原核生物与真核生物基因表达的区别Word格式.docx

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端的序列决定的。

（为什么是有其决定？

？

）

真核生物基因表达调控过程与原核生物的不同之处

因2010-8-2909:

12

1真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续的，由于转录时内含子和外显子是一起转录的，因而转录产生的信使RNA必须经加工，将内含子转录部分剪切掉，将外显子转录部分拼接起来，才能成为成熟的RNAo

2真核生物有细胞核，核膜将核质与细胞质隔开，因此，转录在细胞核中进行，翻译在细胞质中进行。

可见其转录和翻译具有时间和空间上的分隔。

3真核生物大多是多细胞生物，个体发育过程中要发生细胞分化。

分化是不同的基因特异性表达的结果。

细胞中关闭或开启某些基因，都是在严格调控作用下进行的。

基因的这种特异性表达的调控机制也是真核生物所特有的。

图3-14真核生物基因表达过程示意图

真核生物基因表达调控的过程与原核生物有许多共同之处。

例如，在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样存在着许多不同的调控序列，真核生物通过特异性蛋白与某些调控序列的结合与否，来调控基因的转录。

但是，真核生物基因表达调控与。

原核生物也有许多不同之处。

例如，真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续的，由于转录时内含子和外显子是一起转录的，因而转录产生的信使RNA必须经过加工，将内含子转录部分剪切掉，将外显子转录部分拼接起来，才能成为有功能的成熟的信使RNA而原核生物的基因由于不含有外显子和内含子，因此，转录产生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工过程。

再有，原核生物基因的转录和翻译通常是在同一时间同一地点进行的，即在转录未完成之前翻译便开始进行。

如大肠杆菌乳糖分解代谢过程中，三个结构基因的转录和翻译就是同时在细胞质中进行的。

真核生物由于有细胞核，核膜将核质与细胞质分隔开来，因此，转录是在细胞核中进行的，翻译则是在细胞质中进行的。

可见。

真核生物基因的转录和翻译具有时间和空间上的分隔。

上述真核生物基因转录后的剪切、拼接和转移等过程，都需要有调控序列的调控，这种调控作用是原核生物所没有的。

真核生物的基因表达过程与原核生物的基因在时空上不同，因而真核生

物的基因在原核生物内表达可能出现问题。

这是什么意思啊？

一是时间：

原核细胞转录和翻译偶联，转录和翻译几乎同时进行。

真核细胞原初转录物不能翻译，需要进行后加工才能翻译。

二者在转录与翻译的时间上分离。

二是空间：

原核细胞转录和翻译几乎都在拟核区进行，没有明显空间上的区分真核细胞转录在核内进行，翻译在胞质进行。

二者转录和翻译在空间上隔离。

以上两点统称：

真核生物的基因表达过程与原核生物的基因在时空上不同。

第二节真核生物基因表达的调控

原核生物操纵元调控中的一些原理也存在于真核生物基因表达中，但是，多细胞真核生物的形态、结构、功能和生长发育过程要比原核生物复杂得多，具有精确的发育程序和大量分化的特殊细胞群，因此它需要更为多样化的调控机制。

