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  飯桶877 2011-01-05 00:00:00

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  jscuan123 2011-01-09 00:00:00

  真核生物基因表達的調控遠比原核生物復雜，可以發(fā)生在DNA水平、轉錄水平、轉錄后的修飾、翻譯水平和翻譯后的修飾等多種不同層次（圖 真核生物基因表達中可能的調控環(huán)節(jié)）。但是，Z經濟、Z主要的調控環(huán)節(jié)仍然是在轉錄水平上。 （一）DNA水平的調控 DNA水平上的調控是通過改變基因組中有關基因的數量、結構順序和活性而控制基因的表達。這一類的調控機制包括基因的擴增、重排或化學修飾。其中有些改變是可逆的。 1、基因劑量與基因擴增 細胞中有些基因產物的需要量比另一些大得多，細胞保持這種特定比例的方式之一是基因組中不同基因的劑量不同。例如，有A、B兩個基因，假如他們的轉錄、翻譯效率相同，若A基因拷貝數比B基因多20 倍，則A基因產物也多20倍。組蛋白基因是基因劑量效應的一個典型實例。為了合成大量組蛋白用于形成染色質，多數物種的基因組含有數百個組蛋白基因拷貝。 基因劑量也可經基因擴增臨時增加。兩棲動物如蟾蜍的卵母細胞很大，是正常體細胞的一百倍，需要合成大量核糖體。核糖體含有rRNA分子，基因組中的rRNA基因數目遠遠不能滿足卵母細胞合成核糖體的需要。所以在卵母細胞發(fā)育過程中，rRNA基因數目臨時增加了4000倍。卵母細胞的前體同其他體細胞一樣，含有約500個rRNA基因（rDNA）。在基因擴增后，rRNA基因拷貝數高達2×106。這個數目可使得卵母細胞形成1012個核糖體，以滿足胚胎發(fā)育早期蛋白質大量合成的需要。 在基因擴增之前，這500個rRNA基因以串聯(lián)方式排列。在發(fā)生擴增的3周時間里，rDNA不再是一個單一連續(xù)DNA片段，而是形成大量小環(huán)即復制環(huán)，以增加基因拷貝數目。這種rRNA基因擴增發(fā)生在許多生物的卵母細胞發(fā)育過程中，包括魚、昆蟲和兩棲類動物。目前對這種基因擴增的機制并不清楚。 在某些情況下，基因擴增發(fā)生在異常的細胞中。例如，人類癌細胞中的許多致癌基因，經大量擴增后GX表達，導致細胞繁殖和生長失控。有些致癌基因擴增的速度與病癥的發(fā)展及癌細胞擴散程度高度相關。 2．基因丟失 在一些低等真核生物的細胞分化過程中，有些體細胞可以通過丟失某些基因，從而達到調控基因表達的目的，這是一種極端形式的不可逆的基因調控方式。 如某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育到一定階段后，許多體細胞常常丟失整條染色體或部分染色體，而只有在將來分化生殖細胞的那些細胞中保留著整套的染色體。在馬蛔蟲中，個體發(fā)育到一定階段后，體細胞中的染色體破碎，形成許多小的染色體，其中有些小染色體沒有著絲粒，它們因不能在細胞分裂中正常分配而丟失，在將來形成生殖細胞的細胞中不存在染色體破碎現(xiàn)象。 但是，基因丟失現(xiàn)象在高等真核生物中還未發(fā)現(xiàn)。 3．DNA重排（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。這些序列的重排可以形成新的基因，也可以調節(jié)基因的表達。這種重排是由基因組中特定的遺傳信息決定的，重排后的基因序列轉錄成mRNA，翻譯成蛋白質。 盡管基因組中的DNA序列重排并不是一種普通方式，但它是有些基因調控的重要機制，在真核生物細胞生長發(fā)育中起關鍵作用。 ⑴酵母交配型轉換。 啤酒酵母交配型轉換是DNA重排的結果。酵母菌有兩種交換型，分別a和α。單倍體a和α之間配合才能產生二倍體a/α，經減數分裂及產孢過程形成單倍體四分子，其中a和α的孢子的比例為2：2。如果單獨培養(yǎng)基因型a和α的孢子，由于僅有與親代相同的交配型基因型，所以形成的孢子之間不能發(fā)生交配。