细胞代谢与基因表达调控

细胞代谢与基因表达调控的思维导图，内容有细胞代谢调节网络、基因表达调控概述、原核生物的基因表达调控、真核生物的基因表达调控。

细胞代谢与基因表达调控

• 细胞代谢调节网络
  • 代谢途径交叉形成网络（4类物质相互转化关系）
    • - 糖与蛋白质 - 糖与脂类 - 蛋白质与脂类 - 核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的相互联系 - 三羧酸是各类物质共同的代谢途径，是它们之间联系的通道
• 基因表达调控概述
  • 基因表达
    • 即基因转录和翻译的过程，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序列及对于蛋白质编码序列，mRNA继而翻译成多肽链，加工装配成最终的蛋白质产物
  • 基因表达的特性
    • - 时间特异性（阶段特异性） - 空间特异性（组织细胞特异性）
  • 基因表达的方式
    • - 组成型表达：在个体生长的大多数或全部组织中持续表达、较少受环境影响的基因（管家基因） - 调节型表达：极易受环境影响，在特定的信号刺激下，某些基因变现为开放/增强，有些表现为关闭/抑制 - 可诱导/阻遏基因：特定环境信号刺激下，相应基因被激活/抑制，这种基因称为可诱导/阻遏基因 - 诱导/阻遏：可诱导/阻遏基因在特定环境下表达增强/降低的过程
  • 基因表达调控
    • 细胞或生物体在接受内外信号刺激或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制
  • 基因表达调控的生物学意义
    • - 适应环境，维持生长和增殖 - 维持个体发育与分化
  • 基因表达调节的基本原理
    • 1. #### 基因表达在不同水平的调节 1. 转录水平（转录前水平；转录水平；转录后水平） 2. 翻译水平（翻译水平；翻译后水平） 3. 原核生物的基因表达调节主要在转录水平；真核生物的基因表达调节发生在各个水平 2. #### 反式作用分子和顺式作用元件的调节 1. 基因表达调节通过反式作用因子和顺式作用元件的结合实现 2. 反作用式因子：能直接或间接识别结合各类顺式作用元件核心序列参与调控靶**基因转录效率的蛋白质**。多为转录因子。大多数真核转录调节因子由某一基因表达后，可通过另一基因的特异性的顺式元件相互作用，从而激活另一基因的转录。这种调节蛋白称为反式作用因子。 3. 顺式作用元件：同一DNA分子中**具有转录调节功能的特异DNA序列**。包括启动子、增强子、沉默子、衰减子、绝缘子等。是存在于基因旁侧中影响基因表达的序列。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质，仅仅提供一个作用位点，通过与反式作用因子相互作用而起作用。 3. #### 调节蛋白具有DNA结合的结构域 DNA结合的结构域与DNA靶序列间存在互补的空间关系；结合DNA的结构域含有一个或多个结构基序
    • 调节蛋白具有蛋白质-蛋白质相互作用的结构域
      • - 螺旋-转角-螺旋 - 锌指 - 同源域 - 亮氨酸拉链 - 螺旋-突变-螺旋
• 原核生物的基因表达调控
  • 原核生物基因表达调节特点
    • - **转录起始阶段**的调控 - 所有调控方式中，基因表达终止地越早，越不会浪费能量在合成不必要的mRNA和蛋白质上 - **σ因子**决定*RNA聚合酶识别特异性*，不同的σ决定**特异编码基因**的识别、激活，决定不同**RNA基因**的转录，参与启动子的识别、结合及*转录产物的异构化* - **转录终止**的调控 - 抗终止作用：能够阻止转录终止的蛋白质（抗终止因子）在终止因子上游，具有抗终止信号，一部分RNA聚合酶能够与抗终止因子结合并跨过终止子序列，顺利通过具有茎环结构的的终止子，使转录继续进行 - 弱化作用：当操纵子被阻遏，RNA合成终止时，起**终止转录信号作用的核苷酸序列**称为弱化子（如大肠杆菌中色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子、缬氨酸操纵子等） - **转录后**调控 - 转录生成mRNA之后，在翻译水平和翻译后水平上的“微调”，被认为是对转录水平调控的有效补充 - 包括***mRNA自身结构***对翻译的调节、*反义mRNA*对翻译的调控及*翻译阻遏现象* - **操纵子**模型的普遍性 - 乳糖操纵子 - 色氨酸操纵子 - 操纵子模型：操纵子是指原核生物基因表达的协调单位，包括结构基因、调节基因、由调节基因产物识别的控制序列（操纵基因、启动子）。 根据操纵子对调节基因表达的小分子所作出反应的特点，可分为可诱导和可阻遏两类。 并不是所有原核生物基因都组成操纵子。 - **阻遏蛋白**与阻遏机制的普遍性 - 在*缺乏底物*时*阻断*相应酶类的合成途径，但做好准备，在***特殊代谢物和化合物***的作用下，由*关闭状态转变为工作*状态，一旦底物出现，立即合成这些酶类
