真核基因表达调控的特点
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真核基因和原核基因表达调控的异同?真核基因表达调控的基本原理与原核基因相同,主要表现在:1、与原核基因的调控一样,真核基因表达调控也以转录水平调控为最重要;2、在结构基因均有调控序列,并依靠特异蛋白因子与这些调控序列的结合与否调控基因的表达。
3、都要经历转录、翻译的过程。
4、表达过程都有复杂性,多环节不同1、真核基因表达调控过程更复杂。
2、在染色质结构上。
原核细胞的DNA是裸露的,而真核细胞DNA包装在染色体中。
DNA与组蛋白组成核小体形成为染色体基本单位。
在原核细胞中染色质结构对基因的表达没有明显的调控作用,而在真核细胞中染色质的变化调控基因表达,并且基因分布在不同的染色体上,存在染色体间基因的调控问题;3、真核生物中编码蛋白质的基因通常是断裂基因,含有有非编码序列即内含子,因而转录产生的mRNA前体必须剪切加工才能成为有功能的成熟的mRNA,而不同拼接方式的可产生不同的mRNA。
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。
4、在原核基因转录的调控中,既有正调控,也有负调控,二者同等重要,而真核细胞中虽然也有正调控成分和负调控成分,但目前已知的主要是正调控,且一个真核基因通常都有多个调控序列,必须有多个激活物同时特异地结合上去才能调节基因的转录;5、原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的,而真核基因的转录与翻译在时空上是分开的,从而使真核基因的表达有多种调控机制。
6、真核生物细胞中存在mRNA的稳定性调控7、真核生物大都为多细胞生物,基因的表达随细胞内外环境条件的改变和时间程序在不同的表达水平上进行着精确调控,而原核生物主要受环境因素和营养状况影响基因调控。
8、真核生物由三种RNA聚合酶分别负责三种RNA的转录,而原核生物只有一种。
真核基因表达调控的特点
真核基因表达调控有以下几个特点:
1. 基因组的复杂性:真核生物的基因组通常比原核生物更大且更复杂。
真核基因组包含多个非编码区域和大量的调控元件,这些元件可以影响基因的表达水平和模式。
2. 转录的调控:真核生物中的基因表达主要通过转录调控来实现。
转录调控包括转录因子的结合和调节,以及染色质状态的改变。
转录因子是一类能够结合到特定DNA序列上并调控相关基因转录的蛋白质。
它们可以增强或抑制基因的转录,从而影响基因表达。
3. 多级调控网络:真核生物中的基因表达调控是一个多级的网络系统。
这个网络包括许多调控元件、转录因子和其他调控蛋白质之间的相互作用。
这些元件和因子可以形成复杂的调控回路和信号传递路径,从而调控基因的表达。
4. 组蛋白修饰:染色质状态的改变在真核基因表达调控中起着重要作用。
染色质是DNA与蛋白质的复合物,通过不同的化学修饰可以改变染色质的结构和可及性,从而影响基因的转录。
常见的染色质修饰包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化和甲基化等。
5. RNA后转录调控:除了转录调控外,真核生物中还存在着RNA 后转录调控机制。
这些调控机制包括RNA剪接、RNA编辑和非编码RNA 的功能等。
它们可以影响基因的转录后处理和调控基因表达的多样性。
综上所述,真核基因表达调控具有基因组的复杂性、转录的调控、多级调控网络、组蛋白修饰和RNA后转录调控等特点,这些特点共同
作用来调控基因的表达水平和模式。
真核生物基因表达调控的特点及主要调控环节真核生物基因表达调控是一个复杂而精密的系统,涉及到多种调控机制和调控环节。
通过这些调控机制和环节,真核生物能够在不同的细胞类型和不同的发育阶段中表达特定的基因,从而实现细胞功能的多样化和分化。
下面我们将详细介绍真核生物基因表达调控的特点以及主要调控环节。
首先,真核生物基因表达调控具有高度的精细性和特异性。
在真核生物细胞中,每个细胞都包含着相同的基因组,但不同细胞类型和组织会表达不同的基因。
这种差异性主要是通过转录调控来实现的,即通过对特定基因的转录进行调控,使得只有需要的基因在特定的时间和空间表达。
这种精细性和特异性的调控是真核生物细胞功能多样化和分化的重要基础。
其次,真核生物基因表达调控涉及多种调控机制和调控因子。
在真核生物细胞中,基因表达的调控是一个复杂的过程,需要多种调控机制和调控因子的参与。
其中,转录因子是最为重要的调控因子之一,它们可以结合到基因的启动子区域,促进或抑制该基因的转录。
此外,还有一些非编码RNA、表观遗传学修饰等调控机制也在基因表达调控中扮演着重要角色。
这些调控机制和调控因子相互作用,共同调控着基因的表达。
另外,真核生物基因表达调控还存在着复杂的信号传导网络。
在细胞内部,存在着多种信号通路和信号分子,它们可以感知外界环境的变化,并将这些信息传递给细胞核,从而影响基因的表达。
这些信号传导网络可以通过激活或抑制转录因子的活性,改变基因的表达水平。
通过这种方式,细胞可以根据外界环境的变化做出相应的调整,保持内部稳态。
综上所述,真核生物基因表达调控具有高度的精细性和特异性,涉及多种调控机制和调控因子,以及复杂的信号传导网络。
这些特点和调控环节共同构成了真核生物基因表达调控系统的核心。
通过深入研究这些调控机制和调控环节,可以更好地理解细胞功能的多样化和分化过程,为疾病的治疗和生命科学研究提供重要的理论基础。
