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《生物化学与分子生物学》第十八章 基因表达调控笔记,包括基因表达与基因表达调控的基本概念与特点、原核基因表达调控等内容。
编辑于2021-10-24 13:29:18思维导图总结了2025年高考报名本科专业,包括 13个学科门类(如工学、理学、艺术学等)及其下设的专业大类和具体专业。通过层级结构清晰展示学科分类,并突出交叉学科和国家战略相关专业,帮助考生、教师快速了解专业布局变化,为志愿填报和学科规划提供参考。
总结主编钟赣生的《中药学》知识点,包含解表药、清热药、泻下药、祛风湿药等21个章节的内容,由于考虑文件太大的缘故,只展示前两章药物的图片。希望对大家学习《中药学》这一课程有所帮助。
总结化学研究生必会技能,包含文献阅读、组会回报、实验操作、数据处理、论文撰写,这些常见问题的处理和总结。
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18 第十八章 基因表达调控
真核基因表达调控 P365
真核细胞基因表达特点
多细胞真核生物的基因表达调控的特点
①真核基因组比原核基因组大得多
②原核基因组的大部分序列都为编码基因,而哺乳类基因组中只有 10% 的序列编码蛋白质、rRNA、tRNA等,其余90%的序列,包括大量的重复序列功能至今还不清楚,可能参与调控
③真核生物编码蛋白质的基因是不连续的,转录后需要剪接去除内含子,这就增加了基因表达调控的层次
④原核生物的基因编码序列在操纵子中,多顺反子 mRNA 使得几个功能相关的基因自然协调控制;而真核生物则是一个结构基因转录生成一条 mRNA,即 mRNA 是单顺反子,许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及多个基因的协调表达
⑤真核生物 DNA 在细胞核内与多种蛋白质结合构成染色质,这种复杂的结构直接影响着基因表达
⑥真核生物的遗传信息不仅存在于核DNA上,还存在线粒体DNA上,核内基因与线粒体基因的表达调控既相互独立而又需要协调
染色质结构与真核基因表达密切相关
转录活化的染色质对核酸酶极为敏感
当染色质活化后,常出现一些对核酸酶(如DNase I ) 高度敏感的位点,称之超敏位点
转录活化染色质的组蛋白发生改变
转录活跃区域的染色质中的组蛋白的特点
①富含赖氨酸的 H1 组蛋白含量降低
②H2A-H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加,使它们容易从核小体核心中被置换出来
③核心组蛋白H3、H4可发生乙酰化、磷酸化以及泛素化等修饰。这些都使得核小体的结构变得松弛而不稳定,降低核小体对DNA的亲和力,易于基因转录
CpG 岛甲基化水平降低
DNA 甲基化是真核生物在染色质水平控制基因转录的重要机制
染色质结构对基因表达的影响可以遗传给子代细胞,其机制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶,可以在 DNA 复制后,依照亲本 DNA 链的甲基化位置催化子链 DNA在相同位置上发生甲基化。这种现象称为表观遗传
基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位
真核生物启动子结构和调节远较原核生物复杂
真核生物不同基因的启动子序列间的一致性不像原核生物那样明显,而且 RNA 聚合酶与 DNA 的结合需要多种蛋白质因子的相互协调作用。因此,真核生物的启动子序列要比原核生物的复杂得多、序列也更长
增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件
增强子的功能及其作用特征
1.增强子与被调控基因位于同一条DNA链上,属于顺式作用元件
2.增强子是组织特异性转录因子的结合部位,当某些细胞或组织中存在能够与之相结合的特异转录因子时方能表现活性
3.增强子不仅能够在基因的上游或下游起作用,而且还可以远距离实施调节作用(通常情况为 1~4kb),个别情况下甚至可以调控 30kb 以外的基因
4.增强子作用与序列的方向性无关。将增强子的方向倒置后依然能起作用,而方向倒置后的启动子就不能起作用
5.增强子需要有启动子才能发挥作用,没有启动子存在,增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性,同一增强子可以影响不同类型启动子的转录
沉默子能够抑制基因的转录
沉默子是一类基因表达的负性调控元件,当其结合特异蛋白因子时,对基因转录起阻遏作用,最初在酵母中发现