  • 操纵子
    • 乳糖操纵子⭐️
      • 结构/控制模型
        • - **结构基因** *Z、Y、A*的基因由一条多**顺反子的mRNA**分子编码 - lacZ----半乳糖苷酶----*分解乳糖成为半乳糖和葡萄糖*，还能水解其他的β-半乳糖苷酶 - lacY----半乳糖苷通透酶----使*外界乳糖*等*透过大肠杆菌*细胞壁进入细胞内 - lacA----巯基半乳糖苷乙酰*转移*酶----将*乙酰基转到半乳糖*上，形成**乙酰半乳糖**；抑制了β-半乳糖苷酶产物的有害衍生物在细胞内的积累，在生物进化中有意义。 *A*基因比*Z*基因更容易降解 - **操纵基因O** - **启动子P**（位于阻遏基因和操纵基因之间，不能单独起始结构基因的高效表达） - **调节基因I**----编码**阻遏蛋白**，与O结合，使操纵子阻遏。 - 当**阻遏物与操纵子**结合时，结构基因*lac*mRNA的转录受抑制；当**诱导物**存在时，诱导物与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵子结合，从而激发结构基因的转录。 - 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成 本地水平的组合型合成：在**非诱导状态**下有少量*lac*mRNA合成 - *lac*mRNA编码大量的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶，导致乳糖大量涌入细胞；多数乳糖降解为葡萄糖和半乳糖，另有一些乳糖被转变为异构乳糖，与细胞的阻遏物结合，阻遏物的失活促使mRNA高速合成，进一步提高β-半乳糖苷酶和透过酶的浓度。降解乳糖产生的葡萄糖作为细胞的能源和碳源，降解产生的半乳糖被另一套酶体系转变为葡萄糖。
      • 调节机制
        • - 负转录调控（调节基因的产物----阻遏蛋白，作用于操纵区） - 负控诱导：阻遏蛋白不与效应物结合，结构基因不转录 - 负控阻遏：阻遏蛋白与效应物结合，结构基因不转录 - 正转录调控（基因的调节产物是激活蛋白） - 正控诱导系统：效应物存在使激活蛋白处于活性状态 - 正控阻遏系统：效应物存在使激活蛋白处于非活性状态 1. **阻遏蛋白**的**负性调节**（***老虎不在家，猴子称霸王***） 1. 无乳糖，乳糖操纵子阻遏（I---阻遏蛋白---操纵基因---阻碍RNA聚合酶与P结合---抑制转录启动---抑制结构基因转录） 阻遏蛋白与操纵基因的结合不是绝对紧密的，会偶尔掉下来，此时启动子的障碍解除，RNA聚合酶开始转录（每个细胞周期1~2次） 2. 有乳糖，乳糖操纵子被诱导（乳糖---半乳糖---结合阻遏蛋白） 3. 概括：无乳糖---小坏蛋破坏---阻遏/有乳糖---乳糖的异构体结合小坏蛋阻遏蛋白---诱导转录----激发*lac*mRNA的合成 4. 具体机制：阻遏蛋白LacI的N端是**HTH**（helix-turn-helix）**DNA结合域**，中间是两个相似的**核心结构域**，可以**与诱导物结合**；LacI的C端是一个**α-螺旋**参与**阻遏蛋白的聚合**。 阻遏蛋白单体通过中间核心结构域的相互作用形成二聚体，两个二聚体进一步通过C端的α螺旋聚合成四聚体形式的阻遏物。当不存在诱导物时，阻遏物通过二聚体的2个HTH结构域结合*lac*操纵基因中一段21bp的DNA序列，阻止RNA聚合酶与lac操纵子的启动区结合，抑制*lac*mRNA的转录。一旦细胞中乳糖水平增加，异构乳糖数量增加，有效结合阻遏蛋白的核心结构域，改变阻遏蛋白的构象，使其与DNA结合的特异性降低，阻止其与操纵基因结合，随机结合DNA任意区域。当乳糖耗尽，失去诱导物时，阻遏蛋白重新结合操纵基因，阻止基因转录。当*lacI*基因由弱启动子突变成强启动子时，细胞内不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，在这些突变体中，*lac*操纵子不可被诱导 2. **CAP**的**正性调节**（***好心人有责任感***） 1. 缺乏葡萄糖，cAMP浓度升高，与CAP（CRP，代谢物激活蛋白，由*Crp*基因编码）结合，CAP与CAP结合位点结合，刺激RNA转录活性。 