基因表達(dá)調(diào)控的概念及原理
1．基因表達(dá)調(diào)控的概念
來自一個(gè)遺傳體系的一整套遺傳信息稱基因組。人類基因組含約3萬一4萬個(gè)基因。但在一定時(shí)期，只有一部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。
基因表達(dá)就是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程。在一定調(diào)控機(jī)制下，大多數(shù)基因經(jīng)歷“激活一轉(zhuǎn)錄一翻譯一產(chǎn)生蛋白質(zhì)”的過程。但并非所有基因表達(dá)都產(chǎn)生蛋白質(zhì)。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA的過程也屬于基因表達(dá)，但不產(chǎn)生蛋白質(zhì)。
2．基因表達(dá)的規(guī)律性——時(shí)間特異性和空間特異性
(1)時(shí)間特異性指某一特定基因表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性。
(2)空間特異性指多細(xì)胞生物同一基因在不同的組織器官的表達(dá)多少不同，或同一生長階段，不同的基因表達(dá)產(chǎn)物在不同組織、器官分布也不相同。也稱細(xì)胞特異性或組織特異性。 基因表達(dá)的時(shí)間、空間特異性由特異基因的啟動(dòng)子(序列)和(或)增強(qiáng)子與調(diào)節(jié)蛋白相互作用決定。
3．基因表達(dá)的方式
基因表達(dá)的方式分基本表達(dá)(組成性表達(dá))和誘導(dǎo)／阻謁。
管家基因
可誘導(dǎo)或可阻遏基因
定義
在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)
是受特定環(huán)境信號(hào)刺激后表達(dá)
環(huán)境影響
較少受環(huán)境變化的影響
易受環(huán)境變化的影響
表達(dá)方式
持續(xù)表達(dá)，或變化很小
基因表達(dá)產(chǎn)物水平增高(誘導(dǎo))或降低(阻謁)
影響因素
只受啟動(dòng)程序／啟動(dòng)子與RNA—pol作用的影響不受其他機(jī)制的調(diào)節(jié)
除受啟動(dòng)程序／啟動(dòng)子與RNA-pol作用影響外，還受其他機(jī)制的調(diào)節(jié)
舉例
三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶的編碼基因
DNA損傷時(shí)的修復(fù)酶基因、乳糖操縱子機(jī)制
【例l】2003N030A有些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，這類基因稱為 A．可誘導(dǎo)基因
B．可阻遏基因
C．操縱基因
D．啟動(dòng)基因
E．管家基因
【例2】2002N029A下列關(guān)于“基因表達(dá)”概念的敘述，錯(cuò)誤的是
A．基因表達(dá)具有組織特異性
B．基因表達(dá)具有階段特異性
C．基因表達(dá)均經(jīng)歷基因轉(zhuǎn)錄及翻譯過程
D．某些基因表達(dá)產(chǎn)物是蛋白質(zhì)分子
E．有些基因表達(dá)水平受環(huán)境變化影響
4．基因表達(dá)調(diào)控的基本原理
(1)基因表達(dá)的多層次性和復(fù)雜性
理論上講，改變遺傳信息傳遞過程的任何環(huán)節(jié)均會(huì)導(dǎo)致基因表達(dá)的變化。因此基因表達(dá)調(diào)控可發(fā)生在從 DNA→RNA→蛋白質(zhì)合成的任何環(huán)節(jié)，但發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，尤其是轉(zhuǎn)錄起始水平的調(diào)節(jié)對(duì)基因表達(dá)起至關(guān)重要的作用，即轉(zhuǎn)錄起始是基因表達(dá)的基本控制點(diǎn)(如下圖所示)：
基因結(jié)構(gòu)活化一轉(zhuǎn)錄起始一轉(zhuǎn)錄后加工和轉(zhuǎn)運(yùn)一翻譯及翻譯后加工等調(diào)控點(diǎn)。
(2)基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素
基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)與下列要素有關(guān)：特異DNA序列、調(diào)節(jié)蛋白、DNA－蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、 RNA聚合酶。
原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控
真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控
主要調(diào)控機(jī)制——操縱子
順式作用元件
共有序列——Pribnow盒
TATA盒、CCAAT盒
特異DNA序列
啟動(dòng)序列(正性調(diào)節(jié))
啟動(dòng)子(正性調(diào)節(jié))
操縱序列(負(fù)性調(diào)節(jié))
沉默子(負(fù)性調(diào)節(jié))
激活序列(正性調(diào)節(jié))
增強(qiáng)子(正性調(diào)節(jié))
調(diào)節(jié)蛋白
特異因子(正／負(fù)性調(diào)節(jié))
阻遏蛋白(負(fù)性調(diào)節(jié))
激活蛋白(正性調(diào)節(jié))
順式作用蛋白(JE／負(fù)性調(diào)節(jié))
反式作用蛋白(正／負(fù)性調(diào)節(jié))
相互作用
DNA－蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用
DNA－蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)．蛋白質(zhì)相互作用
啟動(dòng)序列通過影響RNA-pol的親和力，來影響轉(zhuǎn)錄起動(dòng)的頻率
①同原核生物
②還與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子有關(guān)
懣M聚合酶
誘導(dǎo)劑、阻遏劑通過調(diào)節(jié)蛋白分子構(gòu)象， 直接或間接調(diào)節(jié)RNA-pol轉(zhuǎn)錄起動(dòng)過程
特異調(diào)節(jié)蛋白在環(huán)境信號(hào)刺激下，通過
DNA－蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)．蛋白質(zhì)相互作用影響RNA－pol活性，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄頻率