首先，高等真核生物的基因组远比细菌基因组大，包含的DNA量和遗传信息也多得多。

例如，根据已测定的基因组全部序列，E.coli有4.6>

106bp,可编码

4288个基因，每个基因含有约1100bpo这个基因长度与已全部测序的8个原核生物相似。

真核生物啤酒酵母有1.2>

07bp,可编码5885个基因，每个基因含约2000bp。

在高等植物中，据对拟南芥菜第4染色体长臂的一段长为1.9>

06bp的DNA片段全序列测定，这段DNA可编码389个基因，每个基因有4800bp。

这些结果说明，高等生物基因组中有很多重复序列。

据分析，人类基因组有3X109bp,编码蛋白质的基因约为3.5万个。

其余的都是重复序列。

高等植物不同物种的基因组大小差别很大，如拟南芥有1X108bp，水稻有4.3X08bp，小麦则有

1.6X010bp。

高等植物的基因组中很多是重复序列，尤其是象小麦这类DNA含量高的大基因组，重复序列比例更大。

很多重复序列与调控作用有关。

例如，拟南芥的重复序列在转基因烟草中具有基因表达增强子的作用。

其次，真核生物的DNA与组蛋白等结合形成染色质，染色质结构的变化可以调控基因表达。

真核生物基因表达分散在整个基因组的各个染色体上，而不象细菌那样全部基因串连在一起。

所以真核生物不仅存在同一染色体上不同基因间的调控问题，而且还存在不同染色体之间的基因调控问题。

第三，在真核生物中，不同组织的细胞在功能上是高度分化的。

大多数真核生物都是多细胞的复杂有机体，在个体发育过程中，由一个受精卵经过一系列的细胞分裂和分化形成不同类型的细胞和组织。

分化就是不同基因表达的结果。

在不同的发育阶段和不同类型的细胞中，基因表达在时空上受到严密的调控。

例如，在动物胰脏细胞中不会产生视网膜色素，而在视网膜细胞中也不会产生胰岛素。

真核细胞具有选择性激活和抑制基因表达的机制。

如果基因在错误的时间或细胞中表达、表达不足或过量地表达，都会破坏细胞的正常代谢，甚至导致细胞死亡。

原核生物大多是单细胞的，在相同的环境条件下，同一群体的细胞对环境的变化具有基本相同的反应，基因的表达基本一致。

但是在相同的环境条件下，多细胞真核生物体内的不同细胞的反应则全然不同，只有部分或很少一部分细胞的基因表达直接受到环境条件变化的影响，其余细胞中的基因表达只是间接受到影响或者基本不受影响。

这就保证了真核生物的一些主要组织和器官在千变万化的环境条件下能够维持正常功能。

第四，真核生物细胞的转录和翻译在时间和空间上是分隔的。

真核生物具有由核膜包被的细胞核，基因的转录和翻译分别在细胞核和细胞质中进行。

因此，转录的RNA还必须经过加工以及从细胞核中运输到细胞质中才能行使功能，而且，相对于原核生物来说，mRNA的寿命比较长。

这就为翻译

水平的调控提供了方便。

真核生物基因表达可以在多个层次上进行调控

综上所述，真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水

平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次（图真核生物基因表达中可能的调控环节）。

但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。

（是因为，attheverybeginning就阻止了，就避免了不必要的

浪费！

!

（一）DNA水平的调控

DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。

这一类的调控机制包括基因的扩增、重排或化学修饰。

其中有些改变是可逆的。

1基因剂量与基因扩增

细胞中有些基因产物的需要量比另一些大得多，细胞保持这种特定比例

的方式之一是基因组中不同基因的剂量不同。

例如，有A、B两个基因，假如他

们的转录、翻译效率相同，若A基因拷贝数比B基因多20倍，则A基因产物也多20倍。

组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型实例。

为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数物种的基因组含有数百个组蛋白基因拷贝。

（基因拷贝数不

同）

基因剂量也可经基因扩增临时增加。

两栖动物如蟾蜍的卵母细胞很大，是正常体细胞的一百倍，需要合成大量核糖体。

核糖体含有rRNA分子，基因组

中的rRNA基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。

所以在卵母细胞发育过程中，rRNA基因数目临时增加了4000倍。

卵母细胞的前体同其他体细胞一样，含有约500个rRNA基因（rDNA。

在基因扩增后，rRNA基因拷贝数高达2X106。

这个数目可使得卵母细胞形成1012个核糖体，以满足胚胎发育早期蛋白质大量合成的需要。

在基因扩增之前，这500个rRNA基因以串联方式排列。

在发生扩增的3周时间里，rDNA不再是一个单一连续DNA片段，而是形成大量小环即复制环，以增加基因拷贝数目。

这种rRNA基因扩增发生在许多生物的卵母细胞发育过程中，包括鱼、昆虫和两栖类动物。

目前对这种基因扩增的机制并不清楚。

在某些情况下，基因扩增发生在异常的细胞中。

例如，人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞繁殖和生长失控。

有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。

2•基因丢失

在一些低等真核生物的细胞分化过程中，有些体细胞可以通过丢失某些基因，从而达到调控基因表达的目的，这是一种极端形式的不可逆的基因调控方式。

如某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育到一定阶段后，许多体细胞常常丢失整条染色体或部分染色体，而只有在将来分化生殖细胞的那些细胞中保留着整套的染色体。

