基因表达调控
基因表达调控·
由OPUS-4.8生成
基因的选择性表达是细胞特异性的基础·
- 基因表达（gene expression）
基因通过 转录和翻译 产生蛋白质（或酶），或转录后直接产生 RNA 产物（如 rRNA、tRNA）的过程。对其的调节称 基因调控（gene regulation）。早期观察：酵母在含乳糖培养基上出现分解乳糖的酶，移到无乳糖培养基后酶消失——并非基因消失，而是 有乳糖时相应基因才行使功能。
- 调控的意义
原核：改变代谢方式以适应环境。多细胞生物：实现 细胞分化、形态发生、个体发育。
相同遗传信息的细胞因 表达特定基因 而具结构功能特异性（如胰岛素只在胰腺细胞合成、血红蛋白只在红细胞前体表达）。 - "开-关"机制
系统在需要时打开、不需要时关闭，通过 调节转录（mRNA 合成） 实现。"off"状态仍可能有难以检测的 本底水平 表达。
- 调控层次
主要发生在 转录水平（transcriptional regulation） 和 翻译水平（translation regulation）。
转录水平是关键环节（遗传信息表达首先涉及转录，原核生物转录翻译几乎同时进行，故转录调节更重要）。
原核生物的基因表达调控——大肠杆菌乳糖操纵子模型·
- 两类酶
诱导酶（inducible enzyme）：只在特定物质/诱导物（inducer） 存在时才产生。组成酶（constitutive enzyme）：与化学环境无关，持续合成。
- 操纵子（operon）
由功能相关的几个 结构基因 和 控制区（启动子 + 操纵基因）组成。只存在于原核生物。
Jacob 与 Monod（1960—1961）提出 乳糖操纵子模型（Lac operon model）。
乳糖操纵子的组成·
- 结构基因（structural gene）
编码蛋白质/酶或 RNA 的基因。乳糖代谢中3个连锁基因按 Z、Y、A 顺序 排列：
- lacZ：β-半乳糖苷酶
- lacY：β-半乳糖苷透性酶
- lacA：β-半乳糖苷乙酰基转移酶（功能尚不清楚）只有乳糖存在时才迅速转录翻译，属 诱导酶（诱导物诱导下重新合成，非激活已有酶）。
- 调节基因（regulator gene, R）
编码 阻遏蛋白（repressor protein），通常在受调节基因上游，通过与 DNA 特定位点结合控制转录。
- 启动子（promoter, P）：标志转录起始位点，RNA 聚合酶 在此与 DNA 接触并开始转录。
- 操纵基因（operator, O）：不编码蛋白，仅约26bp，是 阻遏蛋白的结合部位，决定 RNA 聚合酶能否接触启动子。
工作原理·
- 无乳糖时——关闭
调节基因产生 有活性的阻遏蛋白（变构蛋白），结合到操纵基因上 → RNA 聚合酶无法与启动子结合 → 结构基因不转录 → 3种酶不产生。
- 有乳糖时——开启
乳糖与阻遏蛋白结合 → 阻遏蛋白 改变构象、失活 → 脱离操纵基因 → RNA 聚合酶结合启动子 → 结构基因转录出 mRNA → 翻译成3种酶。
- 乳糖耗尽
阻遏蛋白恢复构象 → 重新结合操纵基因 → 结构基因停止转录，3种酶停止产生。
核心：酶的诱导和阻遏通过 调节基因的产物（阻遏蛋白）作用于操纵基因，控制结构基因的转录 而实现。
真核生物的基因表达调控·
不同细胞有特异的基因表达方式·
真核细胞特异性源于 表达特定基因，细胞分化是选择性基因表达的结果。
- 例：糖酵解酶基因（维持基本生命活动）在多种细胞均表达；胰岛素基因只在胰腺分泌细胞表达；成熟晶状体细胞频繁表达晶状体蛋白后 失去细胞核和几乎全部基因；血红蛋白基因只在红细胞前体表达。
DNA 的包装影响基因的表达·
人46条染色体相连约3m长，须多层次折叠压缩才能装入 5μm 的核。
- 核小体（nucleosome）
真核染色体的 基本结构单位，由 DNA 缠绕 8个组蛋白 构成，形如"念珠"。可能通过 阻止转录相关酶接近 DNA 来调节基因表达。
- 包装层次
DNA双螺旋 → 核小体串（念珠状）→ 高度螺旋丝状结构 → 约200nm超螺旋 → 进一步折叠缠绕 → 染色体。
- 异染色质与常染色质
异染色质（如着丝粒区）螺旋化程度高、更致密；基因活跃转录在 常染色质 上进行，转录前染色质在特定区域 解螺旋变疏松。
- 胀泡（puff）
果蝇多线染色体带纹区在基因活跃转录时纤维解浓缩、伸展成环、局部膨大形成胀泡，是基因正在转录的活跃区域，成为基因开关的信号。
异染色质化与基因的表达失活·
雌性哺乳动物在 胚胎发育早期，两条 X 染色体中一条随机失活，并随细胞分裂传给子代细胞（失活 X 上有部分逃避失活的基因，故为 部分失活）。
- 玳瑁猫实例
黄色基因 Y（显性）与黑色 y 由 X 携带。杂合雌猫（$XYXy$）体细胞中 X 随机失活：$X^y$ 失活的细胞表达 Y → 黄色斑块；$X^Y$ 失活的细胞表达 y → 黑色斑块。
父方或母方 X 失活随机 → 黄黑毛色随机嵌合。
蛋白质组装启动真核细胞的转录·
