基因表達(dá)的調(diào)控機理新進展

基因表達(dá)的調(diào)控機理新進展從DNA到蛋白質(zhì)的過程叫基因表達(dá)(geneexpression),對這個過程的調(diào)節(jié)艮口為基因表達(dá)調(diào)控(regulationofgeneexpressionorgenecontrol)?；蛘{(diào)控是現(xiàn)代分子生物學(xué)研究的中心課題之一。因為要了解動植物生長發(fā)育規(guī)律。形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及生物學(xué)功能，就必須搞清楚基因表達(dá)調(diào)控的時間和空間概念，掌握了基因調(diào)控機制，就等于掌握了一把揭示生物學(xué)奧秘的鑰匙?；虮磉_(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控；②mRNA加工、成熟水平上的調(diào)控；③翻譯水平上的調(diào)控；基因表達(dá)調(diào)控的指揮系統(tǒng)有很多種，不同生物使用不同的信號來指揮基因調(diào)控。原核生物和真核生物之間存在著相當(dāng)大差異。原核生物中，營養(yǎng)狀況、環(huán)境因素對基因表達(dá)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(fā)育階段等是基因表達(dá)調(diào)控的主要手段，營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響則為次要因素。(一)原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控雖然比真核生物簡單，然而也存在著復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)，如在轉(zhuǎn)錄調(diào)控種就存在著許多問題：如何在復(fù)雜的基因組內(nèi)確定正確的轉(zhuǎn)錄起始點？如何將DNA的核苷酸按著遺傳密碼的程序轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄的終止？上述問題決定于DNA的結(jié)構(gòu)、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(zhuǎn)錄調(diào)控中，現(xiàn)已搞清楚了細(xì)菌的幾個操縱子模型，現(xiàn)以乳糖操縱子和色氨酸操縱子為例予以說明。；乳糖操縱子模型乳糖操縱子法國巴斯德研究所著名的科學(xué)家Jacob和Monod在實驗的基礎(chǔ)上于1961年建立了乳糖操縱子學(xué)說，現(xiàn)在已成為原核生物基因調(diào)控的主要學(xué)說之一。

Promoterforregulatorygene1Regulatory-1geneStructuralPromoterforregulatorygene1Regulatory-1geneStructurallociiPromoterforlacoperon匝產(chǎn)二匚二OperatorStructuralgeneforp-galacto-sidase-■■Structuralgeneforf^qafactosrdepermease/acOperonStructuregeneforp-gaiactosidetransacetylase大腸桿菌乳糖操縱子包括4類基因：①結(jié)構(gòu)基因，能通過轉(zhuǎn)錄、翻譯使細(xì)胞產(chǎn)生一定的酶系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)蛋白，這是與生物性狀的發(fā)育和表型直接相關(guān)的基因。乳糖操縱子包含3個結(jié)構(gòu)基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成。一半乳糖苷酶，lacY合成透過酶，lacA合成乙?；D(zhuǎn)移酶。②操縱基因0,控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄速度，位于結(jié)構(gòu)基因的附近，本身不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。③啟動基因P，位于操縱基因的附近，它的作用是發(fā)出信號，mRNA合成開始，該基因也不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。④調(diào)節(jié)基因i：可調(diào)節(jié)操縱基因的活動，調(diào)節(jié)基因能轉(zhuǎn)錄出mRNA，并合成一種蛋白，稱阻遏蛋白。操縱基因、啟動基因和結(jié)構(gòu)基因共同組成一個單位——操縱子(operon)。調(diào)節(jié)乳糖催化酶產(chǎn)生的操縱子就稱為乳糖操縱子。其調(diào)控機制簡述如下：抑制作用：調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其構(gòu)象能夠識別操縱基因并結(jié)合到操縱基因上，因此RNA聚合酶就不能與啟動基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因也被抑制，結(jié)果結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄出mRNA，不能翻譯酶蛋白。