蛋白质来说,还需要进一步加工、修饰和活化,才具有生理功能。这种修饰有时还是不可逆转的过程。

2、原核基因的调控

原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物的简单,转录和翻译在同一时间和空间内发生。基因表达的调控主要发生在转录水平上,但是在翻译水平上也存在着调控因素。原核生物同一群体的每个细胞个体都和外界环境直接接触,它们通过转录调控,开启或关闭某些基因的表达来适应自然环境的变化。一个体系在需要时被打开,而在不需要时被关闭。环境因子往往是调控的诱导物,群体中每个细胞对环境变化的反应都是直接和基本一致的。原核细胞基因调控的一大特征是调控因子结合到与结构基因启动子区紧密相邻的DNA序列上,这种作用决定转录的发生与否,因而调节位点总是与启动子相邻。

结构基因的表达受控于特定的调控基因。这些由调控基因编码的蛋白质结合在DNA上靠近其所控制的基因的启动子区域附近,由此来控制这些基因在一定条件下的表达。这些调控蛋白感知细胞的化学环境,并决定是否结合在特定的核苷酸序列上,正是这种能力使生物体能恰当地对外界环境作出反应。若这些调控蛋白的结合使RNA聚合酶更容易启动转录,我们就说发生了正调控(positive regulation)。负调控(negative regulation)指调控蛋白的结合阻碍了转录的发生。多数原核生物的结构基因只需要一个或两个调控蛋白来控制表达,而真核生物具有更复杂的基因组和转录需要,因此需要用多个(通常为7个或更多)调控蛋白的组合来控制结构基因的表达。

大肠杆菌是动物肠道内常见的细菌,这种细菌可以利用多种营养物质来生长。对细菌来说,最容易利用的是葡萄糖;如果环境中没有葡萄糖,它就利用别的糖,如乳糖。大肠杆菌利用乳糖时,需要一种称为b-半乳糖苷酶的作用将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。有这种酶就可以利用乳糖,否则就不行。细菌对乳糖的利用问题在基因水平看就是b-半乳糖苷酶的基因表达问题。如果环境中只有乳糖可以利用,则b-半乳糖苷酶的基因就必须表达,从而合成这种酶。如果环境中有葡萄糖可利用,则b-半乳糖苷酶的基因就应该关闭。

典型的大肠杆菌乳糖操纵子(如下图)包括三个结构基因,即Z、Y、A,它们分别编码b-半乳糖苷酶、透性酶和转乙酰酶。这三个酶的编码区域头尾相连,排在一起。操纵子的另外一部分是操纵基因及启动子位点。转录时,RNA聚合酶首先与启动区结合,通过操纵子向右转录,转录从操纵区的中间开始,按Z®Y®A方向进行,每次转录的一条mRNA上都带有三个基因。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。在正常情况下,操纵基因部位被阻遏蛋白紧紧结合着,使RNA聚合酶不能从启动子部位向下游的转录单位移动,阻止基因转录的开始。编码阻遏蛋白的基因就是调控基因。

操纵子

3、真核基因的调控

真核生物(除酵母、藻类和原生动物等单细胞类之外)主要由多细胞组成。真核生物有细胞核结构,转录和翻译过程在时间和空间上彼此分开,并且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程,其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。真核生物的DNA与蛋白质结合在一起,形成十分复杂的染色质结构。染色质构象的变化、染色质中蛋白质的变化及染色质对DNA酶敏感程度的变化都会对基因表达产生影响。真核生物的染色质包裹在细胞核内,基因的核内转录和细胞质内的翻译被核膜在时间和空间上隔开,核内RNA的合成与运转,细胞质中RNA的剪切和加工等无不扩大了真核细胞基因调控的范围。每个真核细胞所携带的基因数量及基因组中蕴藏的遗传信息量都大大高于原核生物。真核生物基因组DNA中有大量的重复序列,基因内部还插入了非蛋白质编码区域,这些都影响真核基因的表达。因此,真核生物基因调控达到了原核生物所不可能拥有的深度和广度。

对大多数真核细胞来说,基因表达调控最明显的特征是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,并使生物组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常的功能。

根据性质的不同,可将真核生物基因调控分为两大类:第一类是瞬时调控或可逆性调控,这相当于原核细胞对环境条件变化所作出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时或细胞周期不同阶段中,酶活性和浓度的调节。第二类是发育调控或不可逆调控,是真核基因调控的关键部分,这种调控决定真核细胞的生长、分化、发育的全部进程。

真核基因调控主要是在转录水平上进行的,这一点与原核生物相同,但是真核生物没有像原核生物那样的操纵子,也没有和操纵子紧密相邻的调节基因。真核生物的转录受特定顺式作用元件的影响,这类元件大多与所调控的结构基因保持一段距离。此外,真核生物的转录还受到反式作用因子的调控。这些因子是一些扩散物质,如蛋白质分子或激素蛋白质的复合物。真核生物的转录大多是通过顺式作用元件和反式作用因子的结合,并通过复杂的相互作用来实现的。由于真核生物的转录主要发生在染色质上,因此,染色质的结构状态、特定区域DNA链的松弛或解旋和DNA空间结构的变化等都会在转录调控上起作用。

基因调控网络

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