真核转录调控 比原核复杂，也靠调节蛋白与 DNA 结合来开关基因。
- 调控序列
启动子（P）：决定 RNA 聚合酶转录起始位点，紧挨基因。增强子（enhancer）：增强转录的调节序列，离基因较远。沉默子（silencer）：作用相反，降低转录活性。
- 调节蛋白
转录因子（transcription factor）：开启转录，含 激活剂（activator） 等；阻遏物 结合沉默子抑制转录。
- 启动过程
激活因子结合增强子 → DNA 弯曲 → 激活剂与其他转录因子相互作用一同结合启动子形成复合体 → 利于 RNA 聚合酶正确连接启动子 → 转录起始。
共用增强子的相关酶基因可 同时活化。
真核细胞的 RNA 转录后加工·
- 断裂基因（split gene）
编码序列被非编码区隔开。内含子（intron）：非编码区；外显子（exon）：能翻译成蛋白的编码区。断裂基因由外显子和内含子交替构成。
RNA-DNA 杂交在电镜下，内含子处形成 不能配对的单链环，环大小反映内含子大小。 - RNA 剪接（RNA splicing）
RNA 离核前，将 hnRNA 中的 内含子切除，把外显子相连成有连续编码区的成熟 mRNA。tRNA、rRNA 也经历剪接。
可变剪接：同一转录物经不同剪接方式产生不同 mRNA，翻译出不同蛋白质。 - 初始转录物（pre-mRNA / hnRNA）
含全部外显子和内含子的 mRNA 前体，在核内不均一，称 不均一核 RNA（hnRNA）。
- 加帽与加尾
3′端加 polyA"尾"（50~200个腺苷酸）；5′端加 7-甲基鸟苷三磷酸"帽"（m⁷Gppp）。帽和尾 保护 RNA 免受酶攻击、参与合成调控、为核糖体识别提供信号，但不被翻译。
RNA 剪接是基因表达调控的重要环节，是真核生物精确调控的重要方式之一。
发育是在基因调控下进行的·
果蝇是研究发育的理想模式生物·
- 关键概念
异位表达（ectopic expression）：基因在原本不表达的细胞中表达（时空模式改变）。图式形成（pattern formation）：控制胚胎细胞在正确空间位置形成特定结构。
位置信息（positional information）：受精前卵细胞质中已存在前后轴、背腹轴决定因子，受精后由基因决定的位置信息越来越精细。 - 果蝇体节
头（复眼、单眼、触角）、胸（3体节：胸1有腿，胸2有腿和翅，胸3有腿和平衡棒）、腹（8体节 + 生殖节）。有前后轴、背腹轴之分。
控制果蝇发育的一些基因也存在于包括人类在内的许多生物中。
基因在果蝇胚胎前后轴发育中的作用·
早期发育靠 分层次的基因表达级联反应 + 细胞间信号传递 决定头尾。
- 过程（卵细胞与滤泡细胞的信号往返）
①卵细胞活化基因编码信号分子 → 滤泡细胞；②滤泡细胞开启基因、信号传回卵细胞；③卵细胞形成定向微管，滋养细胞（nurse cell） 分泌 mRNA——"头"mRNA 定位一端（前端），"尾"mRNA 定位另一端 → 确立前后轴（前后轴确立使背腹轴成为可能）；④受精分裂后，"头"mRNA 翻译的 BICOID 蛋白 在头部聚集，密度向尾端递减 形成浓度梯度（位置信息）；⑤启动 分节基因（segmentation gene）；⑥确定体节数目和基本图式；⑦经幼虫发育为成虫，成虫体节与胚胎体节一一对应。
- 母体效应基因（maternal effect gene）——bicoid
在滋养细胞表达产生"头"mRNA，经胞质桥进入卵细胞。
“bicoid"意为"两个尾巴”：突变纯合雌体胚胎表现为尾-腹-尾结构，缺少头部和胸部，证实 bicoid 产物在确立位置信息、胚胎极性形成中的重要作用。
基因在果蝇器官形成中的作用·
- 同源异形突变（homeotic mutation）
器官异位表达，如 触角足突变（长触角处长出腿）、超双胸突变（第3体节平衡棒被翅代替）。使器官异位表达的基因即确定体节器官结构的基因，称 同源异形基因（homeotic gene）。
- 分节基因（segmentation gene）
受母体效应基因产物调控，将浓度梯度信息沿前后轴转化为周期性重复结构、确立体节划分。分3类：裂隙基因、成对规则基因、体节极性基因。
- 两大同源异形基因复合体（果蝇第3染色体）
触角足复合体（Antp-C）：5个基因，指令前部胸节和头部体节发育（突变→触角处长腿）。
双胸复合体（Bx-C）：3个基因，控制后部胸节和腹节发育（其中 Ubx 突变→平衡棒被翅代替）。
同源异形基因在染色体上的排列顺序与体节结构的空间表达顺序相对应。 - 同源异形框（homeobox）
每种同源异形基因共有的 180个核苷酸保守序列，编码 60个氨基酸 的多肽片段。
在酵母、植物、昆虫、线虫、鱼、蛙、鸟、哺乳类和人类中普遍存在，且果蝇与小鼠的同源异形基因 排列顺序相同、与身体区域顺序对应。
暗示其原始版本在生命史早期出现且长期保守，体现"多样性中存在统一性"。
果蝇个体发育是连续过程：每个基因产物作为转录因子启动下一基因，级联反应越来越精确，使躯体规划（body plan）逐步显现。