但酵母菌中有一種同宗配合交配類型，其細胞可轉換成對應的交配類型，使細胞之間可發(fā)生配合。 起始的單倍體孢子（這里是α）發(fā)育成一個母細胞及一個芽細胞，芽細胞再長成子細胞。在下一次分裂后，這個母細胞及新形成的子細胞轉換成對應的交配型a，結果是兩個α 和兩個a型細胞。相對應交配型細胞融合形成a/α二倍體合子（交配）。再經有絲分裂及產孢過程又形成單倍體孢子。這種交配型轉換的基礎是遺傳物質的重排?？刂平慌湫偷腗AT基因位于酵母菌第3染色體上，MATa和MATα互為等位基因。含有MATa單倍體細胞為a交配型，具有MATα基因型的細胞為α交配型。MAT位點的兩端，還有類似MAT基因的HMLa和HMRa基因，他們分別位于第3染色體左臂和右臂上。這兩個基因分別具有與MATα和MATa 相同的序列，但在其基因上游各有一個YZ轉錄起始的沉默子，所以不表達。 交換型轉換是由HO內切核酸酶(HO endonuclease)的作用開始的(圖8－19)。這個內切酶將MATa基因內的一段24bp的雙鏈DNA切開，另一種核酸外切酶在雙鏈DNA的切口，從5′到3′加工產生一段突出的3′單鏈尾端序列（約500個核苷酸），MATa基因用這一段單鏈系列插入到MATα基因的同源序列中，以HMLα序列為模板，合成一段新的HMLα基因序列，再通過重組使HMLα整合到MATa序列中，導致基因轉換，由MATa轉換成MATα。在這個重組過程中，有一段244bp的重組強化子(recombinant enhancer， RE)對重組起順式調控作用，是基因轉換所必須的，RE缺失則不能發(fā)生基因轉換。這段RE序列也位于第3染色體左臂上，靠近HMLα位點。 MAT基因編碼一種與MCM1轉錄因子互作的調控蛋白，控制其它基因轉錄。MATa和MATα基因產物對MCM1具有不同的影響，因而表現(xiàn)出不同的等位基因特異表達模式。在紅色面包霉及其它真菌中出現(xiàn)的四分孢子異常比例，也是重組后產成的基因轉換形成的。 （2）動物抗體基因重排 一個正常哺乳動物可產生108以上不同的抗體分子，每一種抗體具有與特定抗原結合的能力。抗體是蛋白質，每一種特異抗體具有不同的氨基酸序列。如果抗體的遺傳表達是一個基因編碼一條多肽鏈，那么一個哺乳動物就需要108以上的基因來編碼抗體，這個數目至少是整個基因組中基因數目（現(xiàn)在估計人類基因組中編碼蛋白質的基因大概只有30000個左右）的1000倍。這是不可能實現(xiàn)的! 那么哺乳動物是采用什么機制形成如此眾多的不同抗體分子的呢？ 首先我們看一下抗體分子的結構（圖 抗體分子結構）。抗體包括兩條分別約440個氨基酸的重鏈（heavy chain， H）和兩條分別約214個氨基酸的輕鏈（light chain， L）。不同抗體分子的差別主要在重鏈和輕鏈的氨基端（N端），故將N端稱為變異區(qū)（variable region， V），N端的長度約為110個氨基酸。不同抗體羧基端（C端）的序列非常相似，稱為恒定區(qū)（constant region， C）?？贵w的輕鏈、重鏈之間和兩條重鏈之間由二硫鍵連接，形成一種四鏈（H2L2）結構的免疫球蛋白分子。 在人類基因組中，所有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重排后形成的完整基因編碼的。 完整的重鏈基因由VH、D、J和C四個基因片斷組合而成，完整的輕鏈基因由VL、J和C三3個片段組合而成。 人的第14號染色體上具有86個重鏈變異區(qū)片段（VH），30個多樣區(qū)片段（diverse，D），9個連接區(qū)片段（jioning，J）以及11個恒定區(qū)片段（C）。 輕鏈基因分為3個片段，變異區(qū)（VL），連接區(qū)(J)和恒定區(qū)(C)。人類的輕鏈分為2型：κ型（Kappa輕鏈，κ）和λ型（Lambda輕鏈，λ）。κ輕鏈基因位于第2號染色體上，λ輕鏈基因位于第22號染色體 隨著B淋巴細胞的發(fā)育，基因組中的抗體基因在DNA水平發(fā)生重組，形成編碼抗體的完整基因（圖 人類抗體重鏈基因結構）。