基因表达与调控 原核基因表达调控模式.ppt

  基因的表达与调控---原核基因的表达调控模式 6.1 基因表达调控的现象和概念 6.1.1、基因表达调控是生命的必需 基因表达(gene expression) 是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的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过程。 既然从DNA到蛋白质的过程称为基因表达,对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。 基因组(genome) 是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。 但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的,大肠杆菌基因组含有约4000个基因,一般情况下只有5－10﹪在高水平转录状态,其它基因有的处于较低水平的表达,有的就暂时不表达。 不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同,而且基因表达的强度和种类也各不相同,这就是基因表达的组织特异性(tissue specificity)。 例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞,合成的某些酶(如精氨酸酶)为肝脏所特有;胰岛β细胞合成胰岛素;甲状腺滤泡旁细胞(C细胞)专一分泌降血钙素等。 细胞分化发育的不同时期,基因表达的情况是不相同的,这就是基因表达的阶段特异性(stagespecificity)。 一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息,在个体发育分化的各个阶段,各种基因极为有序地表达,一般在胚胎时期基因开放的数量最多,随着分化发展,细胞中某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on),胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样,合成蛋白质的种类和数量都不相同,显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性,从而逐步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织脏器。 从上所述,不难看出:生物的基因表达不是杂乱无章的,而是受着严密、精确调控的,不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的,而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。 6.1.2、基因表达适应环境的变化 生物体内的基因调控各不相同,基因表达随环境变化的情况,可以大致把基因表达分成两类: ①组成性表达(constitutive expression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的,这类基因可称为看家基因(housekeeping gene),这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的,可以看成是细胞基本的基因表达。 组成性基因表达也不是一成不变的,其表达强弱也是受一定机制调控的。 ②适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction),这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene); 相反,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression),相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。 改变基因表达的情况以适应环境,在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要,因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。 例如:周围有充足的葡萄糖,细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源,不必更多去合成利用其它糖类的酶类,当外界没有葡萄糖时,细菌就要适应环境中存在的其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等),开放能利用这些糖的酶类基因,以满足生长的需要。 即使是内环境保持稳定的高等哺乳类,也经常要变动基因的表达来适应环境,例如与适宜温度下生活相比较,在冷或热环境下适应生活的动物,其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同。 所以,基因表达调控是生物适应环境生存的必需。 6.2 原核基因表达调控总论 基因表达调控主要表现在以下两方面: 1．转录水平上的调控(transcriptional regulation); 2．转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation),包括 ①?mRNA加工成熟水平上的调控 (differential processing of RNA transcript); ②? 翻译水平上的调控 (differential translation of mRNA)。 原核生物中,营养状况(nutritional status)和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。