CAP蛋白之间通过相互作用形成二聚体，每个CAP蛋白可以结合一个cAMP分子，只有当cAMP装配到CAP蛋白上时使CAP蛋白二聚体构象改变，cAMP-CAP复合物才能特异结合到DNA上的CAP位点。*lac*操纵子上的CAP位点位于转录起始位点上游约60bp处，紧邻RNA聚合酶所结合的启动子区。RNA聚合酶 C端的α结构域可以结合CAP位点，与CAP位点附近的DNA结合。通过与αCTD的相互作用，cAMP-CAP复合物帮助RNA聚合酶结合到启动子区域，激活*lac*mRNA的转录 2. 葡萄糖存在，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，抑制RNA转录活性，操纵子不表达（降解物敏感型操纵子） 3. 概括：无葡萄糖---好心人cAMP兴奋地拉着好朋友CAP去相应位点多管闲事----刺激RNA转录 /有葡萄糖---cAMP不高兴，不多管闲事不找CAP---抑制RNA转录活性 1. 细菌优先利用葡萄糖，当外源葡萄糖完全耗尽之前不会诱发乳糖操纵子，没有β-半乳糖苷酶活性；当外源葡萄糖消耗尽后，细胞内cAMP浓度升高，β-半乳糖苷酶活性增加，一度停止生长的细胞恢复分裂 3. 协调调节 - 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用 - 无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性 - 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；有葡萄糖存在时，细菌优先利用葡萄糖 - 葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用----分解代谢阻遏（即葡萄糖的降解代谢产物抑制*lac*mRNA的合成）
      • 翻译水平的调节和反义RNA的调节
    • 色氨酸操纵子⭐️
      • 由*启动子*和*操纵基因*区组成，该操纵基因区控制一个**编码色氨酸生物合成**需要的5种蛋白质的多顺反子mRNA的表达。7个基因参与整个合成过程 一般情况下，大肠杆菌中合成色氨酸的操纵子开启；在培养基中加入色氨酸，使大肠杆菌能够直接利用培养基中的色氨酸，时，大肠杆菌无需合成色氨酸，则在2~3min内，大肠杆菌关闭色氨酸操纵子 某一代谢途径的最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所阻遏，这个现象称为可阻遏现象，这些维持阻遏的小分子称为阻遏物
      • 结构/控制模型
        • - *trpE和trpG*编码邻氨基苯甲酸合酶 - *trpD*---邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶 - *trpF*---异构酶 - *trpC*---吲哚甘油磷酸合酶 - *trpA/trpB*---色氨酸合酶的α/β亚基 - *trpE*是第一个被翻译的基因，与之紧邻的是启动子区和操纵区 - *trpL*---前导区 - *trpa*---弱化子区 - ***trpR*产生阻遏物的基因**
      • 色氨酸操纵子阻遏系统（有钱大爷月光族）
        • *trpR*基因的突变引起*trp*mRNA的**组合型合成**，该基因产物被称为**辅阻遏蛋白**。在trp存在的情况下，*辅阻遏蛋白与色氨酸结合*形成由活性的**阻遏物**，与操纵基因结合**关闭*trp*mRNA的转录**。 当培养基中**trp含量较高**时，**色氨酸**与游离的**辅阻遏蛋白相结合**，并**与操纵区DNA紧密结合**；当trp含量**不足**时，**辅阻遏蛋白失去trp并从操纵区上解离**，***trp*操纵子去阻遏** 在阻遏系统中，起负调控的调节基因的产物是一个无活性的阻遏蛋白，色氨酸是辅阻遏物；当色氨酸不足时，阻遏蛋白无活性，不能和操纵基因结合，色氨酸操纵子能够转录；当色氨酸充足时，阻遏蛋白和它结合而被激活，从而结合到操纵基因上，而色氨酸操纵子的操纵基因位于启动基因内，因此，活性阻遏物的结合排斥了RNA聚合酶的结合，从而抑制了结构基因的表达。
      • 色氨酸操纵子的弱化作用（够用阻止，没有就造）