转录因子是转录调控的关键分子
真核基因的转录调节蛋白又称转录调节因子或转录因子。绝大多数真核转录调节因子由其编码基囚表达后,进入细胞核,通过识别、结合特异的顺式作用元件而增强或降低相应基因的表达。转录因子也被称为反式作用蛋白或反式作用因子
通用转录因子
这些转录因子是 RNA 聚合酶介导基因转录时所必需的一类辅助蛋白质,帮助聚合酶与启动子结合并起始转录,对所有基因都是必需的
特异转录因子
这些转录因子为个别基因转录所必需,决定该基因表达的时间空间特异性,故称特异转录因子。此类特异因子有的起转录激活作用,有的起转录抑制作用。前者称转录激活因子,后者称转录抑制因子
转录因子作用的结构特点
大多数转录因子是DNA结合蛋白,至少包括两个不同的结构域:DNA结合域和转录激活域(activationdomain);此外,很多转录因子还包含一个介导蛋白质蛋白质相互作用的结构域,最常见的是二聚化结构域
转录因子的DNA结合结构域主要有以下几种
锌指模体结构是一类含锌离子的形似手指的蛋白模体
碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)模体结构至少有两个 c-螺旋,由一个短肽段形成的环所连接,其中一个 α-螺旋的 N-末端富含碱性氨基酸残基,是与 DNA 结合的结合域
碱性亮氨酸拉链(bZIP)模体结构的特点是在蛋白质 C-末端的氨基酸序列中,每隔6个氨基酸是一个疏水性的亮氨酸残基
转录因子的转录激活结构域
酸性激活结构域是一段富含酸性氨基酸的保守序列,常形成带负电荷的β-折叠,通过与 TF II D 的相互作用协助转录起始复合物的组装,促进转录
谷氨酰胺富含结构域的 N-末端的谷氨酰胺残基含量可高达25%左右,通过与GC盒结合发挥转录激活作用
脯氨酸富含结构域的 C-末端的脯氨酸残基含量可高达 20%~30%,通过与 CAAT 盒结合来激活转录
二聚化是常见的蛋白质蛋白质相互作用方式
介导蛋白质-蛋白质相互作用最常见的结构域是二聚化结构域。二聚化作用与bZIP的亮氨酸拉链、bHLH的螺旋环螺旋结构有关
转录起始复合物的动态构成是转录调控的主要方式
启动子与 RNA 聚合酶活性
调节蛋白与 RNA 聚合酶活性
转录后调控主要影响真核 mRNA 的结构与功能
mRNA的稳定性影响真核生物基因表达
5'-端的帽子结构可以增加 mRNA 的稳定性
3'-端的 poly( A)尾结构防止 mRNA 降解
一些非编码小分子 RNA 可引起转录后基因沉默
mRNA 前体的选择性剪接可以调节真核生物基因表达
真核基因表达在翻译及翻译后仍可受到调控
对翻译起始因子活性的调节主要通过磷酸化修饰进行
翻译起始因子 eIF-2α 的磷酸化抑制翻译起始
eIF-4E 及 eIF-4E 结合蛋白的磷酸化激活翻译起始
RNA 结合蛋白参与了对翻译起始的调节
对翻译产物水平及活性的调节可以快速调控基因表达
小分子 RNA 对基因表达的调节十分复杂
miRNA
miRNA 的结构与功能特点
①其长度一般为 20 ~ 25 个碱基,个别也有 20 个碱基以下的报道
②在不同生物体中普遍存在,包括线虫果蝇、家鼠、人及植物等
③其序列在不同生物中具有一定的保守性,但是尚未发现动植物之间具有完全一致的 miRNA 序列
④具有明显的表达阶段特异性和组织特异性
⑤miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中,而且绝大部分位于基因间隔区
siRNA
RNAi 实际上是通过降解特异 mRNA、在转录后水平发生的一种基因表达调节机制,是生物体本身固有的一种对抗外源基因侵害的自我保护现象。它能识别、清除外源 dsRNA 或同源单链RNA,提供了一种防御外源核酸人侵的保护措施
同时,由于外源 dsRNA 导人细胞后也可以引起与 dsRNA 同源的 mRNA 降解,进而抑制其相应的基因表达,RNAi 又被作为一种新技术广泛应用于功能基因组研究中
长链非编码 RNA 在基因表达调控中的作用不容忽视
长链非编码 RNA( IncRNA)是一类转录本长度超过 200 个核苷酸的 RNA 分子,不直接参与基因编码和蛋白质合成,但是可在表观遗传水平、转录水平和转录后水平调控基因的表达
基因表达与基因表达调控的基本概念与特点 P356
基因表达是基因转录和翻译的过程
基因表达就是基因转录及翻译的过程,也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程,包括基因转录成互补的 RNA 序列,对于蛋白质编码基因,mRNA 继而翻译成多肽链,并装配加工成最终的蛋白质产物
