真核生物的基因表达调控机制

2021年2月28日发(作者：身上起红疙瘩很痒)
一、真核基因组的复杂性



与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，可列举如下。
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1.
真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆菌基因组约
4×
106bp< br>，哺乳类基因组在
109bp
数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有
4000< br>个基因，人则约有
10
万个基因。
?

2.
真核 生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传
成分
(
如 线粒体
DNA
等
)
，这就增加了基因表达调控的层次和复杂性。
?

3.
原核生物的基因组基本上是单倍体，而真核基因组是二倍体。
?

4.
如前所述，细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基因表达调控的 单元，
共同开启或关闭，转录出多顺反子
(polycistron)
的
mR NA
；真核生物则是一个结构基因
转录生成一条
mRNA
，
即
mRNA
是单顺反子
(monocistron)
，
基本上没有操纵元的结 构，
而真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，
这就涉及到多个基因协调表达的问题，真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得多。
?

5.
原核基因组的大部分序列都为基因编码，而核酸杂交等实验表明：哺乳类基因组中
仅约
10%
的序列为蛋白质、
rRNA
、
tRNA
等编码，其余约
90%
的序列功能至今还不清
楚。
?

6.
原核生物 的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码
的基因绝大多数是不连续的，即 有外显子
(exon)
和内含子
(intron)
，转录后需经剪接
(splicing)
去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。?

7.
原核基因组中除
rRNA
、
tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多。哺乳动物基因组
中则存在大量重复序列
(repeti tive sequences)
。
用复性动力学等实验表明有三类重复序
列：
1
）
高度重复序列
(highly repetitive sequences)
，
这类序列一般较短，
长
10
－
300bp
，在哺乳类基因组中重复
106
次左右，占基因组
DNA
序列总量的
10
－
60%
，人的基因
组
中
这
类
序< br>列
约
占
20%
，
功
能
还
不
明
了
。
2
）
中
度
重
复
序
列
(moderately repetitive sequences)
，
这类序 列多数长
100
－
500bp
，
重复
101
－105
次，
占基因组
10-40%
。例如哺乳类中含量最多的一种称为< br>Alu
的序列，长约
300bp
，在哺
乳类不同种属间相似，
在基因组中重复
3×
105
次，
在人的基因组中约占
7%
，
功能也还
不很清楚。在人的基因组中
18S/28SrRNA
基因重复
280
次，
5SrRNA
基因重复
2000
次，
tRNA
基因重复
1300
次，
5
种组蛋白的基因串连成簇重复
30 -40
次，这些基因都
可归入中度重复序列范围。
3
）单拷贝序列
( single copy sequences)
。这类序列基本上
不重复，
占哺乳类 基因组的
50-80%
，
在人基因组中约占
65%
。
绝大多 数真核生物为蛋
白质编码的基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。
?

从上述可见真核基因组比原核基因组复杂得多，至今人类对真核基因组的认识还很有
限，使现在 国际上制订的人基因组研究计划
(human gene project)
完成，绘出人全部 基
因的染色体定位图，
测出人基因组
109bp
全部
DNA
序列后，
要搞清楚人全部基因的功
能及其相互关系，
特别是要明了基因表达调控的全部 规律，
还需要经历很长期艰巨的研
究过程。



二、真核基因表达调控的特点




尽管我们 现在对真核基因表达调控知道还不多，
但与原核生物比较它具有一些明显的特
点。



（一）真核基因表达调
控的环节更多


如 前所述，基因表达是
基因经过转录、翻译、
产生有生物活性的蛋白
质的整个过程。同原 核
生物一样，转录依然是
真核生物基因表达调控
的主要环节。但真核基
因转
录
发
生
在
细
胞
核
(
线粒体 基因的转录在
线粒体内
)
，
翻译则多在
胞浆，两个过程是分开
的，因此其调控增加了
更多的环节和复杂性，
转录后的调控占有了更
多的分量。

右图总结了以前章节叙
述过的基因表达过程，
并作了一些新补充。图
中标出了真核细胞在分
化过程中会发生基因重排
(gene rearrangeme nt)
，
即胚原性基因组中某些基因会再组合
变化形成第二级基因。
例如编码 完整抗体蛋白的基因是在淋巴细胞分化发育过程中，
由
原来分开的几百个不同的可变区基因经选 择、
组合、
变化，
与恒定区基因一起构成稳定
的、
为特定的完整抗体 蛋白编码的可表达的基因。
这种基因重排使细胞可能利用几百个
抗体基因的片段，组合变化而产 生能编码达
108
种不同抗体的基因，其中就有复杂的
基因表达调控机理。



此外，真核细胞中还会发生基因扩增
(gene amplificat ion)
，即基因组中的特定段落在某些情
况下会复制产生许多拷贝。
最早发现的是蛙 的成熟卵细胞在受精后的发育过程中其
rRNA
基
因
(
可称为
rDNA)
可扩增
2000
倍，以后发现其他动物的卵细胞也有同样的情况，这很显 然
适合了受精后迅速发育分裂要合成大量蛋白质，
需要有大量核糖体。
又如
M TX(methotrexate)
是叶酸的结构类似物，一些哺乳类细胞会对含有利用叶酸所必需的二 氢叶酸还原酶
(dihydrofolate reductase, DHFR)
基因的DNA
区段扩增
40-100
倍，
使
DHFR
的表达量 显著
增加，从而提高对
MTX
的抗性。基因的扩增无疑能够大幅度提高基因表达产物的 量，但这
种调控机理至今还不清楚。



（二）真核基因的转录与染色质的结构变化相关
?


