基因的轉(zhuǎn)錄和調(diào)節(jié)

1、細胞的生物學(xué)性狀是由其遺傳物質(zhì)攜帶的遺傳信息所決定，絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA，少數(shù)噬菌體和病毒的是RNA。基因，gene是細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的最小功能單位，是負載有特定遺傳信息的DNA片段，其結(jié)構(gòu)一般包括DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子?；虻墓δ苁菫樯锘钚晕镔|(zhì)編碼，其產(chǎn)物為各種RNA和蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是生命活動的執(zhí)行者，基因能通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，由DNA決定蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)，從而決定蛋白質(zhì)的功能。同時基因還能通過復(fù)制將遺傳信息代代相傳。 19581958年，CrickCrick提出分子生物學(xué)的“中心法則”，central dogmacentral dogma，闡明了從DNADNA到蛋白質(zhì)的

2、遺傳信息流動方向和過程。最初的中心法則認為 遺傳信息包含在DNADNA的堿基順序中，通過DNADNA的復(fù)制使其代代相傳； DNADNA遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給mRNAmRNA，再通過翻譯傳遞給蛋白質(zhì)，生物的性狀由蛋白質(zhì)決定 遺傳信息的傳遞可以由DNADNA到DNADNA，DNADNA到RNARNA， RNARNA到蛋白質(zhì)，但遺傳信息一旦進入蛋白質(zhì)就不能再傳出。分子生物學(xué)的中心法則 這些觀點涵蓋了大多數(shù)生物遺傳信息貯存和表達的基本規(guī)律。 19701970年，TeminTemin發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象和逆轉(zhuǎn)錄酶，表明少數(shù)RNARNA也是遺傳信息的攜帶者，并闡明了生物界中另外一種遺傳信息的流動方向，從而使“

3、中心法則”更加完善 而最近“朊病毒，prion”prion”概念的提出，表明蛋白質(zhì)也可能是遺傳信息的載體，這一觀點對中心法則提出了挑戰(zhàn)。 就單個生物體而言，其所有細胞都具有同樣的基因，然而不同組織細胞的基因表達情況不同，有些基因被啟動進行表達，有些基因被抑制不表達或少表達。即使在同一類型細胞的不同發(fā)育階段，基因表達情況也有不同?；虮磉_調(diào)控遵循一般的規(guī)則，即一個體系在需要時被打開，不需要時就被關(guān)閉或抑制。這種基因“開”和“關(guān)”的控制是通過對基因信息傳遞過程的多個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)的。第一節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工 基因轉(zhuǎn)錄是RNA合成的主要方式和基因信息表達的重要環(huán)節(jié)，是遺傳信息從DNA向RNA傳遞的過程

4、。轉(zhuǎn)錄生成的RNA是初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物, primary transcripts，必須經(jīng)過不同方式的加工和修飾才具有生物活性。 以DNA為模板合成RNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄, transcription，即把DNA的堿基序列轉(zhuǎn)抄成RNA。在這個過程有很多因素參與其中，包括1. DNA模板, template2. RNA聚合酶, RNA polymerase3. 三磷酸核糖核苷, NTP4 .一些與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的蛋白因子 轉(zhuǎn)錄將基因信息從DNA傳遞到蛋白質(zhì) ( (一) ) 轉(zhuǎn)錄是基因信息從DNADNA傳遞到蛋白質(zhì)的重要環(huán)節(jié) DNADNA堿基排列順序決定了編碼蛋白質(zhì)的氨基酸序列，是蛋白質(zhì)合成的原始模板。mRNAm