在一定调节机制控制下,大多数基因经历、转录和翻译过程,产生具有特异生物学功能的蛋白质分子,赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。rRNA、tRNA 编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达
基因表达具有时间特异性和空间特异性
时间特异性是指基因表达按一定的时间顺序发生
按功能需要,某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生,这就是基因表达的时间特异性
空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段,同一基因在不同的组织器官表达不同
同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础是特异的基因表达或称为差异基因表达。 细胞的基因表达谱,即基因表达的种类和强度决定了细胞的分化状态和功能。换言之,在个体内决定细胞类型的不是基因本身,而是基因表达模式
基因表达的方式存在多样性
有些基因几乎在所有细胞中持续表达
有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达,不易受环境条件的影响,或称基本表达。这些基因通常被称为管家基因
有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻遏
与管家基因不同,另有一些基因表达很容易受环境变化的影响。随外环境信号变化,这类基因表达水平可以出现升高或降低的现象。在特定环境信号刺激下,相应的基因被激活,基因表达产物增加,即这种基因表达是可诱导的
生物体内不同基因的表达受到协调调节
在一定机制控制下,功能上相关的一组基因,无论其为何种表达方式,均需协调一致、共同表达,即为协同表达。 这种调节称为协同调节
基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节
一个生物体的基因组中既有携带遗传信息的基因编码序列,也有能够影响基因表达的调节序列。一般说来,调节序列与被调控的编码序列位于同一条DNA链上,被称为顺式作用元件
基因表达调控呈现多层次和复杂性
首先,遗传信息以基因的形式贮存于 DNA 分子中,基因拷贝数越多,其表达产物也会越多,因此基因组 DNA 的部分扩增可影响基因表达
其次,遗传信息经转录由 DNA 传向 RNA 过程中的许多环节,是基因表达调控最重要、最复杂的一个层次
蛋白质生物合成即翻译是基因表达的最后一步,影响蛋白质合成的因素同样也能调节基因表达。并且,翻译与翻译后加工可直接、快速地改变蛋白质的结构与功能,因而对此过程的调控是细胞对外环境变化或某些特异刺激应答时的快速反应机制
基因表达调控是生物体生长和发育的基础
生物体调节基因表达以适应环境、维持生长和增殖
生物体所处的内、外环境是在不断变化的。所有生物的所有活细胞都必须对内、外环境的变化做出适当反应,以使生物体能更好地适应变化着的环境状态
生物体这种适应环境的能力总是与某种或某些蛋白质分子的功能有关。细胞内某种功能蛋白质分子的有或无、多或少的变化则由编码这些蛋白质分子的基因表达与否表达水平高低等状况决定
通过一定的程序调控基因的表达,可使生物体表达出合适的蛋白质分子,以便更好地适应环境,维持其生长
生物体调节基因表达以维持细胞分化与个体发育
在多细胞生物,基因表达调控的意义还在于维持细胞分化与个体发育。在多细胞个体生长、发育的不同阶段,细胞中的蛋白质分子种类和含量变化很大;即使在同一生长发育阶段,不同组织器官内蛋白质分子分布也存在很大差异,这些差异是调节细胞表型的关键
原核基因表达调控 P360
原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子,在结构上有以下特点:
①基因组中很少有重复序列
②编码蛋白质的结构基因为连续编码,且多为单拷贝基因,但编码 rRNA 的基因仍然是多拷贝基因
③结构基因在基因组中所占的比例(约占50%)远远大于真核基因组
④许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列
操纵子是原核基因转录调控的基本单位
原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子由结构基因与调控序列组成。结构基因通常包括数个功能上有关联的基因,它们串联排列,共同构成编码区
调控蛋白的作用
①特异因子决定 RNA 聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力