真核生物基因表达调控的特点一、真核生物基因表达调控的特征•基因组和染色体结构复杂:更多的调控信息,更复杂的转录起始机制;•细胞结构复杂:转录和翻译在时空上分开;•多细胞,多组织生物:细胞内外环境,细胞发育的不同阶段、细胞分化•真核基因表达的多层次调控:染色质水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平。
二、真核生物染色质结构与基因活性1.真核生物染色质结构•组蛋白:富含Arg、Lys的碱性蛋白质;在中性pH条件下带正电荷、高度保守的蛋白质;重复基因、连续基因、不加polyA;可以被修饰(乙酰化,甲基化)•核小体:有组蛋白和DNA组成,直径11nm。
•真核生物染色质经过不同层次的折叠形成高度压缩的规则结构;真核生物RNApol与启动子的结合收染色质结构的限制;真核生物基因转录的活化依赖于染色质重塑(remodeling)2.组蛋白对基因转录活性的影响•组蛋白和转录因子竞争基因的转录调控区。
•非乙酰化组蛋白可以抑制转录,乙酰化组蛋白可以抑制转录。
形成新的组蛋白共价键修饰(去甲基化)可以抑制基因转录活性。
3.DNA甲基化对基因转录活性的影响4.常染色质和异染色质•异染色质比常染色质压缩得更紧,因此异染色质区域的基因转录受到抑制。
二、转录激活因子对转录的影响1.转录激活因子的结构•真核生物的基因转录不仅需要激活染色质,还需要激活基因。
•顺式作用元件:启动子和增强子。
反式作用因子:基础转录因子(basal transcription factors),通用转录因子(general transcription factors)转录激活因子(transactivators)辅激活因子(coactivators)•转录激活因子的结构:DNA结合构域;转录激活结构域;二聚化结构域;效应分子结合位点。
每一个DNA结合结构域都含有一个DNA结合模体(motif)•增强器没有位置限制(从近到远都能看到);无方向性(反转后依然有效)。
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。
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。
图中标出了真核细胞在分化过程中会发生基因重排(gene rearrangement),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 amplification),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卵其后迅速发育分裂要合成大量蛋白质要求有大量核糖体的需要。
又如MTX (methotrexate)是叶酸的结构类似物,能竞争性抑制细胞对叶酸的还原利用,因而对细胞有毒性,但当缓慢提高MTX浓度时,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40-400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。
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DNA和组蛋白的结构状态都影响转录,至少有以下现象:
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(hetrochromatin),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。
组蛋白的作用早期体外实验观察到组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录,去除组蛋白基因又能够转录。
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,发现活跃进行基因转录的染色质区段常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(obiquitination)、以及H3组蛋白巯基等现
象,这些都是核小体不稳定或解体的因素或指徵。
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。
转录活跃区域对核酸酶作敏感度增加染色质DNA受DNaseⅠ作用通常会被降解成200、400bp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DNaseⅠ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,有利于调控蛋白的结合而促进转录.
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DNA为负性超螺旋。
正性超螺旋会拆散核小体,有利于RNA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。
DNA硷基修饰变化真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5-甲基胞嘧啶(5-methylcytidine,mC),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,目前对这激活机制还缺乏认识。
真核基因表达以正性调控为主
在真核RNA聚合酶对启动子的亲和力很低,基本上不能独靠其自身来起始转录,而是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。