5、RNA是蛋白質(zhì)合成的直接模板，其他幾種RNARNA是參與翻譯過程的重要因子。通過基因轉(zhuǎn)錄遺傳信息從細胞核轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)，從功能上銜接了DNADNA和蛋白質(zhì)這兩種生物大分子?；蜣D(zhuǎn)錄具有以下特點：1 1合成RNARNA的底物是5 5- -三磷酸核苷，包括ATPATP、GTPGTP、CTPCTP和UTPUTP。2 2在RNARNA聚合酶作用下一個NTPNTP的3-OH3-OH和另一個NTPNTP的5-5-P P反應(yīng)，形成磷酸酯鍵。3 3RNARNA堿基順序由模板DNADNA堿基順序決定，依靠NTPNTP與DNADNA堿基配對的親和力被選擇。4在被轉(zhuǎn)錄的雙鏈DNA分子的任何一個特定區(qū)域都是以單鏈為模板

6、。 5RNA合成的方向是5一3，生成的RNA鏈與模板鏈反向平行，游離的NTP只能連接到RNA鏈的3-OH端。 6在RNA的合成中不需要引物。DNA雙鏈的不對稱轉(zhuǎn)錄 (二)DNA鏈是基因轉(zhuǎn)錄的模板 DNA雙鏈上有轉(zhuǎn)錄的啟動部位和終止部位，兩者之間的核苷酸序列是遺傳信息的儲存區(qū)域，在轉(zhuǎn)錄時起模板作用。在基因組全長DNA鏈中只有部分DNA片段能發(fā)生轉(zhuǎn)錄，這種能轉(zhuǎn)錄出RNA的DNA區(qū)域稱為結(jié)構(gòu)基因，structural gene。DNA鏈這種選擇性轉(zhuǎn)錄也稱為不對稱轉(zhuǎn)錄，asymmetric transcription，它有兩方面含義：在DNA分子雙鏈上，總是只有一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄。

7、能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的DNA單鏈稱為模板鏈，template strain，有時也稱為有意義鏈，sense strain或Watson鏈；相對于模板鏈不指引轉(zhuǎn)錄的另外一股DNA單鏈稱為編碼鏈，coding strain，又稱為反義鏈，antisense strain或Qick鏈。模板鏈并非總是在同一單鏈上。在DNA雙鏈某一區(qū)段，以其中一單鏈為模板，而在另一區(qū)段，又反過來以其相對應(yīng)單鏈為模板。 (三)RNA聚合酶是基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵酶 基因轉(zhuǎn)錄過程本質(zhì)也是一個以核糖核苷酸為底物的多步酶促反應(yīng)過程，這些反應(yīng)需要有轉(zhuǎn)錄酶催化，轉(zhuǎn)錄酶，transcriptase即RNA聚合酶，又稱DNA依賴的RNA聚合酶

8、，DNA dependent RNA polymerase。該酶分布于原核細胞的胞液和真核細胞的胞核，分別催化轉(zhuǎn)錄的進行。原核生物細胞的RNA聚合酶只有一種類型，能催化各類RNA包括mRNA、rRNA、tRNA的生物合成。目前研究得比較清楚的是大腸桿菌的RNA聚合酶，它在執(zhí)行不同的生理功能時分別以全酶，holoenzyme和核心酶，core enzyme兩種不同的狀態(tài)存在。全酶由四種5個亞基組成,2，核心酶由全酶的2四個亞基組成。 亞基又稱因子，它本身并沒有催化活性，其作用是識別DNA模板上的啟動子，辨認轉(zhuǎn)錄起始位點。亞基結(jié)合到核心酶上后可能引起酶構(gòu)型的變化，改變了核心酶與DNA結(jié)合的特性。核

9、心酶的作用是使已開始合成的RNA鏈延伸，亞基可以單獨與DNA結(jié)合，它參與RNA聚合酶與DNA模板反應(yīng)，也可能與核心酶和亞基結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄的終止有關(guān)。亞基具有與亞基結(jié)合的位點，參與特定的基因表達，與酶和DNA上啟動區(qū)域的反應(yīng)有關(guān)。試管內(nèi)的轉(zhuǎn)錄試驗證實，單純的核心酶就能催化NTP按模板的指引合成RNA，但合成的RNA沒有固定的起始位點。由此可見，活細胞在轉(zhuǎn)錄開始需要全酶，但在轉(zhuǎn)錄延長階段，亞基從全酶上脫落，僅剩下核心酶維持轉(zhuǎn)錄進行。A 大腸桿菌RNA聚合酶全酶 B 醞酒酵母RNA聚合酶全酶真核生物細胞有三種類型的RNA聚合酶，分別稱為RNA聚合酶、。它們專一性地轉(zhuǎn)錄不同的基因而合成各不相同的產(chǎn)物。R