②阻遏蛋白可以识别、结合特异 DNA 序列一操纵序列,抑制基因转录,所以阻遏蛋白介导负调节。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在
③激活蛋白可结合启动子邻近的 DNA 序列,提高 RNA 聚合酶与启动序列的结合能力,从而增强 RNA 聚合酶的转录活性,是一种正调控。分解(代谢)物基因激活蛋白(CAP)就是一种 典型的激活蛋白。有些基因在没有激活蛋白存在时,RNA聚合酶很少或根本不能结合启动子,所以基因不能转录
乳糖操纵子是典型的诱导型调控
乳糖操纵子的结构
乳糖操纵子受到阻遏蛋白和 CAP 的双重调节
阻遏蛋白的负性调节
在没有乳糖存在时,lac 操纵子处于阻遏状态。此时,I 序列在 PI 启动序列作用下表达的 Lac 阻遏蛋白与 O 序列结合,阻碍 RNA 聚合酶与 P 序列结合,抑制转录启动
阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对,偶有阻遏蛋白与 O 序列解聚。因此,每个细胞中可能会有寥寥数个分子的 β-半乳糖苷酶、透酶生成
CAP 的正性调节
CAP 是同二聚体,在其分子内有 DNA 结合区及 cAMP 结合位点
协同调节
Lac 阻遏蛋白负性调节与 CAP 正性调节两种机制协同合作:当 Lac 阻遏蛋白封闭转录时,CAP 对该系统不能发挥作用:但是如果没有 CAP 存在来加强转录活性,即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚仍几无转录活性。可见,两种机制相辅相成互相协调、相互制约
色氨酸操纵子通过转录衰减的方式阻遏基因表达
原核生物体积小,受环境影响大,在生存过程中需要以最大限度减少能源消耗,对非必需蛋白质都尽量关闭其编码基因
原核基因表达在转录终止阶段有不同的调控机制
在大肠杆菌存在两种终止调节方式,一种为衰减,另一种为抗终止。 前者导致RNA链的过早终止,后者则阻止前者的发生,使下游基因得以表达
原核基因表达在翻译水平的多个环节受到精细调控
转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性
前导序列 L 的结构特点是
①它可以转录生成一.段长度为 162bp、内含 4 个特殊短序列的前导 mRNA
②其中序列 1 有独立的起始和终止密码子,可翻译成为一个有 14 个氨基酸残基的前导肽,它的第 10 位和第 11 位都是色氨酸残基
③序列 1 和序列 2 间、序列 2 和序列 3 间、序列 3 和序列 4 间存在一些互补序列,分别都可以形成发夹结构。形成发卡结构的能力依次是 1/2 发夹> 2/3 发夹> 3/4 发夹
④序列 4 的下游有一个连续的U序列,是一不依赖于 ρ 因子的转录终止信号
转录衰减的机制
①色氨酸的浓度较低时,前导肽的翻译因色氨酸量的不足而停滞在第 10/11 的色氨酸密码子部位,核糖体结合在序列 1 上, 因此前导 mRNA 倾向于形成 2/3 发夹结构,转录继续进行
②色氨酸的浓度较高时,前导肽的翻译顺利完成,核糖体可以前进到序列 2。因此发夹结构在序列 3 和序列 4 形成,连同其下游的多聚 U 使得转录中途终止,表现出转录的衰减。原核生物这种在色氨酸浓度高时,通过阻遏作用和转录衰减机制共同关闭基因表达的方式,保证了营养物质和能量的合理利用
蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节
无论是单顺反子还是多顺反子 mRNA,许多休系应用了类似的机制,即调节蛋白结合 mRNA靶位点,阻止核糖体识别翻译起始区,从而阻断翻译的机制。调节蛋白一般作用于自身 mRNA,抑制自身的合成,因而这种调节方式称自我控制
翻译阻遏利用蛋白质与自身 mRNA 的结合实现对翻译起始的调控
翻译起始与转录起始相类似,也受调节蛋白的作用,但与转录不同,RNA 在翻译起始过程中有重要的作用
编码区的起始点可与调节分子(蛋白质或 RNA)直接或间接地结合来决定翻译起始。在此调控机制中,调节蛋白可以结合到起始密码子上,阻断与核糖体的结合
反义 RNA 结合 mRNA 翻译起始部位互补序列以调节翻译起始
此外,在一些细菌和病毒中还存在一类调节基因,能够转录产生反义RNA
mRNA 密码子的编码频率影响翻译速度
遗传密码表显示,除色氨酸和甲硫氨酸外,其他的氨基酸都有 2 个或 2 个以上的遗传密码子。有些是使用频率较高的常用密码子,而有些则是使用频率较低的稀有密码子。当基因中的密码子是常用密码子时,mRNA 的翻译速度快,反之,mRNA的翻译速度慢