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Regulation of Gene Expression
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第 一 节基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
一、基因表达的概念
* 基因组(genome)
一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。
基因经过转录、翻译,产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。
* 基因表达(gene expression)
基因表达是受调控的
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二、基因表达的时间性及空间性
(一)时间特异性
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(二)空间特异性
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异,实际上是由细胞在器官的分布决定的,所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。
在个体生长全过程,某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现,称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。
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三、基因表达的方式
按对刺激的反应性,基因表达的方式分为:
(一)组成性表达
某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为管家基因(housekeeping gene)。
无论表达水平高低,管家基因较少受环境因素影响,而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达,或变化很小。区别于其他基因,这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。
(二)诱导和阻遏表达
在特定环境信号刺激下,相应的基因被激活,基因表达产物增加,这种基因称为可诱导基因。
可诱导基因在特定环境中表达增强的过程,称为诱导(induction)。
如果基因对环境信号应答是被抑制,这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。
在一定机制控制下,功能上相关的一组基因,无论其为何种表达方式,均需协调一致、共同表达,即为协调表达(coordinate expression),这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。
四、基因表达调控的生物学意义
(一)适应环境、维持生长和增殖
(二)维持个体发育与分化
五、基因表达调控的基本原理
(一)基因表达的多级调控
基因激活
转录起始
转录后加工
mRNA降解
转录起始
(二)基因转录激活调节基本要素
基因表达的调节与基因的结构、性质,生物个体或细胞所处的内、外环境,以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。
1. 特异DNA序列和调节蛋白质
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。
某些特异因子(蛋白质)决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。
2 操纵序列
——阻遏蛋白(repressor)的结合位点
当操纵序列结合有阻遏蛋白时,会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合,或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ,阻碍转录。
3) 其他调节序列、调节蛋白
例如
激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列,促进RNA聚合酶与启动序列的结合,增强RNA聚合酶活性。
有些基因在没有激活蛋白存在时,RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。
真核生物
不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 ,如TATA盒、CAAT盒等,这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。
2) 真核基因的调节蛋白
还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列,调节自身基因的表达,称顺式作用。
由某一基因表达产生的蛋白质因子,通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用,调节其表达。
反式作用因子(trans-acting factor)
这种调节作用称为反式作用。
反式调节
顺式调节
指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合,被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。
绝大多数调节蛋白质结合DNA前,需通过蛋白质-蛋白质相互作用,形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。
3. RNA聚合酶
⑴ 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性
RNA聚合酶与其的亲和力,影响转录。
⑵ 调节蛋白与RNA聚合酶活性
一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达,然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。
第 二 节 原核基因转录调节
Regulation of Prokaryotic
Gene Transcription
(一)σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
(二)操纵子模型的普遍性
(三)阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性
二、乳糖操纵子调节机制
(一)乳糖操纵子(lac operon)的结构
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