在每一個重鏈分子重排時，首先V區(qū)段與D區(qū)段連接，然后與J區(qū)段連接，Z后與C區(qū)段連接，形成一個完整的抗體重鏈基因。每一個淋巴細胞中只有一種重排的抗體基因。 輕鏈的重排方式與重鏈基本相似（圖 人類抗體κ鏈基因結構），所不同的是輕鏈由3個不同的片斷組成。 重鏈和輕鏈基因重排后轉錄，再翻譯成蛋白質，由二硫鍵連接，形成抗體分子。 產生免疫球蛋白分子多樣性的遺傳控制： 重鏈和輕鏈的不同組合，κ、λ、H； 在重鏈中，V、D、J和C片段的組合； κ輕鏈中V和C的組合； λ輕鏈中V、J和C的組合； 此外，基因片段之間的連接點也可以在幾個bp的范圍內移動。 因此，可以從約300個抗體基因片段中產生109 數量級的免疫球蛋白分子。 3. DNA甲基化和去甲基化 在真核生物DNA分子中，少數胞嘧啶堿基第5碳上的氫可以在甲基化酶的催化下被一個甲基取代，使胞嘧啶甲基化(methylation)。 甲基化多發(fā)生在5′－CG－3′二核苷酸對上。有時CG二核苷酸對上的兩個C都甲基化，稱為完全甲基化，只有一個C甲基化稱為半甲基化。甲基化酶可識別這種半甲基化DNA分子，使另一條鏈上的胞嘧啶也甲基化。 DNA的甲基化可以引起基因的失活?；钴S表達的基因都是甲基化不足的基因。表達活性與甲基化程度呈負相關。甲基化的程度可以在轉錄的充分激活和完全阻遏之間起調節(jié)作用。把甲基化和未甲基化的病毒DNA或細胞核基因分別導入活細胞，已甲基化的基因不表達，而未甲基化的能夠表達。在大鼠個體發(fā)育過程中，核內DNA甲基化的水平失不斷提高的，14d的胚胎肝臟只有8％的rDNA甲基化，18d的胚胎肝臟有30％的rDNA甲基化，而成年大鼠肝組織中rDNA的甲基化程度高達60％。 某些玉米Ac轉座因子在沒有任何DNA序列變化的情況下，失去了轉座酶基因活性，就是因為這個基因的富含CG區(qū)域發(fā)生了高度甲基化。經化學處理去甲基化后，又可使轉座酶基因活性恢復。 （二）轉錄水平的調控 持家基因和基因 在多細胞的高等真核生物中，各種類型的細胞中都有相同的一些基因在表達，這些基因的產物是維持細胞的正常結構、運動、以及參與新成代謝等生命活動所必須的，由于它們的功能對于每一個細胞開說都是必不可少的，所以將這些基因稱為持家基因（house keeping gene）。如組蛋白基因、核糖體蛋白基因、線粒體蛋白基因、糖酵解酶基因等。在哺乳動物中，持家基因大約有10000個左右。另一類基因是組織特異性基因（tissue-specific gene），又稱為基因(luxury gene)。這類基因與細胞的特定功能有關，是在各種組織中選擇性表達的基因。如表皮的角蛋白基因、肌細胞中的肌動蛋白基因和肌球蛋白基因等。據估計，各類細胞中的基因的總和大于持家基因的數目。 持家基因和基因的表達調控通常發(fā)生在轉錄水平。 前面介紹了細菌中的基因經誘導可使表達效率提高千倍以上。這種極端的調控水平很難發(fā)生在真核生物基因表達中（酵母菌除外）。大多數真核生物基因經誘導可提高幾倍至數十倍的表達效率。多數真核生物基因轉錄水平的調控是正調控。 1、真核基因表達調控的順式作用元件 順式作用元件(cis-acting element)是指DNA分子上對基因表達有調節(jié)活性的特定核苷酸序列。順式作用元件的活性只影響同一DNA分子上的基因。這種DNA序列多位于基因上游或內含子中。 真核基因的順式作用元件按其功能可以分為：啟動子、增強子和靜止子。 啟動子的結構和功能 啟動子是轉錄因子和RNA聚合酶的結合位點，位于受其調控的基因上游，鄰近基因轉錄起始點，是基因的一部分（圖 真核生物啟動子元件）。 TATA框（TATA box）：ZX位于－30位置，是RNA聚合酶Ⅱ識別和結合位點。富含AT堿基，一般有8bp，改變其中任何一個堿基都會顯著降低轉錄活性，又稱為Hogness box。如人類的β珠蛋白基因啟動子中TATA序列發(fā)生突變，β珠蛋白產量就會大幅度下降而引起貧血癥。 CAAT框（CAAT box）：位于－70～－80位置，共有序列GGCC(T)CAATCT。決定啟動子的起始頻率。兔的β珠蛋白基因的CAAT框變成TTCCAATCT，其轉錄效率只有原來的12％。 