第三節(jié) 真核基因表達(dá)調(diào)控
一、真核 基因組 的復(fù)雜性
與原核生物比較，真核生物的基因組更為復(fù)雜，可列舉如下。
▲真核基因組比原核基因組大得多，大腸桿菌基因組約4×106bp，哺乳類基因組在109bp數(shù)量級(jí)，比細(xì)菌大千倍；大腸桿菌約有4000個(gè)基因，人則約有10萬(wàn)個(gè)基因。
▲真核生物主要的遺傳物質(zhì)與組蛋白等構(gòu)成染色質(zhì)，被包裹在核膜內(nèi)，核外還有遺傳成分(如線粒體DNA等)，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的層次和復(fù)雜性。
▲原核生物的基因組基本上是單倍體，而真核基因組是二倍體。
▲如前所述，細(xì)菌多數(shù)基因按功能相關(guān)成串排列，組成操縱元的基因表達(dá)調(diào)控的單元，共同開啟或關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄出多順反子(polycistron)的mRNA；真核生物則是一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子(monocistron)，基本上沒有操縱元的結(jié)構(gòu)，而真核細(xì)胞的許多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亞基構(gòu)成的，這就涉及到多個(gè)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問(wèn)題，真核生物基因協(xié)調(diào)表達(dá)要比原核生物復(fù)雜得多。
▲原核基因組的大部分序列都為基因編碼，而核酸雜交等實(shí)驗(yàn)表明：哺乳類基因組中僅約10%的序列為蛋白質(zhì)、rRNA、tRNA等編碼，其余約90%的序列功能至今還不清楚。
▲原核生物的基因?yàn)榈鞍踪|(zhì)編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的，而真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因絕大多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)剪接(splicing)去除內(nèi)含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質(zhì)，這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)。
▲原核基因組中除rRNA、tRNA基因有多個(gè)拷貝外，重復(fù)序列不多。哺乳動(dòng)物基因組中則存在大量重復(fù)序列(repetitive sequences)。用復(fù)性動(dòng)力學(xué)等實(shí)驗(yàn)表明有三類重復(fù)序列：
①高度重復(fù)序列(highly repetitive sequences)，這類序列一般較短，長(zhǎng)10－300bp，在哺乳類基因組中重復(fù)106次左右，占基因組DNA序列總量的10－60%，人的基因組中這類序列約占20%，功能還不明了。
②中度重復(fù)序列(moderately repetitive sequences)，這類序列多數(shù)長(zhǎng)100－500bp，重復(fù)101－105次，占基因組10-40%。例如哺乳類中含量最多的一種稱為Alu的序列，長(zhǎng)約300bp，在哺乳類不同種屬間相似，在基因組中重復(fù)3-×105次，在人的基因組中約占7%，功能也還不很清楚。在人的基因組中18S/28SrRNA基因重復(fù)280次，5SrRNA基因重復(fù)2000次，tRNA基因重復(fù)1300次，5種組蛋白的基因串連成簇重復(fù)30-40次，這些基因都可歸入中度重復(fù)序列范圍。
③單拷貝序列(single copy sequences)。這類序列基本上不重復(fù)，占哺乳類基因組的50-80%，在人基因組中約占65%。絕大多數(shù)真核生物為蛋白質(zhì)編碼的基因在單倍體基因組中都不重復(fù)，是單拷貝的基因。
從上述可見真核基因組比原核基因組復(fù)雜得多，至今人類對(duì)真核基因組的認(rèn)識(shí)還很有限，使現(xiàn)在國(guó)際上制訂的人基因組研究計(jì)劃(human gene project)完成，繪出人全部基因的染色體定位圖，測(cè)出人基因組109bp全部DNA序列后，要搞清楚人全部基因的功能及其相互關(guān)系，特別是要明了基因表達(dá)調(diào)控的全部規(guī)律，還需要經(jīng)歷很長(zhǎng)期艱巨的研究過(guò)程。
二、真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)
盡管我們現(xiàn)在對(duì)真核基因表達(dá)調(diào)控知道還不多，但與原核生物比較它具有一些明顯的特點(diǎn)。
(一)真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多