10、NA聚合酶的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是45S-rRNA，經(jīng)剪接修飾生成除5S-rRNA外的各種rRNARNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是mRNA的前體hnRNARNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是一些小分子量RNA，如5S-rRNA、tRNA、snRNA等真核細胞RNA聚合酶結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，往往由多個亞基組成，如圖為釀酒酵母RNA聚合酶，由12個亞基組成。 (四) DNA模板上啟動子是控制轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位 基因轉(zhuǎn)錄的第一步就是RNA聚合酶結(jié)合到模板DNA分子上，結(jié)合的部位稱為啟動子，promoter，它是結(jié)構(gòu)基因上游的調(diào)控序列，是控制轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵部位，該區(qū)域含有較多的AT配對。對多種原核生物基因轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的分析發(fā)現(xiàn)，如果以開始轉(zhuǎn)錄生成R

11、NA 5端第一個脫氧核苷酸的位置為1，以負數(shù)表示上游的堿基序數(shù)，那么不同基因的啟動子之間存在著保守序列或一致性序列。 堿基序列分析結(jié)果表明，啟動子-10區(qū)的保守序列為TATAAT，該區(qū)由Pribnow首先發(fā)現(xiàn)，稱為Pribnow盒。Pribnow盒能決定轉(zhuǎn)錄的方向，在Pribnow盒區(qū)DNA雙螺旋解開與RNA聚合酶形成復(fù)合物。 35區(qū)位于Pribnow盒的上游，是啟動子中另外一個重要區(qū)域，該區(qū)域也存在著類似于Pribnow盒的共同序列TTGACAT。目前認為-35區(qū)是RNA聚合酶對轉(zhuǎn)錄起始的辨認位點。RNA聚合酶與-35區(qū)辨認結(jié)合后，能向下游移動，達到-10區(qū)的Pribnow盒，在該區(qū)RNA聚

12、合酶能和解開的DNA雙鏈形成穩(wěn)定的酶-DNA開放啟動子復(fù)合物，就可以開始轉(zhuǎn)錄。不同啟動子堿基序列的比較分析RNA聚合酶和啟動子形成酶-DNA復(fù)合物 轉(zhuǎn)錄過程可分為三個階段 ( (一) )包含RNARNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物形成標志轉(zhuǎn)錄開始 RNARNA合成起始首先由RNARNA聚合酶的因子辨認DNADNA鏈的轉(zhuǎn)錄起始點，介導(dǎo)核心酶與DNADNA鏈接觸。被辨認的DNADNA位點是啟動子-35-35區(qū)的TTGACATTTGACAT序列，在此區(qū)段酶-DNA-DNA松散結(jié)合并向下游的-10-10區(qū)移動，在-10-10區(qū)形成穩(wěn)定的酶DNADNA復(fù)合物，進入了轉(zhuǎn)錄的起始點。RNARNA聚合酶與DNADN

13、A模板的結(jié)合能使該部位的DNADNA雙螺旋解開，形成局部的單鏈區(qū)，并構(gòu)成了轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物,RNA,RNA聚合酶全酶、DNADNA鏈和新鏈前兩個核苷酸。該復(fù)合物一旦形成,RNA,RNA聚合酶就開始合成RNARNA。轉(zhuǎn)錄起始不需要引物，RNARNA聚合酶能直接把兩個與模板配對的相鄰核苷酸通過形成磷酸二酯鍵連接起來。由于RNARNA聚合酶常選擇DNADNA鏈上胸腺嘧啶開始轉(zhuǎn)錄，因此在形成的新RNARNA鏈的第一個核苷酸常是ATPATP或GTPGTP。當(dāng)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物形成第一個磷酸二酯鍵后，因子即從復(fù)合物上脫落下來，反復(fù)用于轉(zhuǎn)錄起始過程。核心酶繼續(xù)結(jié)合于DNADNA模板上并沿DNADNA鏈前移，進入延長階