參考答案：1．E 2．C
1．基因表達(dá)調(diào)控的概念
來自一個(gè)遺傳體系的一整套遺傳信息稱基因組。人類基因組含約3萬一4萬個(gè)基因。但在一定時(shí)期，只有一部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。
基因表達(dá)就是基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程。在一定調(diào)控機(jī)制下，大多數(shù)基因經(jīng)歷“激活一轉(zhuǎn)錄一翻譯一產(chǎn)生蛋白質(zhì)”的過程。但并非所有基因表達(dá)都產(chǎn)生蛋白質(zhì)。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA的過程也屬于基因表達(dá)，但不產(chǎn)生蛋白質(zhì)。
2．基因表達(dá)的規(guī)律性——時(shí)間特異性和空間特異性
(1)時(shí)間特異性指某一特定基因表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性。
(2)空間特異性指多細(xì)胞生物同一基因在不同的組織器官的表達(dá)多少不同，或同一生長階段，不同的基因表達(dá)產(chǎn)物在不同組織、器官分布也不相同。也稱細(xì)胞特異性或組織特異性。 基因表達(dá)的時(shí)間、空間特異性由特異基因的啟動(dòng)子(序列)和(或)增強(qiáng)子與調(diào)節(jié)蛋白相互作用決定。
3．基因表達(dá)的方式
基因表達(dá)的方式分基本表達(dá)(組成性表達(dá))和誘導(dǎo)／阻謁。
管家基因
可誘導(dǎo)或可阻遏基因
定義
在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)
是受特定環(huán)境信號(hào)刺激后表達(dá)
環(huán)境影響
較少受環(huán)境變化的影響
易受環(huán)境變化的影響
表達(dá)方式
持續(xù)表達(dá)，或變化很小
基因表達(dá)產(chǎn)物水平增高(誘導(dǎo))或降低(阻謁)
影響因素
只受啟動(dòng)程序／啟動(dòng)子與RNA—pol作用的影響不受其他機(jī)制的調(diào)節(jié)
除受啟動(dòng)程序／啟動(dòng)子與RNA-pol作用影響外，還受其他機(jī)制的調(diào)節(jié)
舉例
三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶的編碼基因
DNA損傷時(shí)的修復(fù)酶基因、乳糖操縱子機(jī)制
【例l】2003N030A有些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，這類基因稱為 A．可誘導(dǎo)基因
B．可阻遏基因
C．操縱基因
D．啟動(dòng)基因
E．管家基因
【例2】2002N029A下列關(guān)于“基因表達(dá)”概念的敘述，錯(cuò)誤的是
A．基因表達(dá)具有組織特異性
B．基因表達(dá)具有階段特異性
C．基因表達(dá)均經(jīng)歷基因轉(zhuǎn)錄及翻譯過程
D．某些基因表達(dá)產(chǎn)物是蛋白質(zhì)分子
E．有些基因表達(dá)水平受環(huán)境變化影響
4．基因表達(dá)調(diào)控的基本原理
(1)基因表達(dá)的多層次性和復(fù)雜性
理論上講，改變遺傳信息傳遞過程的任何環(huán)節(jié)均會(huì)導(dǎo)致基因表達(dá)的變化。因此基因表達(dá)調(diào)控可發(fā)生在從 DNA→RNA→蛋白質(zhì)合成的任何環(huán)節(jié)，但發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，尤其是轉(zhuǎn)錄起始水平的調(diào)節(jié)對(duì)基因表達(dá)起至關(guān)重要的作用，即轉(zhuǎn)錄起始是基因表達(dá)的基本控制點(diǎn)(如下圖所示)：
基因結(jié)構(gòu)活化一轉(zhuǎn)錄起始一轉(zhuǎn)錄后加工和轉(zhuǎn)運(yùn)一翻譯及翻譯后加工等調(diào)控點(diǎn)。
(2)基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)的基本要素
基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)與下列要素有關(guān)：特異DNA序列、調(diào)節(jié)蛋白、DNA－蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用、 RNA聚合酶。
原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控
真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控
主要調(diào)控機(jī)制——操縱子
順式作用元件
共有序列——Pribnow盒
TATA盒、CCAAT盒
特異DNA序列
啟動(dòng)序列(正性調(diào)節(jié))
啟動(dòng)子(正性調(diào)節(jié))
操縱序列(負(fù)性調(diào)節(jié))
沉默子(負(fù)性調(diào)節(jié))
激活序列(正性調(diào)節(jié))
增強(qiáng)子(正性調(diào)節(jié))
調(diào)節(jié)蛋白
特異因子(正／負(fù)性調(diào)節(jié))
阻遏蛋白(負(fù)性調(diào)節(jié))
激活蛋白(正性調(diào)節(jié))
順式作用蛋白(JE／負(fù)性調(diào)節(jié))
反式作用蛋白(正／負(fù)性調(diào)節(jié))
相互作用
DNA－蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用
DNA－蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)．蛋白質(zhì)相互作用
啟動(dòng)序列通過影響RNA-pol的親和力，來影響轉(zhuǎn)錄起動(dòng)的頻率
①同原核生物
②還與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子有關(guān)
懣M聚合酶
誘導(dǎo)劑、阻遏劑通過調(diào)節(jié)蛋白分子構(gòu)象， 直接或間接調(diào)節(jié)RNA-pol轉(zhuǎn)錄起動(dòng)過程
特異調(diào)節(jié)蛋白在環(huán)境信號(hào)刺激下，通過
DNA－蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)．蛋白質(zhì)相互作用影響RNA－pol活性，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄頻率
參考答案：1．E 2．C