如前所述，基因表達(dá)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個(gè)過(guò)程。同原核生物一樣，轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)胞核(線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在線粒體內(nèi))，翻譯則多在胞漿，兩個(gè)過(guò)程是分開的，因此其調(diào)控增加了更多的環(huán)節(jié)和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控占有了更多的分量。圖19-13扼要地列出真核基因表達(dá)的各個(gè)可能的環(huán)節(jié)。
圖19－13 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的可能環(huán)節(jié)
圖19－13總結(jié)了以前章節(jié)敘述過(guò)的基因表達(dá)過(guò)程，并作了一些新補(bǔ)充。圖中標(biāo)出了真核細(xì)胞在分化過(guò)程中會(huì)發(fā)生基因重排(gene rearrangement)，即胚原性基因組中某些基因會(huì)再組合變化形成第二級(jí)基因。例如編碼完整抗體蛋白的基因是在淋巴細(xì)胞分化發(fā)育過(guò)程中，由原來(lái)分開的幾百個(gè)不同的可變區(qū)基因經(jīng)選擇、組合、變化，與恒定區(qū)基因一起構(gòu)成穩(wěn)定的、為特定的完整抗體蛋白編碼的可表達(dá)的基因。這種基因重排使細(xì)胞可能利用幾百個(gè)抗體基因的片段，組合變化而產(chǎn)生能編碼達(dá)108種不同抗體的基因，其中就有復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理。
此外，真核細(xì)胞中還會(huì)發(fā)生基因擴(kuò)增(gene amplification)，即基因組中的特定段落在某些情況下會(huì)復(fù)制產(chǎn)生許多拷貝。最早發(fā)現(xiàn)的是蛙的成熟卵細(xì)胞在受精后的發(fā)育過(guò)程中其rRNA基因(可稱為rDNA)可擴(kuò)增2000倍，以后發(fā)現(xiàn)其他動(dòng)物的卵細(xì)胞也有同樣的情況，這很顯然適合了受精后迅速發(fā)育分裂要合成大量蛋白質(zhì)，需要有大量核糖體。又如MTX(methotrexate)是葉酸的結(jié)構(gòu)類似物，一些哺乳類細(xì)胞會(huì)對(duì)含有利用葉酸所必需的二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase, DHFR)基因的DNA區(qū)段擴(kuò)增40?00倍，使DHFR的表達(dá)量顯著增加，從而提高對(duì)MTX的抗性。基因的擴(kuò)增無(wú)疑能夠大幅度提高基因表達(dá)產(chǎn)物的量，但這種調(diào)控機(jī)理至今還不清楚。
(二)真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)
真核基因組DNA絕大部分都在細(xì)胞核內(nèi)與組蛋白等結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)中NA和組蛋白的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都影響轉(zhuǎn)錄，至少有以下現(xiàn)象：
1.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄 細(xì)胞分裂時(shí)染色體的大部分到間期時(shí)松開分散在核內(nèi)，稱為常染色質(zhì)(euchromatin)，松散的染色質(zhì)中的基因可以轉(zhuǎn)錄。染色體中的某些區(qū)段到分裂期后不像其他部分解旋松開，仍保持緊湊折疊的結(jié)構(gòu)，在間期核中可以看到其濃集的斑塊，稱為異染色質(zhì)(heterochromatin)，其中從未見有基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)；原本在常染色質(zhì)中表達(dá)的基因如移到異染色質(zhì)內(nèi)也會(huì)停止表達(dá)；哺乳類雌體細(xì)胞2條X染色體，到間期一條變成異染色質(zhì)者，這條X染色體上的基因就全部失活?？梢娋o密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)阻止基因表達(dá)。
2.組蛋白的作用 早期體外實(shí)驗(yàn)觀察到組蛋白與DNA結(jié)合阻止DNA上基因的轉(zhuǎn)錄，去除組蛋基因又能夠轉(zhuǎn)錄。組蛋白是堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷，可與DNA鏈上帶負(fù)電荷的磷酸基相結(jié)合，從而遮蔽了DNA分子，妨礙了轉(zhuǎn)錄，可能扮演了非特異性阻遏蛋白的作用；染色質(zhì)中的非組蛋白成分具有組織細(xì)胞特異性，可能消除組蛋白的阻遏，起到特異性的去阻遏促轉(zhuǎn)錄作用。