誘導(dǎo)作用：乳糖的存在情況下，乳糖代謝產(chǎn)生別乳糖(alloLactose)，別乳糖能和調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白改變構(gòu)象，不能在和操縱基因結(jié)合，失去阻遏作用，結(jié)果RNA聚合酶便與啟動基因結(jié)合，并使結(jié)構(gòu)基因活化，轉(zhuǎn)錄出mRNA，翻譯出酶蛋白。負(fù)反饋：細(xì)胞質(zhì)中有了。一半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖為半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。色氨酸操縱子色氨酸操縱子負(fù)責(zé)調(diào)控色氨酸的生物合成，它的激活與否完全根據(jù)培養(yǎng)基中有無色氨酸而定。當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時，該操縱子自動關(guān)閉；缺乏色氨酸時，操縱子被打開。色氨酸在這里不是起誘導(dǎo)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發(fā)生作用。色氨酸操縱子恰和乳糖操縱子相反。圖8-3-14色氨酸操縱子（二）真核生物基因表達(dá)調(diào)控真核生物基因表達(dá)調(diào)控與原核生物有很大的差異。原核生物同一群體的每個細(xì)胞都和外界環(huán)境直接接觸，它們主要通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控，以開啟或關(guān)閉某些基因的表達(dá)來適應(yīng)環(huán)境條件（主要是營養(yǎng)水平的變化），故環(huán)境因子往往是調(diào)控的誘導(dǎo)物。而大多數(shù)真核生物，基因表達(dá)調(diào)控最明顯的特征時能在特定時間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實現(xiàn)“預(yù)定”的，有序的，不可逆的分化和發(fā)育過程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常的生理功能。真核生物基因表達(dá)調(diào)控?fù)?jù)其性質(zhì)可分為兩大類：第一類是瞬時調(diào)控或叫可逆調(diào)控，相當(dāng)于原核生物對環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時調(diào)控包括某種代謝底物濃度或激素水平升降時及細(xì)胞周期在不同階段中酶活性和濃度調(diào)節(jié)。第二類是發(fā)育調(diào)節(jié)或稱不可逆調(diào)控，這是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的精髓，因為它決定了真核生物細(xì)胞分化，生長，和發(fā)育的全過程。據(jù)基因調(diào)控在同一時間中發(fā)生的先后次序，又可將其分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控，轉(zhuǎn)錄后的水平調(diào)控，翻譯水平調(diào)控及蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控，研究基因調(diào)控應(yīng)回答下面三個主要問題:①什么是誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄的信號？②基因調(diào)控主要是在那個環(huán)節(jié)（模板DNA轉(zhuǎn)錄，mRNA的成熟或蛋白質(zhì)合成）實現(xiàn)的？③不同水平基因調(diào)控的分子機制是什么？回答上述這三個問題是相當(dāng)困難的，這是因為真核細(xì)胞基因組DNA含量比原核細(xì)胞多，而且在染色體上除DNA外還含有蛋白質(zhì),RNA等，在真核細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程分別是在兩個彼此分開的區(qū)域：細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中進行。一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈；真核細(xì)胞DNA與組蛋白及大量非組蛋白相結(jié)合，只有小部分DNA是裸露的；而且高等真核細(xì)胞內(nèi)DNA中很大部分是不轉(zhuǎn)錄的；真核生物能夠有序的根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進行DNA片段重排，并能根據(jù)需要增加細(xì)胞內(nèi)某些基因的拷貝數(shù)等。盡管難度很大，科學(xué)家們還是建立起多個調(diào)控模型。1.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控Britten和Davidson于1969年提出的真核生物單拷貝基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的模型Britten一Davidson模型。該模型認(rèn)為在整合基因的5’端連接著一段具有高度專一性的DNA序列，稱之為傳感基因。在傳感基因上有該基因編碼的傳感蛋白。外來信號分子和傳感蛋白結(jié)合相互作用形成復(fù)合物。該復(fù)合物作用于和它相鄰的綜合基因組，亦稱受體基因，而轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，后者翻譯成激活蛋白。這些激活蛋白能識別位于結(jié)構(gòu)基因（SG）前面的受體序列并作用于受體序列，從而使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄翻譯。