        • 阻遏-操纵机制对于色氨酸而言只是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于*trp*操纵子的粗调开关，而弱化作用相当于精细开关（调控表达量） 1. 弱化子（衰减子） 弱化系统作为细微调控，通过**转录达到第一个结构基因之前的过早终止**实现的。细胞中**色氨酸的浓度是实现过早终止的根本原因** 弱化子：转录终止区域，且这种终止是被调节的，该区域被称为弱化子。该区域mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点 2. 前导肽 ***trp*前导区1，2，3，4片段**以两种不同的方式进行**碱基配对**（**1-2、3-4配对或2-3配对**），由此定位的***3-4配对正好位于终止密码子的识别区***，当这个区域发生破坏自我配对的碱基突变时，有利于转录的继续进行 3. **转录的弱化作用** - 转录的弱化理论认为**mRNA的转录的终止**是*通过前导肽基因的翻译调节的*。前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，所以该***前导肽的翻译必定对tRNA trp的浓度敏感*** - 当培养基中**色氨酸浓度很低**时，负载有色氨酸的tRNA少，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度很慢。当4区转录完成时，核糖体才到1区（或停留在2个相邻色氨酸密码子处），这时前导区是**2-3配对**，**不形成3-4配对的终止结构**，转录继续进行，直到***trp*操纵子中所有结构基因全部转录** - 当培养基中**色氨酸浓度高**时，核糖体可以顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区转录前，核糖体到达2区，这样使2-3不能配对，**3-4可以自由配对形成茎-环的终止子结构**，转录*停止trp操纵子中结构基因关闭而不能合成色氨酸*
    • 其他操纵子
      • 半乳糖操纵子
        • - 包括3个结构基因：异构酶；半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶；半乳糖激酶。作用：使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸 - 半乳糖操纵子的调节基因是*galR* - *gal*操纵子与*lac*操纵子不同的是*galR与galE、T、K*及操纵区O距离很远；*galR对galO*的作用与*lacI-lacO*作用相同 - *gal*操纵子的诱导物是半乳糖，半乳糖的跨细胞膜转运需要*galP*基因产物的参与 - 特点 - 有2个启动子，其mRNA可以从两个不同的起始点开始转录.每个启动子拥有自身的RNA聚合酶结合位点*S1*和*S2*，cAMP-CRP对*S1*和*S2*起始的转录有不同的作用 - 从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时才能顺利进行。RNA聚合酶与S1的结合需要**半乳糖、CRP、较高浓度的cAMP**，当腺苷酸环化酶腺或cAMP受体蛋白发生突变时，*gal*操纵子不能从S1起始转录此时从外界加入cAMP-CRP，可诱发从S1的转录。 - cAMP-CRP抑制从*S2*起始的转录，刺激从*S1*起始的转录。当有cAMP-CRP存在时，转录从*S2*起始，当无cAMP-CRP时，转录从S1起始 - 2个起始转录位点与半乳糖在细胞中代谢的双重功能相关（作为唯一的碳源供细胞生长；与尿苷二磷酸半乳糖（UDP gal）作为大肠杆菌细胞壁合成的前体） - 有2个O（操纵）区（1一个在P区上游-67~73，1个在结构基因*galE*内部） -
      • 阿拉伯糖操纵子
        • 可以提供碳源的五碳糖 **结构** - 在大肠杆菌中阿拉伯糖降解需要3个基因： - *araB*、*araA*、*araD*，形成一个基因簇，简写为*araBAD* - 分别编码 核酮糖激酶/L-阿拉伯糖异构酶/L-核酮糖-5磷酸-4-差向异构酶 - 阿拉伯糖的代谢顺序：*araA*-*araB*-*araD* - *araE*&*araF*----将阿拉伯糖运入细胞的基因，远离\*araBAD基因簇 - *araBAD*相邻一个复合的启动子区域，两个操纵区（O1，O2）和一个调节基因*araC*。Ara C蛋白同时显示正、负调节因子的功能；*araBAD*和*araC*基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的 - *ara*操纵子可诱导，阿拉伯糖本身即为诱导物 *ara*操纵子的表达调控  营养状态对ara操纵子活性的影响
      • 阻遏蛋白LexA的降解与细菌中SOS应答（受伤地主与农民合体干土匪）