GC框(GC box)：－110位置，GGGCGG。增強轉錄活性。 真核基因的啟動子有三個元件構成，而原核基因的啟動子一般只有兩個元件，-10位置的TATAbox和－35位置的TTGACAbox。 增強子的結構和功能 增強子（enhancer），又稱強化子（transcriptional enhancer），是一種遠端調控元件，至少距轉錄起始點上游100bp以上，通常位于－700～－1000處，所以又稱為上游激活序列(upstream activator sequence， UAS)。 增強子區(qū)的跨度一般有100－200bp，和啟動子一樣，由一個或多個各具特征的DNA序列組成，常由8－12bp的核心序列和其他序列相間排列。 增強子也要通過與特定的蛋白質因子(轉錄因子)結合而實現(xiàn)其對轉錄的增強作用。 靜止子 是一種類似增強子但起負調控作用的順式作用元件。有人稱為沉默基因。靜止子與相應的反式作用因子結合后，可以使正調控系統(tǒng)失去作用。 2、真核基因調控的反式作用因子 不論是啟動子還是增強子序列，他們的轉錄調節(jié)功能都是通過與特定的DNA結合蛋白的相互作用而實現(xiàn)的。 真核生物的RNA聚合酶與原核生物的RNA聚合酶不同，它本身不能啟動轉錄，純化了的真核生物RNA聚合酶在體外是不能啟動轉錄的。因此必須事先有一套轉錄因子裝配到啟動子上，RNA聚合酶才能啟動轉錄。 這些轉錄因子一般并不是RNA聚合酶的組成成分。 能直接或間接識別各種順式調控元件并與之結合從而調控基因轉錄效率的各種蛋白質分子稱為反式作用因子 (trans-acting factor)。 能激活真核生物基因轉錄的蛋白質稱為轉錄因子(transcription factor， TF)。轉錄因子是參與正調控的反式作用因子，是轉錄起始過程中RNA聚合酶所需要的輔助因子。 這類DNA結合蛋白有很多種，順式調控元件也有多種，正是不同的DNA序列和不同的DNA結合蛋白之間在空間結構上的相互作用，以及蛋白質與蛋白質之間的相互作用，構成了復雜的基因轉錄調控機制。 反式作用因子的結構特征 反式作用因子一般都具有三個不同功能結構域(domain)。 ①DNA結合結構域 與順式調控元件結合的部位。 對大量轉錄調控因子結構的研究表明，DNA結合結構域大多在100bp以下。大體上有4種結構特征：α螺旋－轉角－α螺旋(helix-turn-helix， HTH)結構（圖 螺旋-轉角-螺旋）、鋅指(zinc finger)結構（圖 鋅指結構）、亮氨酸拉鏈(leucine zipper)結構（圖 亮氨酸拉鏈）等。 ②激活基因轉錄的功能結構域 一般有20－100個氨基酸組成。有時一個反式作用因子可能有一個以上的轉錄激活區(qū)。結構特征有：含有很多帶負電荷的α螺旋、富含谷氨酰胺或者富含脯氨酸。 ③與其他蛋白質因子結合的結構域 不同的反式調控因子（轉錄因子）與順式調控元件相互作用，啟動轉錄的效率不同。 2．選擇性啟動子 有些真核生物基因具有兩個或兩個以上的啟動子，用于在不同細胞中表達。不同啟動子可產生不同的初級轉錄產物和不相同的蛋白質編碼序列。果蠅的乙醇脫氫酶基因是一個典型的例子。這個基因的結構見圖8-31A。在幼蟲（圖8-31B）和成蟲期（圖8-31C）分別利用不同啟動子進行轉錄。成蟲期的轉錄具有一段很長的5’端前導序列，其中大多數在mRNA加工中去掉。多啟動子可使幼蟲和成蟲具有獨立的轉錄調控。 （三）轉錄后調控 在真核生物中，蛋白質基因的轉錄產物統(tǒng)稱為核不均一RNA，必須經過加工才能成為成熟的mRNA分子。在第三章已經講過，加工過程包括三個方面：加帽、加尾和去掉內含子。 轉錄后的內含子剪切過程在基因表達的調控中具有重要意義。 選擇性mRNA切割 我們知道，在DNA水平上，真核生物基因與原核生物基因有一個明顯的不同之處，也就是真核生物的基因是不連續(xù)的，外顯子與內含子相間排列，而轉錄的時候外顯子和內含子是一起轉錄的。轉錄以后必須降內含子切除，才能形成成熟的mRNA分子。這個過程成為剪接（splicing）。 