DNA水平调控解析
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真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂,可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次(图真核生物基因表达中可能的调控环节)。
但是,最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。
(一)DNA水平的调控DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。
这一类的调控机制包括基因的扩增、重排或化学修饰。
其中有些改变是可逆的。
1、基因剂量与基因扩增细胞中有些基因产物的需要量比另一些大得多,细胞保持这种特定比例的方式之一是基因组中不同基因的剂量不同。
例如,有A、B两个基因,假如他们的转录、翻译效率相同,若A基因拷贝数比B基因多20 倍,则A基因产物也多20倍。
组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型实例。
为了合成大量组蛋白用于形成染色质,多数物种的基因组含有数百个组蛋白基因拷贝。
基因剂量也可经基因扩增临时增加。
两栖动物如蟾蜍的卵母细胞很大,是正常体细胞的一百倍,需要合成大量核糖体。
核糖体含有rRNA分子,基因组中的rRNA基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。
所以在卵母细胞发育过程中,rRNA基因数目临时增加了4000倍。
卵母细胞的前体同其他体细胞一样,含有约500个rRNA基因(rDNA)。
在基因扩增后,rRNA基因拷贝数高达2×106。
这个数目可使得卵母细胞形成1012个核糖体,以满足胚胎发育早期蛋白质大量合成的需要。
在基因扩增之前,这500个rRNA基因以串联方式排列。
在发生扩增的3周时间里,rDNA不再是一个单一连续DNA片段,而是形成大量小环即复制环,以增加基因拷贝数目。
这种rRNA基因扩增发生在许多生物的卵母细胞发育过程中,包括鱼、昆虫和两栖类动物。
目前对这种基因扩增的机制并不清楚。
在某些情况下,基因扩增发生在异常的细胞中。
例如,人类癌细胞中的许多致癌基因,经大量扩增后高效表达,导致细胞繁殖和生长失控。
有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。
DNA合成的调控机制和表观遗传修饰DNA合成是一种高度精确的细胞生物学过程,它需要同时调控合成速率和准确性,并且在不同细胞周期阶段和环境下进行适应性调整。
这个复杂的过程是由许多分子机器组成的,包括负责DNA配对的蛋白质复合物、DNA聚合酶、DNA拓扑异构酶和DNA结合蛋白等。
这些分子机器通过调控细胞周期、启动转录、稳定DNA结构等方式来完成其任务。
DNA合成的调控机制包括细胞周期调控、转录调控、DNA复制调控等。
细胞周期调控细胞周期是细胞生长和分裂过程中的一个循环,包括G1期、S期、G2期和M期四个阶段。
DNA合成通常发生在S期,当细胞进入S期时,启动复合物通过对CDK和Cyclin等原癌基因进行磷酸化,以激活他们并促进细胞周期转移。
这些激活的原癌基因会引起DNA合成酶的合成和其他相关酶的表达,从而导致DNA合成的启动。
转录调控DNA合成依赖于RNA聚合酶II的转录活动。
转录过程中,RNA聚合酶II可以正确地识别并定位到DNA序列的起始位置。
由于启动子序列和转录因子的存在,RNA聚合酶II可以更容易地结合和开始转录。
在转录启动期间,会形成一个初始转录复合物,它由RNA聚合酶II、编码转录因子和一些辅助因子组成。
这个复合物可以在启动子附近扩散并开始合成RNA。
筛选过程中对于复合物数量的调控起到了关键作用,并且在DNA合成过程中,转录调控也可以提供重要的反馈机制。
DNA复制调控DNA复制依赖于DNA聚合酶和叶酸的参与。
DNA聚合酶的活性可以被微量元素(比如锌)和其他环境条件影响。
DNA聚合酶的拓扑异构酶也在DNA复制过程中扮演了重要的角色,它通过在DNA链上制造缺口或环而修改拓扑构型。
这些缺口和环也需要被其他酶修复,以确保DNA重复的扩增速率和准确性。
叶酸也参与DNA复制过程中的单碱基多聚酶活性,以支持RNA聚合酶和DNA聚合酶的活性。
表观遗传修饰DNA合成经常受到表观遗传修饰的影响。
表观遗传学研究细胞基因表达和细胞分化的控制方式,其范围包括DNA甲基化、组蛋白修饰和RNA修饰等。
真核生物基因表达的调控09中西七年制2班内容摘要:真核生物细胞结构比原核生物复杂,转录和翻译在时空上都被分隔开,分别在细胞核和细胞质中先后进行,并且基因组和染色体结构复杂,蕴藏大量的调控信息,因此真核生物基因表达的调控要比原核生物要复杂的多。
真核生物可以从多个层次调控基因表达。
一、真核生物基因表达调控的种类(一)根据其性质可分为两大类:一是瞬时调控或称为可逆性调控,它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。
瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时,及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。
二是发育调控或称不可逆调控,是真核基因调控的精髓部分,它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。
(二)根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为:DNA水平调控--转录水平调控--转录后水平调控--翻译水平调控——翻译后水平调控二、真核生物基因表达的调控的多层次性真核生物基因表达可以随细胞内外环境条件的改变以及生长发育的不同阶段而在不同表达水平加以精确地调控。
主要体现在以下几个水平上:(一)DNA 水平:主要包括:染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰和异染色质化等,这些变化都是永久性的,会随着细胞分裂传递给子代细胞,使这类细胞具有特定的表型,成为某种特定的分化细胞。
1:基因的丢失、扩增与重排1)基因丢失:只存在于一些低等生物体细胞中。
在细胞分化时,当需要消除某些基因活性时才发生。
采用基因丢失的方式调控是不可逆的。
体现了真核细胞全能性。
例如小麦瘿蚊的染色体丢失,瘿蚊卵跟果蝇相似(始核分裂胞质不分裂),其卵的后端含有特殊的细胞质,极细胞质核→保持了全部40条染色体→生殖细胞→其他细胞质区域核→丢失32条、留8条→体细胞;2)基因扩增:是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象,它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要,是基因活性调控的一种方式。
如非洲爪蟾的基因扩增,是两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增。