14、段。 ( (二) )轉(zhuǎn)錄空泡是轉(zhuǎn)錄延伸階段的主要形式 因子從起始轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上脫落下來后，能引起核心酶和亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。在起始區(qū)DNADNA有特殊的堿基序列，酶和模板的結(jié)合具有高度的特異性，并能形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。離開起始區(qū)后，隨著堿基序列和核心酶構(gòu)象改變，酶和模板的結(jié)合比較松散，有利于核心酶迅速向前移動。 當(dāng)核心酶沿著模板向前移動時，結(jié)合下一個能與模板配對的核苷酸，進行一次酶促連接反應(yīng)。轉(zhuǎn)錄延長的每一次化學(xué)反應(yīng)都可以使RNA鏈增加一個核苷酸，而且RNA產(chǎn)物中沒有T，當(dāng)遇到模板中A時，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物相應(yīng)加U。由于RNA聚合酶比較大，能覆蓋轉(zhuǎn)錄區(qū)中解開的DNA雙鏈以及新合成RNA鏈和DNA鏈形成的

15、雜化雙鏈，構(gòu)成RNA聚合酶-DNA-RNA的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，這是轉(zhuǎn)錄延伸階段的主要形式，也稱為轉(zhuǎn)錄空泡，transcription complex。 轉(zhuǎn)錄過程中只有RNA聚合酶覆蓋區(qū)域DNA才解開雙鏈，形成松散結(jié)構(gòu)，而當(dāng)RNA聚合酶前移時，原來位置DNA單鏈重新形成雙鏈螺旋，這和復(fù)制過程的復(fù)制叉不同。新合成的RNA鏈3端依附在轉(zhuǎn)錄空泡上用于同下一個核苷酸的連接，其5端由于DNA雙鏈重新結(jié)合而離開模板伸展在空泡之外，形成電鏡下觀察到的羽毛狀轉(zhuǎn)錄圖形。基因的轉(zhuǎn)錄過程(三)原核生物的轉(zhuǎn)錄終止有兩種不同方式 當(dāng)核心酶沿模板3一5方向移行至DNA鏈的終止部位時，識別模板上特殊結(jié)構(gòu)后便停頓下來不再移動，同時轉(zhuǎn)

16、錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物上釋放出來，即轉(zhuǎn)錄終止。原核細胞和真核細胞轉(zhuǎn)錄終止機制和方式并不相同，這里主要探討原核生物的轉(zhuǎn)錄終止。原核生物的轉(zhuǎn)錄終止分為兩大類，依賴因子, Rho factor的轉(zhuǎn)錄終止和不依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止。 1依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止 因子是由6個相同亞基組成的六聚體蛋白，它具有兩大生物活性：解螺旋酶活性；依賴RNA的ATP酶活性。一般認為， 因子能對含有Poly CPoly C的RNARNA有較強的親和力，轉(zhuǎn)錄終止階段新合成RNARNA鏈出現(xiàn)富集的Poly CPoly C序列， 因子與其結(jié)合后能向RNARNA聚合酶方向移動，移動需要的能量來自于ATPATP酶水解ATPATP提供。

17、p p因子接觸RNARNA聚合酶后，二者的構(gòu)象發(fā)生改變，并利用其解螺旋酶活性拆離DNA-RNADNA-RNA雜化雙鏈, , 從而使轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物從轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中完全釋放出來，轉(zhuǎn)錄終止。因子參與轉(zhuǎn)錄終止過程2非依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止 此種轉(zhuǎn)錄終止不需要蛋白因子參與，而是利用新合成的RNA鏈自身的某些特殊結(jié)構(gòu)來終止轉(zhuǎn)錄。在DNA模板鏈接近轉(zhuǎn)錄終止的區(qū)域內(nèi)有較密集的A T配對區(qū)和自身互補序列，這樣使轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA的3端常有若干個連續(xù)的U序列和自身互補序列形成的莖環(huán)，stemloop結(jié)構(gòu)或發(fā)夾結(jié)構(gòu)，hairpin structure。這兩種結(jié)構(gòu)是阻止轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進行的關(guān)鍵，其原因可能在于，發(fā)夾結(jié)構(gòu)形成可能改變了RNA