圖8-3-18Britten—Davidson模型若許多結(jié)構(gòu)基因的臨近位置上同時具有相同的受體基因，那么這些基因就會受某種激活因子的控制而表達(dá)，這些基因即屬于一個組（set），如果有幾個不同的受體基因與一個結(jié)構(gòu)基因相鄰接，他們能被不同的因子所激活，那么該結(jié)構(gòu)基因就會在不同的情況下表達(dá)，若一個傳感基因可以控制幾個整合基因，那么一種信號分子即可通過一個相應(yīng)的傳感基因激活幾組的基因。故可把一個傳感基因所控制的全部基因歸屬為一套。如果一種整合基因重復(fù)出現(xiàn)在不同的套中，那么同一組基因也可以屬于不同套。雖然目前驗證該模型的正確性困難很多，但真核生物基因組中等重復(fù)DNA序列和單拷貝DNA序列的排布形式，說明該模型有其合理型。2.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的影響真核細(xì)胞中染色質(zhì)分為兩部分，一部分為固縮狀態(tài)，如間期細(xì)胞著絲粒區(qū)、端粒、次溢痕，染色體臂的某些節(jié)段部分的重復(fù)序列和巴氏小體均不能表達(dá)，通常把該部分稱為異染色質(zhì)。與異染色質(zhì)相反的是活化的常染色質(zhì)。真核基因的活躍轉(zhuǎn)錄是在常染色質(zhì)進行的。轉(zhuǎn)錄發(fā)生之前，常染色質(zhì)往往在特定區(qū)域被解旋或松弛，形成自由DNA，這種變化可能包括核小體結(jié)構(gòu)的消除或改變，DNA本身局部結(jié)構(gòu)的變化，如雙螺旋的局部去超螺旋或松弛、DNA從右旋變?yōu)樽笮?，這些變化可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因暴露，RNA聚合酶能夠發(fā)生作用，促進了這些轉(zhuǎn)錄因子與啟動區(qū)DNA的結(jié)合，導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)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(zhì)結(jié)合較松弛），非組蛋白是造成活躍表達(dá)基因?qū)怂忝父叨让舾械囊蛩刂弧Ｄ壳案嗟目茖W(xué)家已經(jīng)認(rèn)識到，轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是大多數(shù)功能蛋白編碼基因表達(dá)調(diào)控的主要步驟。關(guān)于這一調(diào)控機制，現(xiàn)有兩種假說。一種假說認(rèn)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(jié)合區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子，第二種假說認(rèn)為，轉(zhuǎn)錄調(diào)控是通過各種轉(zhuǎn)錄因子及反式作用蛋白對特定DNA位點的結(jié)合與脫離引起染色質(zhì)構(gòu)象的變化來實現(xiàn)的。真核生物DNA嚴(yán)密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及其在核小體上的超螺旋結(jié)構(gòu)，決定了真核基因表達(dá)與DNA高級結(jié)構(gòu)變化之間的必然聯(lián)系。DNA鏈的松弛和解旋是真核基因起始MRNA合成的先決條件。轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控真核生物基因轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核內(nèi)進行，而翻譯則在細(xì)胞質(zhì)中進行。在轉(zhuǎn)錄過程中真核基因有插入序列，結(jié)構(gòu)基因被分割成不同的片段，因此轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的一個重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各種基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA，無論rRNA、tRNA還是mRNA，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后的加工才能成為有活性的分子。翻譯水平上的調(diào)控蛋白質(zhì)合成翻譯階段的基因調(diào)控有三個方面：①蛋白質(zhì)合成起始速率的調(diào)控；②MRNA的識別；③激素等外界因素的影響。蛋白質(zhì)合成起始反應(yīng)中要涉及到核糖體、mRNA蛋白質(zhì)合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，這些結(jié)構(gòu)和諧統(tǒng)一才能完成蛋白質(zhì)的生物合成。mRNA則起著重要的調(diào)控功能。真核生物mRNA的“掃描模式”與蛋白質(zhì)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(guān)合成起始因子首先與mRNA模板近5’端處結(jié)合，然后向3’方向移行，發(fā)現(xiàn)AUG起始密碼時，與60S亞基形成80S起始復(fù)合物，即真核生物蛋白質(zhì)合成的“掃描模式”。mRNA5’末端的帽子與蛋白質(zhì)合成的關(guān)系。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，其差異在于帽子的堿基甲基化程度不同。