12基因表达调控

基因表达调控，基因表达的特点和方式，基因表达调控的多层次性和复杂性，基因表达调控的深入学意义，原核生物的基因表达调控，真核生物的基因表达调控。

基因表达调控

• 基因、基因组、基因组学
  • 基因
    • 编码具有特定生物学功能的蛋白质或RNA负载特定遗传信息的DNA序列
    • 基本结构
      • 编码序列、非编码序列（包括调控序列和间隔序列）
  • 基因组
    • 一个生物体所包含的全部遗传信息的总和
    • 原核生物，噬菌体，质粒和病毒而言，基因组通常是单个DNA分子，某些病毒基因组由RNA构成
    • 真核生物基因组包括染色体DNA，线粒体DNA和叶绿体DNA，其中线粒体DNA和叶绿体DNA属于核外遗传物质
    • 人体基因组包含了细胞核染色体DNA（常染色体和性染色体）及线粒体DNA所携带的所有遗传物质
  • 基因组学
    • 研究领域
      • 结构基因组学
      • 功能基因组学
      • 比较基因组学
• 基因表达
  • 细胞将储存在dna中的遗传信息经过转录和翻译转变为具有生物学活性分子的过程
• 基因表达调控
  • 生物体为适应环境变化和维持自身生存，生长和发育的需要，调控基因的表达
• 基因表达特点和方式
  • 基因表达的特性
    • 时间特异性
      • 生物体内某一特定基因的表达严格按照一定的时间顺序发生
      • 多细胞生物基因表达的这种时间特异性又称为阶段特异性
    • 空间特异性
      • 多细胞生物在个体生长、发育过程中，在不同组织细胞中特定基因表达的数量、强度和种类各不相同。又称为细胞特异性，组织特异性
  • 基因表达的基因方式
    • 组成性表达
      • 管家基因
        • 有些基因在整个生命过程和几乎所有细胞中都持续表达
        • 管家基因表达水平受环境因素影响较小
      • 组成性基因表达（基本基因表达）
        • 只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响
    • 诱导和阻遏表达
      • 可诱导基因
        • 随环境条件变化基因表达水平增高的现象
      • 可阻遏基因
        • 随环境条件变化基因表达水平降低的现象
    • 协调表达
      • 功能上相关的一组基因，在一定机制控制下，协调一致，共同表达
• 基因表达调控的多层次性和复杂性
  • 原核生物
    • 基因激活、转录、翻译
  • 真核生物
    • 基因水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平
  • 转录起始的调控
  • 翻译起始的调控
  • 对转录或翻译产物的调控
• 基因表达调控的生物学意义
  • 适应环境、维持生长和繁殖
  • 维持细胞分化与个体发育
• 原核生物的基因表达调控
  • 操纵子是原核生物基因表达及调控的基本单位
  • 转录水平的调控
    • 关键因素
      • 转录调控序列
        • 影响RNA聚合酶活性的DNA序列
        • 调控区
          • 启动子
            • 在-10和-35区域共有序列
            • -10 TATAAT
            • -35 TTGACA
          • 操纵序列
            • 是原核阻遏蛋白的结合位点
            • 当O序列上结合有阻遏蛋白时，会阻遏RNA聚合酶与P序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向下游移动，阻遏转录，介导负性调节
          • 其他调节序列
      • RNA聚合酶
        • 阻遏蛋白的结合可影响RNA聚合酶的结合
    • 基本特点
      • σ因子决定基因的转录
      • 操纵子是转录调控的基本单位
      • 阻遏调控是原核生物基因表达语课的基本原理
    • 操纵子的转录调控
      • 乳糖操纵子的基本结构
        • CAP结合位点、启动子P、操纵序列O形成的调控区和lacZ、lacY、lacA结构基因
      • 乳糖操纵子的转录调控
        • 阻遏蛋白的负性调节
          • 无乳糖时，I序列表达的lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与启动P序列结合，操纵子被阻遏蛋白阻遏，处于关闭状态，抑制转录启动
          • 有乳糖时，少量乳糖可被菌体内原先存在的少量通透酶催化转运进入细胞，再经少数β半乳糖苷酶催化，转变成异构体别构糖，别构糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白构象改变，不能与操纵序列O结合，操纵子去阻遏，RNA聚合酶与启动序列p结合并移向结构基因，启动基因的转录，进而表达出三种利用乳糖的酶