18、聚合酶構(gòu)象，導(dǎo)致了酶-模板結(jié)合方式的改變，RNA聚合酶則不再向下移動，同時連續(xù)的U序列也能促進RNA聚合酶從模板上脫落下來。RNA的發(fā)夾結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)錄終止 真核細胞轉(zhuǎn)錄終止方式與原核細胞不同，而是與轉(zhuǎn)錄后的修飾密切相關(guān)。目前發(fā)現(xiàn)，在模板鏈讀碼框架的3端之后，常有一組共同序列AATAAA，再下游還有相當(dāng)多的GT序列，這些序列稱為轉(zhuǎn)錄終止的修飾點。當(dāng)轉(zhuǎn)錄越過修飾點后，mRNA在修飾點處被切斷，隨即加入polyA尾巴和5帽子結(jié)構(gòu)，并被釋放出來。越過修飾點后RNA雖然能繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，但很快被降解。 三、初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物需經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工才具有活性 絕大多數(shù)原核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯是同步進行的，在轉(zhuǎn)錄生成mRNA的同時，核

19、蛋白體即附著在mRNA上并以其為模板進行蛋白質(zhì)的合成，因此原核細胞的RNA并無特殊的轉(zhuǎn)錄后加工過程。真核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯在時間和空間上是分開的，剛轉(zhuǎn)錄出來的RNA是分子很大的前體，需經(jīng)轉(zhuǎn)錄后的加工過程才能轉(zhuǎn)變成成熟的RNA。 (一)hnRNA進行首尾修飾和內(nèi)含子剪接后轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓膍RNA 真核細胞mRNA前體稱為不均一核RNA，hnRNA，它在細胞核內(nèi)合成，必需經(jīng)過一系列加工修飾過程才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒靘RNA，主要加工修飾包括以下幾個方面 15-末端加上“帽子”結(jié)構(gòu) 在鳥苷酸轉(zhuǎn)移酶催化下，在真核生物hnRNA的5-末端加上一分子鳥苷酸殘基。然后對該殘基進行甲基化修飾，使其成為7甲基鳥苷酸，該結(jié)構(gòu)稱為

20、“帽子”。其功能是 增加mRNA穩(wěn)定性，保護mRNA免遭5-核酸外切酶的攻擊而被降解。與蛋白質(zhì)生物合成起始有關(guān)。它是mRNA作為翻譯起始的必要的結(jié)構(gòu)，可以幫助核蛋白體識別翻譯起始部位。原核生物mRNA沒有“帽子”結(jié)構(gòu)。2在3-末端加上尾結(jié)構(gòu) 大多數(shù)真核mRNA都有3端多聚A尾巴，多聚A尾巴大約為200bp，它不是由DNA編碼的，而是轉(zhuǎn)錄后在核內(nèi)加上去的。在多聚腺苷酸聚合酶的催化下，以ATP為底物，在hnRNA的3末端加上一段多聚腺苷酸，Poly A，該結(jié)構(gòu)稱為“尾”。目前認為，polyA尾巴可能與mRNA從細胞核轉(zhuǎn)送到細胞質(zhì)有關(guān)。還有人認為這種結(jié)構(gòu)對真核mRNA的翻譯效率具有某種作用，并能穩(wěn)定