同一初級轉錄產物在不同細胞中可以用不同方式切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻譯成的蛋白質在含量或組成上都可能不同（圖 選擇性剪接）。 （四）翻譯水平的調控 在真核生物中，基因表達的調控主要發(fā)生在轉錄水平上，但是，翻譯水平的調控也是十分重要的。 阻遏蛋白與mRNA結合，可以阻止蛋白質的翻譯。 鐵蛋白的功能是在細胞內貯存鐵。鐵蛋白mRNA的翻譯取決于鐵的供應。鐵供應充足，則鐵蛋白合成就多。當細胞中沒有鐵時，阻遏蛋白與鐵蛋白mRNA結合，阻止翻譯的進行。當細胞中有鐵存在時，阻遏蛋白就不與鐵蛋白mRNA結合，使翻譯得以進行。 成熟的mRNA可以失活狀態(tài)貯存起來。 （五）翻譯后調控 從mRNA翻譯成蛋白質，并不意味著基因表達的調控就結束了。直接來自核糖體的線狀多肽鏈是沒有功能的，必須經過加工才具有活性。在蛋白質翻譯后的加工過程中，還有一系列的調控機制。 1．蛋白質折疊 線性多肽鏈必須折疊成一定的空間結構，才具有生物學功能。在細胞中，蛋白質的折疊必須有伴蛋白的作用下才能完成折疊。 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強的氨基酸序列，稱為信號肽，用于前體蛋白質在細胞中的定位。信號肽必須切除多肽鏈才具有功能。 脊椎動物中形成的胰島素，Z初的長度是105個氨基酸，稱為前胰島素原，在加工中首先將氨基端的24個氨基酸殘基切除，成為前體胰島素，再將中間的一段切除，留下兩端有活性的部分，即21個氨基酸殘基的A鏈和30個殘基的B鏈，這兩條鏈再由兩個二硫鍵連接成有生物活性的胰島素。 多聚蛋白質的切割 有些新合成的多肽鏈含有幾個蛋白質分子的序列，切割以后產生具有不同功能的蛋白質分子。如腦下丘腺產生的一種多肽鏈，包括4種不同的激素分子，經蛋白酶切割以后成型。在不同的細胞中切割的方式和位點不同，從而產生多種不同的激素，適應不同細胞生長發(fā)育的需要。 3、蛋白質的化學修飾 簡單的化學修飾是將一些小的化學基團，如乙酰基、甲基、磷酸基加到氨基酸側鏈上，或者加到氨基端或羧基端。這種修飾的方式是特異的，不同蛋白質可以有完全相同的修飾，相同的蛋白質可以有完全不同的修飾。有些蛋白質經磷酸化活化以后，在基因表達中具有重要的調控作用。 復雜的修飾是蛋白質的糖基化（glycosylation），就是將一些分子量很大的碳水化合物加到多肽鏈上。 人類的ABO血型也是蛋白質化學修飾的典型例子?？刂艫BO血型的是一個復等位基因座位，編碼負責將糖基加到紅細胞膜上的糖蛋白分子上的酶。這個座位上有三個基因（alleles），編碼三個不同的酶。一個是將N－乙酰－半乳糖胺（N－acety－galactosamine）加到糖蛋白上，表現(xiàn)為A血型。第二個酶是將半乳糖（galactose）加到糖蛋白上，表現(xiàn)為B血型。第三個基因編碼的是一個沒有功能的酶，不能將任何糖加到糖蛋白上，表現(xiàn)為O血型。 4、切除蛋白質內含子 有些mRNA翻譯的Z初產物同DNA轉錄的Z初產物一樣，具有內含子（intein）序列，位于多肽鏈序列的中間，經剪接后，蛋白質的外顯子（extein）才能連接成為成熟的蛋白質。 蛋白質內含子的切割位點十分保守。內含子前面的氨基酸通常是半胱氨酸，僅有少數是絲氨酸，而后面總是組氨酸－天門冬酰氨，緊接著內含子的外顯子序列通常是半胱氨酸、絲氨酸或蘇氨酸。內含子內的有些序列也是十分保守的。 內含子的一個重要特點是具有自動切割加工的能力。例如，果蠅胚胎發(fā)育有一種蛋白質Hedgehog，其內含子就能將本身的前提蛋白切割成兩個有功能的蛋白質分子。 內含子的另一個特點是，有些切割下來的內含子具有核酸內切酶活性。這種酶可以識別DNA序列中與編碼自身序列對應但沒有自身編碼序列的位置，并將其切開，使內含子的編碼序列插入這個位置。如果一個細胞中與這個內含子有關的基因是雜合體，一個含有編碼內含子的序列，另一個不含編碼內含子的序列，加工切割下來的蛋白質內含子可以切開沒有編碼內含子序列的DNA，使其插入相應序列，使雜合體成為純合體。

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