          • 诱导物：别乳糖
        • cAMP-CAP的正性调节
          • 正调节物：cAMP，葡萄糖缺乏时，camp浓度升高
          • 当环境中葡萄糖含量升高时，细胞内的cAMP含量降低，cAMP-CAP复合物形成减少，不能通过集合CAP结合位点促进RNA聚合酶的转录活性
          • 当环境中葡萄糖含量降低时，葡萄糖的代谢产物减少，腺苷酸环化酶的活性增高，促进ATP形成cAMP, cAMP-CAP复合物增多，通过靶向CAP结合位点促进RNA聚合酶的转录活性
        • 阻遏蛋白和CAP共同参与的协同作用
          • 在没有乳糖存在的情况下，不管葡萄糖存在与否, 都不能启动基因的转录，因为阻遏蛋白与操纵序列O结合，关闭了O开关。只有当O处于开放状态时，RNA聚合酶与p结合才能启动结构基因的转录，合成Lac mRNA，所以，只要阻遏蛋白结合在O上，，乳糖操纵子就处于关闭状态
          • 在乳糖和葡萄糖共同存在时，阻遏蛋白与别乳糖结合，O处于开放状态，但葡萄糖代谢产物抑制腺苷酸环化酶的活性，cAMP处于低水平，cAMP-CAP复合物形成受阻，不能发挥激活转录的作用，因此，只有很少量的Lac mRNA被合成
          • 在有乳糖而葡萄糖缺乏的情况下，阻遏蛋白与别乳糖结合，O处于开放状态；葡萄糖缺乏，camp含量增高，cAMP-CAP复合物形成增多，结合到别乳糖操纵子CAP结合位点，促进RNA聚合酶与P结合，合成大量的Lac mRNA
  • 翻译水平的调控
    • SD序列对翻译起始的影响
    • 反义RNA在翻译水平的调节作用
• 真核生物的基因表达调控
  • 真核生物基因的结构和表达特点
    • 结构特点
      • 编码序列
      • 非编码序列
      • 转录单位
        • 结构基因及其调控序列
        • 调控序列主要包括启动子、增强子
    • 表达特点
      • 转录在细胞核中进行
      • mRNS需要剪接和运输
      • 翻译在细胞质中进行
  • 真核基因表达的基因水平调控
    • 基因重排和基因扩增对转录的影响
      • 基因重排
      • 基因扩增
    • 染色质变构对基因转录的影响
      • 染色质的转录活化
      • 组蛋白对基因表达的影响
      • DNA甲基化是真核生物在染色质水平调控基因转录的重要方式
    • 表观遗传修饰对基因转录的影响
      • DNA序列不发生改变，但是DNA修饰导致基因表达发生可遗传改变的现象
      • 形式
        • DNA的甲基化修饰
        • 组蛋白的修饰
          • 乙酰化
          • 磷酸化
          • 组蛋白分子中的正电荷被中和，降低了组蛋白与DNA的亲和力，有利于转录因子与DNA结合，促进基因表达
          • 甲基化
            • 甲基化部位不同，有时促进，有时抑制基因表达
        • 印记基因
  • 转录水平调控
    • RNA聚合酶
    • 顺式作用元件
      • 启动子
        • TATA 盒、CAAT盒、GC盒、
      • 增强子
        • 能够增强基因转录效率的特异DNA序列
      • 沉默子
        • 负性调控的DNA序列
        • 作用可不受序列方向的影响，也可远距离发挥作用
    • 反式作用因子
      • 分类
        • 通用转录因子
        • 特异转录因子
      • 结构特点
        • DNA结合域
          • 螺旋-转角-螺旋
            • 同源结构域
              • 在许多转录调控蛋白中有与HTH相似的结构
          • 锌指
            • C2H2、C2C2、
          • 亮氨酸拉链
          • 螺旋- 环-螺旋
        • 转录激活域
          • 酸性激活结构域
          • 谷氨酰胺富含结构域
          • 脯氨酸富含结构域
        • 介导蛋白质-蛋白质相互作用的结构域
          • 二聚化结构域
    • 转录调控中三种因素的相互作用
  • 转录后水平调控
    • RNA剪接的调控作用
    • 前体mRNA的5'端加帽
    • 前体mRNA的3'端加尾
    • 转录后水平的基因沉默
  • 翻译水平和翻译后水平调控
    • 翻译起始的调控
      • 蛋白质合成速率下降
      • AUG旁侧序列对翻译起始的影响
      • mRNA 5'-非翻译区对翻译起始的影响
      • mRNA本身结构对翻译起始的影响
    • 翻译后水平调控