在马蛔虫中，个体发育到一定阶段后，体细胞中的染色体破碎，形成许多小的染色体，其中有些小染色体没有着丝粒，它们因不能在细胞分裂中正常分配而丢失，在将来形成生殖细胞的细胞中不存在染色体破碎现象。

但是，基因丢失现象在高等真核生物中还未发现。

3.DNA重排（基因重排）

基因重排（generearrangement）是指DNA分子中核苷酸序列的重新排列。

这些序列的重排可以形成新的基因，也可以调节基因的表达。

这种重排是由基因组中特定的遗传信息决定的，重排后的基因序列转录成mRNA翻译成蛋白

质。

尽管基因组中的DNA序列重排并不是一种普通方式，但它是有些基因调控的重要机制，在真核生物细胞生长发育中起关键作用。

⑴酵母交配型转换。

啤酒酵母交配型转换是DNA重排的结果。

酵母菌有两种交换型，分别a和a。

单倍体a和a之间配合才能产生二倍体a/a，经减数分裂及产抱过程形成单倍体四分子，其中a和a的抱子的比例为2：

2。

如果单独培养基因型a和a的抱子，由于仅有与亲代相同的交配型基因型，所以形成的抱子之间不能发生交配。

但酵母菌中有一种同宗配合交配类型，其细胞可转换成对应的交配类型，使细胞之间可发生配合。

如图8-18所示。

起始的单倍体抱子（这里是a）发育成一个母细胞及一个芽细胞，芽细胞再长成子细胞。

在下一次分裂后，这个母细胞及新形成的子细胞转换成对应的交配型a,结果是两个a和两个a型细胞。

相对应交配型细胞融合形成a/a二倍体合子（交配）。

再经有丝分裂及产抱过程又形成单倍体抱子。

这种交配型转换的基础是遗传物质的重排。

控制交配型的MA■基因位于酵母菌第3染色体上，MATa和MATt互为等位基因。

含有MATs单倍体细胞为a交配型，具有MATc基因型的细胞为a交配型。

MAT位点的两端，还有类似MATS因的HMLa和HMRa基因，他们分别位于第3染色体左臂和右臂上。

这两个基因分别具有与MAa和MATa相同的序列，但在其基因上游各有一个抑制转录起始的沉默子，所以不表达。

交换型转换是由H0内切核酸酶（HOendonuclease）的作用开始的（图8—19）。

这个内切酶将MATa!

因内的一段24bp的双链DNA切开，另一种核酸外切酶在双链DNA的切口，从5'

到3'

加工产生一段突出的3'

单链尾端序列（约500个核苷酸），MATal因用这一段单链系列插入到MATt基因的同源序列中，以HMla序列为模板，合成一段新的HMla基因序列，再通过重组使HML整合到MATa序列中，导致基因转换，由MATa专换成MATt。

在这个重组过程中，有一段244bp的重组强化子（recombinantenhancer,RE）对重组起顺式调控作用，是基因转换所必须的，RE缺失则不能发生基因转换。

这段RE序列也位于第3染色体左臂上，靠近HMla位点。

MAT®

因编码一种与MCM转录因子互作的调控蛋白，控制其它基因转录。

MATa和MATt基因产物对MCM具有不同的影响，因而表现出不同的等位基因特异表达模式。

在红色面包霉及其它真菌中出现的四分抱子异常比例，也是重

组后产成的基因转换形成的。

（2）动物抗体基因重排

一个正常哺乳动物可产生108以上不同的抗体分子，每一种抗体具有与特定抗原结合的能力。

抗体是蛋白质，每一种特异抗体具有不同的氨基酸序列。

如果抗体的遗传表达是一个基因编码一条多肽链，那么一个哺乳动物就需要108

以上的基因来编码抗体，这个数目至少是整个基因组中基因数目（现在估计人类

基因组中编码蛋白质的基因大概只有30000个左右）的1000倍。

这是不可能实现的！

那么哺乳动物是采用什么机制形成如此众多的不同抗体分子的呢？

首先我们看一下抗体分子的结构（图抗体分子结构）。

抗体包括两条分别约440个氨基酸的重链（heavychain,H）和两条分别约214个氨基酸的轻链（lightchain,L）。

不同抗体分子的差别主要在重链和轻链的氨基端（N端），

故将N端称为变异区（variableregion,V），N端的长度约为110个氨基酸。

不同抗体羧基端（C端）的序列非常相似，称为恒定区（constantregion,C抗体的轻链、重链之间和两条重链之间由二硫键连接，形成一种四链（H2L2结构的免疫球蛋白分子。