真核基因组
DNA
绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质，染色质的结构、染色质
中NA
和组蛋白的结构状态都影响转录，至少有以下现象：
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1.
染色质结构影响基因转录


细胞分裂时染色体的大部分到间期时松开分散在 核内，称为常染色质
(euchromatin)
，松散
的染色质中的基因可以转录。
染色体中的某些区段到分裂期后不像其他部分解旋松开，
仍保
持紧凑折叠的结构，在间 期核中可以看到其浓集的斑块，称为异染色质
(heterochromatin)
，
其中从未见有基因转录表达；原本在常染色质中表达的基因如移到异染色质内也会停止表
达；哺乳类雌体 细胞
2
条
X
染色体，到间期一条变成异染色质者，这条
X
染 色体上的基因
就全部失活。可见紧密的染色质结构阻止基因表达。
?

2.
组蛋白的作用



早期体外实验观察到组蛋白与
DNA< br>结合阻止
DNA
上基因的转录，去除组蛋基因又能够转
录。组蛋白是碱性蛋白质 ，带正电荷，可与
DNA
链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽
了
DNA< br>分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用；染色质中的非组蛋白成
分具有组织细胞 特异性，可能消除组蛋白的阻遏，起到特异性的去阻遏促转录作用。
?

发现核小体 后，
进一步观察核小体结构与基因转录的关系，
发现活跃转录的染色质区段，
有
富含赖氨酸的组蛋白
(H1
组蛋白
)
水平降低，
H2A·
H2B
组蛋白二聚体不稳定性增加、组蛋白
乙酰化
(acetylation)
和泛素化
(ubiquitination)
，
以及
H3
组蛋白巯 基化等现象，这些都是核小
体不稳定或解体的因素或指征。
转录活跃的区域也常缺乏核小体的结 构。
这些都表明核小体
结构影响基因转录。
?

3.
转录活跃区域对核酸酶作用敏感度增加


染色质
DNA
受
DNase
Ⅰ作用通常会被降解成
100
、
400……bp
的片段，反映了完整的核
小体规则的重复结构。但活跃进行 转录的染色质区域受
DNase
Ⅰ消化常出现
100
－
200bp
的
DNA
片段，
且长短不均一，
说明其
DNA
受组 蛋白掩盖的结构有变化，
出现了对
DNase
Ⅰ
高
敏
感
点
(hypersensitive site)
。
这
种
高
敏
感
点
常
出
现
在
转
录
基
因
的
5′
侧
区
(5′
flanking region)
、
3′
末端或在基因上，
多在调控蛋白结合位点的附近，
分析该区域核小体
的结构发生变化，可能有利于调控蛋白
结合而促进转录


4. DNA
拓扑结构变化



天然双链
DNA
的构象大多是负性超螺旋。当基因活跃转录时，
RNA
聚合酶转录方向前方
DNA
的构象是正性超螺旋，
其后面的< br>DNA
为负性超螺旋。
正性超螺旋会拆散核小体，
有利
于
RN A
聚合酶向前移动转录；而负性超螺旋则有利于核小体的再形成。
?

5. DNA
碱基修饰变化



真核
DNA
中的胞嘧啶 约有
5%
被甲基化为
5-
甲基胞嘧啶
(5-methylcytid ine,m5C)
，
而活跃转
录的
DNA
段落中胞嘧啶甲基化程度常 较低。
这种甲基化最常发生在某些基因
5’
侧区的
CpG
序列中，实 验表明这段序列甲基化可使其后的基因不能转录，甲基化可能阻碍转录因子与
DNA
特定部位的 结合从而影响转录。
如果用基因打靶的方法除去主要的
DNA
甲基化酶，
小< br>鼠的胚胎就不能正常发育而死亡，可见
DNA
的甲基化对基因表达调控是重要的。
?

由此可见，
染色质中的基因转录前先要有一个被激活的过程，
但目前 对激活机制还缺乏认识。


（三）真核基因表达以正性调控为主
?

真核
RNA
聚合酶对启动子的亲和力很低，基本上不依靠自身来起始转录， 需要依赖多种激
活蛋白的协同作用。
真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，
但其 存在并不普遍；
真核
基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有两种作用者，
但总的是以激活蛋白的
作用为主。
即多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，
需要表达时就要有激活的蛋
白质来促进转录。换言之：真核基因表达以正性调控为主导。


三、真核基因转录水平的调控



真核细胞的三种RNA
聚合酶
(
Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ
)
中，只有
RNA
聚合酶Ⅱ能转录生成
mRNA
，以