21、mRNA結(jié)構(gòu)，保持一定的生物半衰期。卵清蛋白基因轉(zhuǎn)錄及加工過程 3hnRNA鏈的剪接 真核生物基因往往是斷裂基因，即編碼一個蛋白質(zhì)分子的核苷酸序列被多個插人片斷，內(nèi)含子，intron所隔開。在轉(zhuǎn)錄時，外顯子及內(nèi)含子均轉(zhuǎn)錄到hnRNA中，但在細胞核中hnRNA首先在核酸內(nèi)切酶，endonuclease作用下剪切掉內(nèi)含子，然后在連接酶，1igase作用下，將外顯子，extron各部分連接起來，而變?yōu)槌墒斓膍RNA，這就是剪接作用。經(jīng)過剪接作用后mRNA成熟并從核內(nèi)轉(zhuǎn)移至胞質(zhì)。原核生物結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的編碼序列，不需要剪接。(三)核酶參與了rRNA轉(zhuǎn)錄后加工 真核生物rRNA前體比原核生物大，哺乳動物

22、的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為45S，低等真核生物的rRNA前體為38S。大多數(shù)真核生物45S rRNA經(jīng)剪接后，先形成核蛋白體小亞基的18S-rRNA，余下的部分再拼接成5.8S及28S的rRNA。成熟的rRNA在核仁與核蛋白體蛋白質(zhì)一起裝配形成核蛋白體，輸出至胞液。 rRNA的剪接不需要任何蛋白參與即可發(fā)生，進行的是自身剪接，這表明RNA分子也有酶的催化活性。這種有酶催化活性的RNA分子命名為核酶，ribozyme。1982年Cec等發(fā)現(xiàn)四膜蟲細胞大核期間26SrRNA前體具有自我剪接功能，并于1986年證明其內(nèi)含子19IVS具有多種催化功能。第二節(jié) 基因信息表達調(diào)控及應(yīng)用 同一機體所有細胞都具有相同的

23、整套基因組，攜帶個體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息。但生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來，即使極簡單的生物如最簡單的病毒，其基因組所含的全部基因也不是以同樣的強度同時表達，這說明基因的表達有著嚴密的調(diào)控系統(tǒng)。一、基因信息表達受到嚴密和精確的調(diào)控 基因表達就是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子，賦予細胞或個體一定的功能或形態(tài)表型。生物的基因表達不是雜亂無章的，而是受著嚴密、精確調(diào)控的，以適應(yīng)環(huán)境、維持生長和發(fā)育的需要。不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的，而且遺傳信息的表達調(diào)控也是生命本質(zhì)所在。 (一)基因表達具有時間性和空間性 細胞基因表達具有嚴格的

24、時間和空間特異性，這是由基因的啟動子和增強子與調(diào)節(jié)蛋白相互作用決定?；虮磉_的時間特異性，temporal specificity 病原體侵入宿主后呈現(xiàn)一定的感染階段，隨感染階段發(fā)展、生長環(huán)境變化，有些基因開啟，有些基因關(guān)閉，按照功能需要，某一特定基因表達嚴格按照一定的時間順序發(fā)生，這稱為基因表達的時間特異性。階段特異性，stage specificity 多細胞生物從受精卵到組織、器官形成的各個不同發(fā)育階段，都會有不同的基因嚴格按照自己特定的時間順序開啟或關(guān)閉，表現(xiàn)為與分化、發(fā)育階段一致的時間性，也稱為階段特異性?？臻g特異性，spatial specificity在個體某一發(fā)育、生長階段，同

25、一基因產(chǎn)物在不同的組織器官表達多少是不一樣的。一種基因產(chǎn)物在個體的不同組織或器官表達，即在個體的不同空間出現(xiàn)，這就是基因表達的空間特異性。組織特異性，tissue specificity不同組織細胞中不僅表達的基因數(shù)量不相同，而且基因表達的強度和種類也各不相同，這就是基因表達的組織特異性，tissue specificity。例如肝細胞中涉及編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達水平高于其他組織細胞，合成的某些酶如精氨酸酶為肝臟所特有。 ( (二) )基因表達有組成性表達和可誘導(dǎo)阻遏表達兩種方式 基因表達可分成兩類 1 1組成性表達，constitutive expressionconstitutive

