真核生物的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制

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1、一、真核基因組的復(fù)雜性與原核生物比較，真核生物的基因組更為復(fù)雜，可列舉如下。1.真核基因組比原核基因組大得多，大腸桿菌基因組約4×106bp，哺乳類基因組在109bp數(shù)量級(jí)，比細(xì)菌大千倍；大腸桿菌約有4000個(gè)基因，人則約有10萬(wàn)個(gè)基因。2.真核生物主要的遺傳物質(zhì)與組蛋白等構(gòu)成染色質(zhì)，被包裹在核膜內(nèi)，核外還有遺傳成分(如線粒體DNA等)，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次和復(fù)雜性。3.原核生物的基因組基本上是單倍體，而真核基因組是二倍體。4.如前所述，細(xì)菌多數(shù)基因按功能相關(guān)成串排列，組成操縱元的基因表達(dá)調(diào)控的單元，共同開啟或關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄出多順反子(polycist

2、ron)的mRNA；真核生物則是一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子(monocistron)，基本上沒有操縱元的結(jié)構(gòu)，而真核細(xì)胞的許多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亞基構(gòu)成的，這就涉及到多個(gè)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題，真核生物基因協(xié)調(diào)表達(dá)要比原核生物復(fù)雜得多。5.原核基因組的大部分序列都為基因編碼，而核酸雜交等實(shí)驗(yàn)表明：哺乳類基因組中僅約10%的序列為蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等編碼，其余約90%的序列功能至今還不清楚。6.原核生物的基因?yàn)榈鞍踪|(zhì)編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的，而真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子(exon

3、)和內(nèi)含子(intron)，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)剪接(splicing)去除內(nèi)含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質(zhì)，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)。7.原核基因組中除rRNA、tRNA基因有多個(gè)拷貝外，重復(fù)序列不多。哺乳動(dòng)物基因組中則存在大量重復(fù)序列(repetitivesequences)。用復(fù)性動(dòng)力學(xué)等實(shí)驗(yàn)表明有三類重復(fù)序列：1）高度重復(fù)序列(highlyrepetitivesequences)，這類序列一般較短，長(zhǎng)10－300bp，在哺乳類基因組中重復(fù)106次左右，占基因組DNA序列總量的10－60%，人的基因組中這類序列約占20%，功能還不明了。2）中度重復(fù)序列(m

4、oderatelyrepetitivesequences)，這類序列多數(shù)長(zhǎng)100－500bp，重復(fù)101－105次，占基因組10-40%。例如哺乳類中含量最多的一種稱為Alu的序列，長(zhǎng)約300bp，在哺乳類不同種屬間相似，在基因組中重復(fù)3×105次，在人的基因組中約占7%，功能也還不很清楚。在人的基因組中18S/28SrRNA基因重復(fù)280次，5SrRNA基因重復(fù)2000次，tRNA基因重復(fù)1300次，5種組蛋白的基因串連成簇重復(fù)30-40次，這些基因都可歸入中度重復(fù)序列范圍。3）單拷貝序列(singlecopysequences)。這類序列基本上不重復(fù)，

5、占哺乳類基因組的50-80%，在人基因組中約占65%。絕大多數(shù)真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因在單倍體基因組中都不重復(fù)，是單拷貝的基因。從上述可見真核基因組比原核基因組復(fù)雜得多，至今人類對(duì)真核基因組的認(rèn)識(shí)還很有限，使現(xiàn)在國(guó)際上制訂的人基因組研究計(jì)劃(humangeneproject)完成，繪出人全部基因的染色體定位圖，測(cè)出人基因組109bp全部DNA序列后，要搞清楚人全部基因的功能及其相互關(guān)系，特別是要明了基因表達(dá)調(diào)控的全部規(guī)律，還需要經(jīng)歷很長(zhǎng)期艱巨的研究過程。二、真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)盡管我們現(xiàn)在對(duì)真核基因表達(dá)調(diào)控知道還不多，但與原核生物比較它具有一些明顯的特

6、點(diǎn)。（一）真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多如前所述，基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個(gè)過程。同原核生物一樣，轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核(線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在線粒體內(nèi))，翻譯則多在胞漿，兩個(gè)過程是分開的，因此其調(diào)控增加了更多的環(huán)節(jié)和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控占有了更多的分量。右圖總結(jié)了以前章節(jié)敘述過的基因表達(dá)過程，并作了一些新補(bǔ)充。圖中標(biāo)出了真核細(xì)胞在分化過程中會(huì)發(fā)生基因重排(generearrangement)，即胚原性基因組中某些基因會(huì)再組合變化形成第二級(jí)基因。例如編碼完整抗體蛋白的基因是在淋巴細(xì)胞分化

7、發(fā)育過程中，由原來分開的幾百個(gè)不同的可變區(qū)基因經(jīng)選擇、組合、變化，與恒定區(qū)基因一起構(gòu)成穩(wěn)定的、為特定的完整抗體蛋白編碼的可表達(dá)的基因。這種基因重排使細(xì)胞可能利用幾百個(gè)抗體基因的片段，組合變化而產(chǎn)生能編碼達(dá)108種不同抗體的基因，其中就有復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理。此外，真核細(xì)胞中還會(huì)發(fā)生基因擴(kuò)增(geneamplification)，即基因組中的特定段落在某些情況下會(huì)復(fù)制產(chǎn)生許多拷貝。最早發(fā)現(xiàn)的是蛙的成熟卵細(xì)胞在受精后的發(fā)育過程中其rRNA基因(可稱為rDNA)可擴(kuò)增2000倍，以后發(fā)現(xiàn)其他動(dòng)物的卵細(xì)胞也有同樣的情況，這很顯然適合了受精后迅速發(fā)育分裂要合成大量

8、蛋白質(zhì)，需要有大量核糖體。又如MTX(methotrexate)是