        • - 细菌DNA遭到破坏，细菌细胞内启动SOS型诱导型DNA修复系统 - SOS DNA修复系统的许多基因分散在染色体各个部位，同时受到LexA阻遏蛋白的抑制（平时表达水平很低） - SOS体系的诱导表达过程就是把LexA阻遏蛋白从这些基因的上游调控区移开 - 一般情况下，***rexA*基因表达（受LexA阻遏蛋白的不完全阻遏**）；当**DNA损伤严重**时，*DNA复制被中断*，单链DNA缺口增加，**RecA**与这些**缺口处单链DNA**相结合，被激活称为**蛋白酶**。将**LexA**蛋白***切割***成没有阻遏和操纵区DNA结合活性的两个片段，导致**SOS体系高效表达**，DNA得到修复
      • 二组分调控系统和信号转到
        • 目前已知的最简单的细胞信号系统称为二组分调控系统，由两种不同的蛋白质组成：传感蛋白（细胞质膜上）和应答调节蛋白（细胞质中）
      • 多启动子调控的操纵子
        • - rRNA操纵子 - 两个启动子P1（对数生长期的细菌转录产物多，强启动子）和*P2*（贫瘠培养基中，细胞缓慢增殖时，*P2*是合成rRNA的主要启动子） - 核糖体蛋白*SI*操纵子 - DnaQ蛋白操纵子 - DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能为校正DNA复制中可能出现的错误 - 受RNA聚合酶活性调节，拥有2个启动子
      • 固氮基因调控
        • - 固氮酶 - 与固氮有关的基因及其表达调控
      • 根瘤的产生及根瘤相关基因的调控
        • - 根瘤的产生 - 豆血红蛋白及根瘤基因的调控
  • 转录水平上其他调控方式
    • σ因子的调节作用
      • σ因子——参与大肠杆菌中基因表达调控的最常见的蛋白质 不同的σ因子可以独立地起作用，调控不同的RNA聚合酶转录的起始 为了保证细胞准确相应不同的环境信号变化，σ因子常常交互构成网络调控模式，使得原核基因的表达稳定而平衡。σ因子本身的活性受到蛋白水解酶的调控，也能被**同源抗σ因子（与特定σ因子结合，阻止它们与RNA聚合酶组装）**失活。
    • 组蛋白类似蛋白的调节作用
      • 组蛋白类似蛋白：细菌中存在的一些非特异性的DNA结合蛋白，用以维持DNA的高级结构，被称为组蛋白类似蛋白 如细菌中的H-NS蛋白，以非特异方式结合DNA，维持其高级结构。 H-NS包含2个结构域：DNA结合域和蛋白质-蛋白质互作结构域。
    • 转录调控因子的作用
    • 抗终止调节因子的作用
      • 抗种终止因子：在特定位点阻止转录终止的一类蛋白质。当这类蛋白质存在时，RNA聚合酶能够越过终止子，继续转录DNA。这种基因表达调控机制主要见于噬菌体和少数细菌中。 参与大肠杆菌抗终止作用的是**Nus蛋白**。转录起始后不久，*σ因子从RNA聚合酶上解离下来*，**NusA蛋白就结合到核心RNA聚合酶上**。NusA的结合**增加了RNA聚合酶在终止子发夹结构处暂停的过程**，从而**促进抗终止作用的发生**。NusA和σ因子不能同时结合到RNA聚合酶上。只要RNA聚合酶结合在DNA上，NusA就不会从RNA聚合酶上解离，而σ因子可以取代游离RNA聚合酶上的NusA。因此，在转录起始和终止时，RNA聚合酶分别受到σ因子和NusA的调控。
  • 转录后调控
    • mRNA自身结构元件对翻译的调节
      • - 起始密码子 AUG被替换成GUG、UUG后，mRNA的翻译效率降低8倍 - 5'UTR - 核糖开关 一段具有复杂结构的RNA序列，在原核生物中通常位于5'UTR中。与其他调控元件不同，核糖开关能感受细胞内诸如代谢物浓度、离子浓度、温度等变化而改变自身的二级结构和调控功能，从而改变基因表达状态 核糖开关通过影响转录的起始、延伸、终止，或者通过控制核糖体与mRNA的结合，或者通过调节mRNA的稳定性来调控基因表达
    • mRNA稳定性对转录水平的影响
      • 所有细胞都有一系列核酸酶用以清除无用的mRNA
    • 调节蛋白的调控作用
      • 细菌中有些mRNA结合蛋白可激活靶基因的翻译。例如大肠杆菌BipA蛋白就具有依赖核糖体的GTP酶活性，能够激活转录调控蛋白基因*fis*mRNA的翻译，是fis蛋白合成所必需。相反，mRNA特异性抑制蛋白通过与核糖体竞争性结合mRNA分子来抑制翻译的起始
    • 小RNA的调节作用