26、 expression 指不太受環(huán)境變動而變化的一類基因表達。其中某些基因表達產(chǎn)物是細胞或生物體整個生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類基因可稱為管家基因，housekeeping genehousekeeping gene，這些基因中不少是在生物個體的組織細胞、甚至在同一物種的細胞中都是持續(xù)表達的，可以看成是細胞基本的基因表達。 2 2適應(yīng)性表達,adaptive expression,adaptive expression 指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)，inductioninduction，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因，ind

27、ucible geneinducible gene；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏，repressionrepression，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因,repressible gene,repressible gene。 改變基因表達的情況以適應(yīng)環(huán)境，在原核生物、單細胞生物中尤其顯得突出和重要，因為這些細胞的生存環(huán)境經(jīng)常會有劇烈的變化。(三)基因表達調(diào)控是多環(huán)節(jié)、多步驟的過程 遺傳信息傳遞過程任何環(huán)節(jié)的改變均會導(dǎo)致基因表達的變化。遺傳信息以基因的形式貯存于DNA分子中，基因拷貝數(shù)越多，其表達產(chǎn)物也會越多，因此基因組DNA的部分擴增可影響基因表達。在多細胞生物，某一特定

28、類型細胞的選擇性擴增可能就是通過這種機制使某種或某些蛋白質(zhì)分子高表達的結(jié)果。為適應(yīng)某種特定需要而進行的DNA重排，以及DNA甲基化等均可在遺傳信息水平上影響基因表達。 二、遺傳信息表達的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平 盡管基因表達調(diào)控可發(fā)生在遺傳信息傳遞過程的任何環(huán)節(jié)，但發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，尤其是轉(zhuǎn)錄起始水平的調(diào)節(jié)，對基因表達起著至關(guān)重要的作用，即轉(zhuǎn)錄起始是基因表達的基本控制點。 (一)參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的基本要素及其功能 1特異DNA序列 原核生物大多數(shù)基因表達調(diào)控是通過操縱子機制實現(xiàn)的。操縱子,operon通常由2個以上的編碼序列, coding sequence與啟動序列, promoter、操縱序列

29、, operator以及其他調(diào)節(jié)序列在基因組中成簇串聯(lián)組成。 啟動序列是RNA聚合酶結(jié)合并起動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列，通常在轉(zhuǎn)錄起始點上游一10及一35區(qū)域。操縱序列與啟動序列毗鄰或接近，其DNA序列常與啟動序列交錯、重疊，它是原核阻遏蛋白的結(jié)合位點。當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻遏轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)負性調(diào)節(jié)。原核操縱子調(diào)節(jié)序列中還有一種特異DNA序列可結(jié)合激活蛋白，此時RNA聚合酶活性增強，使轉(zhuǎn)錄激活，介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)。 真核基因組結(jié)構(gòu)龐大，參與真核生物基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的DNA序列比原核更為復(fù)雜。絕大多數(shù)真核基因調(diào)控機制幾乎普遍涉及編

30、碼基因兩側(cè)的DNA序列，也稱為順式作用元件, cis-acting element，即可影響自身基因表達活性的DNA序列。根據(jù)順式作用元件在基因中的位置、轉(zhuǎn)錄激活作用的性質(zhì)及發(fā)揮作用的方式，可將真核基因的這些功能元件分為啟動子、增強子及沉默子等。啟動子 真核基因啟動子與原核操縱子中啟動序列同義，是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，一般是720bp的DNA序列，常包括轉(zhuǎn)錄起始點、TATA盒, 位于轉(zhuǎn)錄起始點上游一2530bp，共有序列是TATAAAA，是轉(zhuǎn)錄因子TFIID結(jié)合位點、GC盒和CAAT盒及距轉(zhuǎn)錄起始點更遠的上游元件。增強子 enhancer是遠離轉(zhuǎn)錄起始點130kb，決定基