在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。

完整的重链基因由VHDJ和C四个基因片断组合而成，完整的轻链基因由VL、J和C三3个片段组合而成。

人的第14号染色体上具有86个重链变异区片段（VH，30个多样区片段（diverse，D），9个连接区片段（jioning,J）以及11个恒定区片段（C）。

轻链基因分为3个片段，变异区（VL）,连接区（J）和恒定区（C）。

人类的轻链分为2型：

k型（Kappa轻链，k）和入型（Lambda轻链，入）。

k轻链基因位于第2号染色体上，入轻链基因位于第22号染色体上。

人类基因组中抗体基因片断

抗体组成

基因座位

所在染色体

基因片断数目

V

D

J

C

重链

IGH

14

86

30

11

Kappa轻链（k）

IGK

2

76

5

1

Lambda轻链（入）

IGL

22

52

7

随着B淋巴细胞的发育，基因组中的抗体基因在DNA水平发生重组，形

成编码抗体的完整基因（图人类抗体重链基因结构）。

在每一个重链分子重排

时，首先V区段与D区段连接，然后与J区段连接，最后与C区段连接，形成一个完整的抗体重链基因。

每一个淋巴细胞中只有一种重排的抗体基因。

轻链的重排方式与重链基本相似（图人类抗体k链基因结构），所不同的是轻链由3个不同的片断组成。

重链和轻链基因重排后转录，再翻译成蛋白质，由二硫键连接，形成抗

体分子。

产生免疫球蛋白分子多样性的遗传控制：

重链和轻链的不同组合，K、入、H;

在重链中，V、DJ和C片段的组合；

K轻链中V和C的组合；

入轻链中V、J和C的组合；

此外，基因片段之间的连接点也可以在几个bp的范围内移动。

因此，可以从约300个抗体基因片段中产生109数量级的免疫球蛋白分子。

4.DNA甲基化和去甲基化

在真核生物DNA分子中，少数胞嘧啶碱基第5碳上的氢可以在甲基化酶的催化下被一个甲基取代，使胞嘧啶甲基化（methylation）。

甲基化多发生在5'

—CG-3'

二核苷酸对上。

有时CG二核苷酸对上的两个C都甲基化，称为完全甲基化，只有一个C甲基化称为半甲基化。

甲基化酶可识别这种半甲基化DNA分子，使另一条链上的胞嘧啶也甲基化。

DNA勺甲基化可以引起基因的失活。

活跃表达的基因都是甲基化不足的基因。

表达活性与甲基化程度呈负相关。

甲基化的程度可以在转录的充分激活和完全阻遏之间起调节作用。

把甲基化和未甲基化的病毒DNA或细胞核基因分别导入活细胞，已甲基化的基因不表达，而未甲基化的能够表达。

在大鼠个体发育过程中，核内DNA甲基化的水平失不断提高的，14d的胚胎肝脏只有8%的rDNA甲基化，18d的胚胎肝脏有30%的rDNA甲基化，而成年大鼠肝组织中rDNA的甲基化程度高达60%。