      • - 细胞相应**环境压力**的改变，产生一些长度在50~500nt之间的**非编码小RNA分子**。 - 这些小RNA能**结合mRNA或者蛋白质**，通过**改变靶mRNA的稳定性**，影响**蛋白质-RNA的结合**或**mRNA的翻译**来调节基因表达。 - 原核生物中这些非编码RNA称为**非编码小RNA**，即**sRNA**。原核生物sRNA以**反式编码sRNA**为主，并且大部分需要RNA**分子伴侣Hfq蛋白**协助发挥作用，主要通过***不严格的碱基互补配对与靶mRNA相结合***，**抑制或促进靶mRNA的翻译**，加速或减缓靶mRNA的降解。
    • 稀有密码子对翻译的影响
    • 重叠基因对翻译的影响
      • 重叠基因的生物学意义：包含更多的遗传信息；影响基因表达调控
    • 翻译的阻遏
      • 大肠杆菌RNA噬菌体Qβ复制酶作为翻译阻遏物调控翻译过程
    • 魔斑核苷酸水平对翻译的影响
      • ------------------------------------------------------------------------
• 真核生物的基因表达调控
  • 真核基因的断裂结构
    • 外显子和内含子
      • - 外显子 编码序列 高等真核基因核DNA序列对应外显子的部分可能不到10% - 内含子 非编码序列
    • 外显子与内含子的连接区
      • - 外显子和内含子的交界/边界序列 - 特征 - 内含子两端序列之间没有广泛的同源性，因此内含子两端不能互补 - 高度保守，因此该序列可能与剪接机制密切相关，是RNA剪接的信号序列 - 几乎每个内含子的5'端起始的两个碱基都是GT，3'端最后两个碱基都是AG（高度保守性和广泛性）；由于其两端序列不同，可定向标明内含子的两个末端 - 外显子-内含子连接区的保守序列几乎存在于所有高等真核生物基因中，表明可能存在着共同的剪接加工机制
    • 外显子与内含子的可变调控
      • - **选择性剪接**：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同mRNA的过程 - 由于一个基因的内含子成为另一个基因的外显子，形成基因的差别表达
  • 基因家族
    • - 真核细胞的DNA 单顺反子，很少出现置于一个启动子控制之下的操纵子 - 基因家族：真核细胞中许多功能相关的基因按功能成套组合；有时紧密排列在一起，成为一个基因簇，有时分散在同一染色体的不同部位或不同染色体上。具有各自不同的表达调控模式 - 分类 - 简单多基因家族 **基因**一般以**串联**方式前后连接 - 复杂多基因家族 一般由几个基因家族构成，不同的基因家族由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。已发现存在不同形式的复杂多基因家族；基因家族中每个基因按其各自的转录方向进行转录 - 发育调控的复杂多基因家族
  • 真核基因表达方式
    • - 组成性表达（管家基因的表达模式） - 管家基因 - 细胞结构和代谢过程中所必需的基因 - 保持较高的表达量 - 选择性表达 - 基因表达的时空特异性 个体生长过程中，基因产物按不同组织空间顺序出现 *真核基因调控可分为两大类*： - 瞬时调控/可逆性调控 细胞对环境变化做出的反应 - 发育调控/不可逆调控
  • 真核生物基因表达特点❤
    • 真核生物基因表达调控机制的主要特点是：真核生物细胞基因的表达可随细胞内外环境条件的改变和时间程序面在不同表达水平上加以精确调节。基因表达是由多个层面上进行的多级调控
    • 转录前水平的调节（DNA水平）
      • - 开放型活性染色质结构对转录的影响 真核基因的活跃转录是在常染色体上进行的。转录发生之前，染色质常常会在特定区域被解螺旋松弛，形成自由DNA，导致结构基因暴露，促进转录因子与启动区DNA结合，诱发基因转录。用DNA酶I处理各种组织的染色质时，发现处于活跃状态的基因比费活跃状态的DNA更容易被DNA酶I所降解。（活跃表达基因在其5'端启动区有一个或多个DNA酶I超敏感位点） - 染色质丢失 - 基因扩增：某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，使细胞在短期内产生大量的基因产物，以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式 - 基因重排与交换：一个基因从远离启动子的位置移到距离它很近的位点从而启动转录的现象 - 染色质修饰 - 异染色质化
    • 转录水平的调节