31、因的時間、空間特異性表達，增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列。從功能上講，增強子要有啟動子才能發(fā)揮作用，沒有啟動子存在，增強子不能表現(xiàn)活性。但增強子對啟動子沒有嚴格的專一性，同一增強子可以影響不同類型啟動子的轉(zhuǎn)錄。 當(dāng)含有增強子的病毒基因組整合人宿主細胞基因組時，能夠增強整合區(qū)附近宿主某些基因的轉(zhuǎn)錄；當(dāng)增強子隨某些染色體段落移位時，也能提高移到的新位置周圍基因的轉(zhuǎn)錄。使某些癌基因轉(zhuǎn)錄表達增強，可能是腫瘤發(fā)生的因素之一。增強子與其他順式調(diào)控元件一樣，必須與特定的蛋白質(zhì)因子結(jié)合后才能發(fā)揮增強轉(zhuǎn)錄的作用。增強子提高同一條DNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠距離作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。增強子作用

32、與其序列的正反方向無關(guān)，將增強子方向倒置依然能起作用。而將啟動子方向倒置就不能起作用，可見增強子與啟動子是不相同的。沉默子, silencer 某些基因含有負性調(diào)節(jié)元件沉默子，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。2調(diào)節(jié)蛋白 原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白分為三類, 特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白。特異因子 決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。阻遏蛋白, repressor 可以識別、結(jié)合特異DNA序列操縱序列，抑制基因轉(zhuǎn)錄，所以阻遏蛋白介導(dǎo)負性調(diào)節(jié)。激活蛋白, activator 可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，提高RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合能力，從而增強RNA聚合酶的

33、轉(zhuǎn)錄活性。特異因子、阻遏蛋白和激活蛋白等原核調(diào)節(jié)蛋白都是一些DNA結(jié)合蛋白。 真核基因調(diào)節(jié)蛋白又稱轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子或轉(zhuǎn)錄因子。絕大多數(shù)真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子由它的編碼基因表達后，通過與特異的順式作用元件的識別、結(jié)合即DNA蛋白質(zhì)相互作用反式激活另一基因的轉(zhuǎn)錄，故稱反式作用蛋白或反式作用因子, trans-acting factor。能直接結(jié)合DNA序列的反式作用因子是少數(shù)，但不同的反式作用因子間可以相互作用，因而目前認為多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子是通過蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)間作用與DNA序列聯(lián)系并影響轉(zhuǎn)錄效率的，轉(zhuǎn)錄因子之間或轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合都會引起構(gòu)象的變化，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄。 作為蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄因子從功能上分析其結(jié)構(gòu)可包

34、含有不同區(qū)域DNA結(jié)合域，DNA binding domain 多由60100個氨基酸殘基組織的幾個亞區(qū)組成，不與DNA直接結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子沒有DNA結(jié)合域，但能通過轉(zhuǎn)錄激活域直接或間接作用于轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而影響轉(zhuǎn)錄效率轉(zhuǎn)錄激活域, activating domain 常由30100個氨基酸殘基組成，該結(jié)構(gòu)域包括富含酸性氨基酸、富含谷氨酰胺、富含脯氨酸等不同種類，以酸性結(jié)構(gòu)域最多見連接區(qū)：即連接上兩個結(jié)構(gòu)域的部分。 與DNA結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子大多以二聚體形式起作用，與DNA結(jié)合的功能域常見有以下幾種螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋, helix turn helix，HTH及螺旋-環(huán)-螺旋, helix loop helix，HLH 這類結(jié)構(gòu)至少有兩個螺旋，其間由短肽段形成的轉(zhuǎn)角或環(huán)連接，兩個這樣的模序結(jié)構(gòu)，motif以二聚體形式相連，距離正好相當(dāng)于DNA一個螺距，3.4 nm，兩個螺旋剛好分別嵌入DNA的深溝反式作用因子的螺旋轉(zhuǎn)角螺旋結(jié)構(gòu)域與DNA的結(jié)合鋅指，zinc finger 每個重復(fù)的指狀結(jié)構(gòu)約含23個氨基酸殘基，鋅以4個配價鍵與4個半胱氨酸、或2個半胱氨酸和2個組氨酸相結(jié)合。整