某些玉米Ac转座因子在没有任何DNA序列变化的情况下，失去了转座酶基因活性，就是因为这个基因的富含CG区域发生了高度甲基化。

经化学处理去甲基化后，又可使转座酶基因活性恢复。

（2）转录水平的调控

持家基因和奢侈基因

在多细胞的高等真核生物中，各种类型的细胞中都有相同的一些基因在表达，这些基因的产物是维持细胞的正常结构、运动、以及参与新成代谢等生命

活动所必须的，由于它们的功能对于每一个细胞来说都是必不可少的，所以将这些基因称为持家基因（housekeepinggene）。

如组蛋白基因、核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶基因等。

在哺乳动物中，持家基因大约有10000个左右。

另一类基因是组织特异性基因（tissue-specificgene）,又称为奢侈基因（luxurygene）。

这类基因与细胞的特定功能有关，是在各种组织中选择性表达的基因。

如表皮的角蛋白基因、肌细胞中的肌动蛋白基因和肌球蛋白基因等。

据估计，各类细胞中的奢侈基因的总和大于持家基因的数目。

持家基因和奢侈基因的表达调控通常发生在转录水平。

前面介绍了细菌中的基因经诱导可使表达效率提高千倍以上。

这种极端的调

控水平很难发生在真核生物基因表达中（酵母菌除外）。

大多数真核生物基因经诱导可提高几倍至数十倍的表达效率。

多数真核生物基因转录水平的调控是正调控。

1、真核基因表达调控的顺式作用元件

顺式作用元件（cis-actingelement）是指DNA分子上对基因表达有调节活性的特定核苷酸序列。

顺式作用元件的活性只影响同一DNA分子上的基因。

这种DNA序列多位于基因上游或内含子中。

真核基因的顺式作用元件按其功能可以分为：

启动子、增强子和静止子。

启动子的结构和功能

启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于受其调控的基因上游，邻近基因转录起始点，是基因的一部分（图真核生物启动子元件）。

TAT^（TATAbox）:

中心位于—30位置，是RNA聚合酶U识别和结合位点。

富含AT碱基，一般有8bp,改变其中任何一个碱基都会显著降低转录活性，又称为Hognessbox。

如人类的B珠蛋白基因启动子中TATA序列发生突变，B珠蛋白产量就会大幅度下降而引起贫血症。

CAATI（CAATbox）:

位于—70〜—80位置，共有序列GGCC（T）CAATCT决定启动子的起始频率。

兔的B珠蛋白基因的CAATI变成TTCCAATCT其转录效率只有原来的12%。

GCH（GCbox）:

—110位置，GGGCGG增强转录活性。

真核基因的启动子有三个元件构成，而原核基因的启动子一般只有两个

元件，-10位置的TATAbox和—35位置的TTGACAbox

增强子的结构和功能

增强子（enhancer），又称强化子（transcriptionalenhancer），是一种远端调控元件，至少距转录起始点上游100bp以上，通常位于—700〜—1000处，所以又称为上游激活序列（upstreamactivatorsequenee,UAS）。

增强子区的跨度一般有100—200bp，和启动子一样，由一个或多个各具特征的DNA序列组成，常由8—12bp的核心序列和其他序列相间排列。

增强子也要通过与特定的蛋白质因子（转录因子）结合而实现其对转录的增强作用。

静止子

是一种类似增强子但起负调控作用的顺式作用元件。

有人称为沉默基因。

静止子与相应的反式作用因子结合后，可以使正调控系统失去作用。

2、真核基因调控的反式作用因子

不论是启动子还是增强子序列，他们的转录调节功能都是通过与特定的

DNA结合蛋白的相互作用而实现的。

真核生物的RNA聚合酶与原核生物的RNA聚合酶不同，它本身不能启动转录，纯化了的真核生物RNA聚合酶在体外是不能启动转录的。

因此必须事先有一套转录因子装配到启动子上，RNA聚合酶才能启动转录。

这些转录因子一般并不是RNA聚合酶的组成成分。

能直接或间接识别各种顺式调控元件并与之结合从而调控基因转录效

率的各种蛋白质分子称为反式作用因子（trans-actingfactor）。

能激活真核生物基因转录的蛋白质称为转录因子（transcriptionfactor,TF）。

转录因子是参与正调控的反式作用因子，是转录起始过程中RNA

聚合酶所需要的辅助因子。

这类DNA吉合蛋白有很多种，顺式调控元件也有多种，正是不同的DNA

序列和不同的DNA吉合蛋白之间在空间结构上的相互作用，以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用，构成了复杂的基因转录调控机制。

真核生物的RNA聚合酶

类型

产物

rRNA

n

MRNA,snRNA

5SrRNA

tRNA

反式作用因子的结构特征

反式作用因子一般都具有三个不同功能结构域（domain）。

（看来我研究的ER也是一种反式作用因子？

也是转录因子！

1DNA吉合结构域（不就是ER的BD么？

）与顺式调控元件结合的

部位

对大量转录调控因子结构的研究表明，DNA吉合结构域大多在100bp以下。

大体上有4种结构特征：