      • 1.染色质的活化与阻遏 **DNA甲基化** DNA甲基化能关闭某些基因的表达；去甲基化则诱导某些基因的重新活化和表达 - 在染色质水平，DNA甲基化在着丝粒附近水平最高 - 在基因水平，DNA甲基化高水平区域涵盖多数转座子、假基因和小RNA编码区。甲基化对长度较短的基因有强转录调控能力，对长度较长的基因的调控能力十分微弱 - 甲基化位置：通常5-mC、N6-mA、7-mG；真核生物中，5-mC主要出现在CpG序列、GATC、CCA/TCC、CpXpG中 - ***DNA甲基化抑制基因转录的机制***：DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制转录因子与启动区DNA的结合效率。DNA甲基化提高该位点的突变频率 - 真核生物中2种甲基化酶 - 日常型甲基转移酶 - 从头合成型甲基转移酶 **组蛋白乙酰化** - 酶 - 组蛋白乙酰基转移酶（HAT） - 与转录有关 - 与核小体组装以及染色质的结构有关 - 组蛋白去乙酰化酶 抑制基因转录 - 组蛋白乙酰化及去乙酰化对基因表达的影响 - 组蛋白N端“尾巴”上赖氨酸残基的乙酰化中和了组蛋白尾巴所带的正电荷，降低了它与DNA的亲和性，导致核小体构象变化，有利于转录调节蛋白和染色质相结合，从而提高了基因转录的活性。 - 受乙酰化修饰的组蛋白形成的核小体结构比未经修饰的组蛋白核小体松散（乙酰化的组蛋白抑制了核小体的浓缩，使转录因子更容易与基因组的这一部分相接触，有利于提高基因的转录活性） - 组蛋白的乙酰化和去乙酰化只能有选择地影响一部分基因的转录 **组蛋白甲基化** - 功能 - 非组成型异染色质化 - 多发生在不同生长发育时期一些需要被沉默的基因区域（动物最常见的形式是剂量补偿效应，雌性随机失活一条X染色体） - 组成型异染色质化 - 通常发生在染色质中心粒、端粒区域，常由HP1蛋白介导，该蛋白质形成二聚体识别并结合H3K9me2/3 - 表观遗传的修饰 - 在基因的DNA序列没有发生改变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，并最终导致了表型的变化 - 表观修饰是可遗传的 - 特点 - 1.可遗传，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传。 2.可逆性的基因表达。 3.没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。 - 常表达染色体 - 该区域相较于异染色质更加宽松，也存在一些较为普遍的标记 - 不同的甲基转移酶蛋白和不同磷酸化状态的RNA聚合酶II相互作用，导致两种组蛋白甲基化在基因区的不同分布方式 - 组蛋白甲基转移酶 - 组蛋白上赖氨酸和精氨酸残基可以被甲基化修饰 - 分类：组蛋白赖氨酸甲基转移酶；组蛋白精氨酸甲基转移酶（分为一型和二型，一型---单甲基化和非对称双甲基化，二型---单甲基化和对称双甲基化） - 组蛋白去甲基化酶 2.顺式调控元件（如启动子、增强子） 3.调节转录和反式作用因子 - 反式作用因子 - 通用转录因子：与RNA pol一起形成转录起始复合物 - 上游基因：结合在启动子和增强子的上游结合位点 - 可诱导因子：与应答元件相互作用 - 识别结合转录起始点上游序列或远端增强子的元件，通过DNA-蛋白质相互作用而调节转录活性，并决定不同基因的时间、空间特异性转录
    • 转录后水平的调节
      • - mRNA加工修饰：戴帽、加尾、甲基化修饰、剪接 **N6-甲基腺苷化修饰** - m6A修饰甲基化酶 - METTL3----甲硫氨酸结合亚基； - CM I、CM II METTL3上负责甲基活性的两个功能区域 - m6A去甲基化酶 - m6A修饰调控基因表达的机制 - m6A修饰通过改变**RNA的二级结构**，使得某种RNA结合蛋白能够接近RNA序列，从而干扰m6A修饰的进行，进一步调控基因的表达 - 所需的基本组分：甲基化酶蛋白复合物、去甲基化酶蛋白复合物、“阅读”m6A修饰信息的蛋白 - RNA二级结构对基因表达与有影响（如茎环结构对基因表达的影响） - m6A修饰对RNA代谢的影响 - 不同类型的mRNA转录本中包含的m6A修饰位点不尽相同 - m6A修饰对mRNA剪接的影响 - m6A修饰位点有可能是某些RNA结合蛋白的锚定位点或m6A修饰后使得某些A-U碱基配对不稳定从而影响了RNA的二级结构 - 与甲基化酶或去甲基化酶互作的蛋白质可能参与了剪接过程的调控 - m6A修饰对核输出过程的影响 - m6A的甲基化状态可能影响了加工因子在细胞内的动态变化过程 - m6A对翻译过程的影响 **非编码RNA对真核基因表达的调控** 分类 - 小分子非编码RNA 基因沉默---调控基因表达 - 干扰小RNA（siRNA） - 微RNA（miRNA） - 长链非编码RNA（lncRNA）