發(fā)現(xiàn)核小體后，進(jìn)一步觀察核小體結(jié)構(gòu)與基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)活躍轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)段，有富含賴氨酸的組蛋白(H1組蛋白)水平降低，H2A?H2B組蛋白二聚體不穩(wěn)定性增加、組蛋白乙?；?acetylation)和泛素化(ubiquitination)，以及H3組蛋白巰基化等現(xiàn)象，這些都是核小體不穩(wěn)定或解體的因素或指征。轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結(jié)構(gòu)。這些都表明核小體結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄。
3.轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)怂崦缸饔妹舾卸仍黾印∪旧|(zhì)DNA受DNase Ⅰ作用通常會(huì)被降解成00、400……bp的片段，反映了完整的核小體規(guī)則的重復(fù)結(jié)構(gòu)。但活躍進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域受DNase Ⅰ消化常出現(xiàn)100－200bp的DNA片段，且長(zhǎng)短不均一，說(shuō)明其DNA受組蛋白掩蓋的結(jié)構(gòu)有變化，出現(xiàn)了對(duì)DNase Ⅰ高敏感點(diǎn)(hypersensitive site)。這種高敏感點(diǎn)常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄基因的5′側(cè)區(qū)(5′flanking region)、3′末端或在基因上，多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)的附近，分析該區(qū)域核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能有利于調(diào)控蛋白結(jié)合而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。
4.DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化 天然雙鏈DNA的構(gòu)象大多是負(fù)性超螺旋。當(dāng)基因活躍轉(zhuǎn)錄時(shí)，RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄方向前方DNA的構(gòu)象是正性超螺旋，其后面的DNA為負(fù)性超螺旋。正性超螺旋會(huì)拆散核小體，有利于RNA聚合酶向前移動(dòng)轉(zhuǎn)錄；而負(fù)性超螺旋則有利于核小體的再形成。
5.DNA堿基修飾變化 真核DNA中的胞嘧啶約有5%被甲基化為5 甲基胞嘧啶(5 methylcytidine,m5C)，而活躍轉(zhuǎn)錄的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常較低。這種甲基化最常發(fā)生在某些基因5′側(cè)區(qū)的CpG序列中，實(shí)驗(yàn)表明這段序列甲基化可使其后的基因不能轉(zhuǎn)錄，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)錄。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常發(fā)育而死亡，可見DNA的甲基化對(duì)基因表達(dá)調(diào)控是重要的。
由此可見，染色質(zhì)中的基因轉(zhuǎn)錄前先要有一個(gè)被激活的過(guò)程，但目前對(duì)激活機(jī)制還缺乏認(rèn)識(shí)。
(三)真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主
真核RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子的親和力很低，基本上不依靠自身來(lái)起始轉(zhuǎn)錄，需要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用。真核基因調(diào)控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負(fù)性調(diào)控元件，但其存在并不普遍；真核基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以激活蛋白的作用為主。即多數(shù)真核基因在沒有調(diào)控蛋白作用時(shí)是不轉(zhuǎn)錄的，需要表達(dá)時(shí)就要有激活的蛋白質(zhì)來(lái)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。換言之：真核基因表達(dá)以正性調(diào)控為主導(dǎo)。
三、真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控
真核細(xì)胞的三種RNA聚合酶(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)中，只有RNA聚合酶Ⅱ能轉(zhuǎn)錄生成mRNA，以下主要討論RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。
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