      • <strong>小分子非编码RNA</strong>
        • 1.**干扰小RNA（siRNA）** RNA干扰（RNAi） 进化过程中高度保守的、由**双链RNA（double-stranded RNA，dsRNA）诱发的**、**同源mRNA高效特异性降解**的现象。统一将介导这种沉默现象的小片段RNA称为干扰小RNA **siRNA的合成**❤ - ***Dicer酶切割***形成双链小片段 - Dicer酶是一类RNaseIII蛋白，主要包括一对RNAaseIII结构域、双链RNA结合域、解旋酶结构域和**PAZ结构域**（结合双链RNA的两个3'不配对核苷酸，两个RNaseIII结构域形成分子内二聚体结构，各催化剪接一条链，产生双链断裂） - 切割产生21~23个核苷酸的siRNA - ***组装复合物*** - siRNA的装载需要双链RNA结合蛋白R2D2的帮助 - R2D2常结合在引导连3'端一侧 - Dicer和R2D2形成异源二聚体，**Dicer/R2D2/siRNA三者形成RISC装载复合物** - R2D2招募Argonaute蛋白，开始组装RISC - 形成有***活性的沉默复合物***（RISC的装配和成熟） - Argonaute与Dicer互作，先与Dicer交换，结合到siRNA双链的一端，再与R2D2交换，将整个小RNA转载到Argonaute中。此时，Argonaute将乘客全部降解，形成有功能的沉默复合物。 **siRNA介导的基因沉默机制** - siRNA介导的基因沉默主要发生在两个水平上：转录后水平的mRNA的降解；染色体水平上形成异染色质 - siRNA街道的mRNA的降解需要Mg2+的帮助 - - RNA依赖的RNA聚合酶使siRNA继续扩增，产生次级siRNA放大效应 - 对于结合蛋白完好的mRNA，如果体内有与与它相配对的siRNA，该siRNA便作为扩增的引物以mRNA为模板合成双链RNA，产生新的RISC，新扩增产生的各种次级siRNA可以与靶mRNA的不同区域配对，更大范围地降解mRNA **siRNA的生物学意义**★ - 在转录水平、转录后水平参与基因表达调控 - 维持基因组稳定 - 保护基因组免受外援核酸侵入 宿主可以以病毒RNA为模板，通过RDRP合成病毒合成病毒的双链RNA，经过Dicer酶切割组装形成RISC，降解病毒RNA，从而抑制病毒对宿主细胞的破坏。这样的siRNA还可通过胞间连丝在细胞间传递，让这些细胞及组织提前具有抵抗病毒的能力。 **2.miRNA**★ - miRNA的生物合成 - miRNA在动植物基因组中普遍存在，是一类重要的行驶基因功能但不编码蛋白质的基因 - 先由RNA聚合酶II产生的较长的初级转录产物pre-mRNA,中间有一端不完美配对的茎环结构 - pre-mRNA经第二步切割产生双链miRNA，双链解链形成成熟的21个核苷酸左右的单链miRNA - 动物中miRNA前体的两次切割都需要RNaseIII（Drosha）核酸内切酶及双链RNA结合蛋白完成； 植物中没有Drosha同源基因，pre-miRNA两步切割由Dicer同源基因Dicer-Like1（DCL1）完成 - miRNA**的功能** - 装载成RISC后使互补配对的mRNA降解 - 抑制mRNA的翻译，降低靶基因蛋白质水平但不影响mRNA水平
      • <strong>长链非编码RNA</strong>
        • 1.分类（根据基因组位点或相关DNA链特征） - 正义lncRNA 通过共享相同的启动子和某个蛋白质编码基因有重叠 - 反义lncRNA 基因位点以反方向的方式插入在某个已知的蛋白质编码基因中 - 基因内lncRNA 基因位于某个蛋白编码基因的内含子中 - 基因间lncRNA 编码lncRNA的基因位于两个蛋白编码的基因中 - 增强子lncRNA 编码lncRNA的基因位于某一蛋白编码基因的增强子区域 - 环状lncRNA 形成共价闭合的环状lncRNA 2.lncRNA的作用机制 - 作为信号分子行使功能 - 作为诱饵分子行使功能 - 作为引导分子行使功能 - 作为骨架分子行使功能
    • 翻译水平的调节
      • - mRNA的稳定性和选择性翻译 - 对可溶性蛋白质因子的修饰 - 对mRNA稳定性的调节 - 反义RNA对翻译水平的调控
    • 翻译后水平的调节
      • - 切割 - 化学修饰 - **蛋白质的磷酸化与去磷酸化（细胞信号转导）**❤ - **蛋白质乙酰化❤** - 连接 1. 正性调节占主导 2. 转录与翻译间隔进行