分子生物学 07-1 - 真核基因表达调控提纲
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分子生物学 07-1 - 真核基因表达调控提纲

这篇文章介绍了真核基因表达调控的相关概念，包括基因、基因组、基因表达和基因表达调控的定义，真核基因的断裂结构及其生物学意义，基因家族的分类，真核基因表达的方式和特点，以及真核基因表达的一般规律，包括瞬时调控和发育调控。

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分子生物学 第 7 章 第 1 节：真核基因表达调控提纲

  • 基因gene：能产生一条肽链或功能 RNA 所必须的 DNA 片段

  • 基因组genome：一个细胞所携带的全部遗传信息

  • 基因表达gene expression：基因经过转录、翻译，产生具有特异性生物学功能的蛋白质分子或 RNA 分子的过程

  • 基因表达调控gene regulation：内源及外源信号调控基因表达

7.1.1 真核基因的断裂结构

  • 外显子 exon：真核生物基因中的蛋白质编码序列

  • 内显子 intron：真核生物基因中的非蛋白质编码序列

概念：断裂基因

  • 真核生物基因外显子常被内含子镶嵌排列而断裂。因此，有时称真核基因为“断裂基因”

  • 断裂基因的生物学意义：断裂基因的结构形式为某些重要蛋白质的编码区域提供了进行重组的潜在位点，使这些 DNA 序列有充分的机会进行重复和组合，有利于进化

  • 断裂基因的重要特点：一个基因的内含子成为另一个基因的外显子，形成基因的差别表达

  • 外显子 - 内含子连接区 exon-intron junction：外显子和内含子的交界序列

  • 外显子 - 内含子连接区的特点

    1. 高度保守性：该序列可能是 RNA 剪接的信号序列

    2. 特异性碱基序列：内含子的两端序列之间没有广泛的同源性，因此内含子两端序列不能互补，说明在剪接加工以前，内含子上游序列和下游序列不能碱基配对形成发卡序列

规律：GT-AG 法则

  • 几乎每个内含子 5’ 端起始的两个碱基都是 CT，而 3’ 端最后两个碱基总是 AG

  • 左剪接位点：内含子 5’ 端接头序列，又叫供体位点 donor site

  • 右剪接位点：内含子 3’ 端接头序列，又叫受体位点 acceptor site

线粒体和叶绿体中不存在这类保守序列

  • 由逆转录酶从成熟 mRNA 逆转录得到的 cDNA 分子中只有外显子，没有内含子

概念：组成型剪接

  • 初级转录产物外显子-内含子连接区在剪接酶或 RNA 本身的作用下，发生磷酸二酯键断裂，产生连接两个外显子的化学键

  • 一个基因的转录产物通过组成型剪接只能产生一种成熟的 mRNA，编码一个多肽

  • 当然除了组成型剪接以外，真核基因的原始产物也可以通过其他剪接方式产生不同 mRNA，并翻译成不同蛋白质

不管哪种剪接模式，真核生物产生的成熟的 mRNA 均为多顺反子 mRNA

7.1.2 基因家族

基因家族 gene family：真核细胞中按功能成套组合的相关基因

1）简单多基因家族

  • 简单多基因家族中的基因一般按串联方式前后相连，成为一个基因簇

举例：大肠杆菌中 16 S、23S、5 S 的 rRNA 基因联合成为一个转录单位，各种 rRNA 分子都是从这个转录单位上剪切下来的

2）复杂多基因家族

  • 复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位

3）发育调控的复杂多基因家族

发育调控的多基因家族中，基因排列的顺序就是它们在发育阶段的表达顺序

举例：在生物个体发育的不同阶段，组成血红蛋白的 $\alpha$ 和 $\beta$ 亚基的形式不同

7.1.3 真核基因表达的方式和特点

基因类型

表达模式

特点

举例

管家基因 housekeeping gene

组成型表达 constitutive gene expression

在个体的所有细胞中持续表达；是细胞结构和代谢过程中所必要的基因；通常能保持较高的表达量；常以管家基因作为 RT-PCR 的对照

编码 rRNA、肌动蛋白、微管蛋白的基因

奢侈基因（包括可诱导基因和可阻遏基因）

调节型表达 regulated gene expression

在不同细胞类型中特异性比较大的基因（组织特异性基因），其产物赋予细胞特定的形态结构特征与生理功能；基因表达调控大多是对这些基因的转录和翻译速率的调节，从而导致编码产物的水平发生改变并影响其功能

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  • 基因表达的时空特异性（时间 + 空间）

    • 基因表达的时间特异性 temporal specificity：又称为“阶段特异性” stage specificity ，按照功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生

    • 基因表达的空间特异性 spatial specificity：又称为“细胞或组织特异性” cell or tissue specificity，是指个体生长过程中，某种基因产物按不同组织空间顺序出现

7.1.4 真核基因表达一般规律

  • 原核基因表达规律

    • 其调控系统就是要在一个特定环境中为细胞创造==高速==生长的基础，或使细胞在受到损伤时，尽快得到==修复==

    • 主要通过转录调控开关基因表达以适应环境

    • 环境因子往往是调控的诱导物

    • 群体中的每个细胞对环境变化的反应都是直接和基本一致的

  • 真核基因表达规律

    • 能在特定时间和特定细胞中（时空特异性）激活特定的基因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过程，并使生物的组织和器官保持正常功能

可参考：
🔗 [[MMB 06-1 原核基因表达调控概述#6.1.2 基因表达调控概览]]

真核生物基因调控按大类分

  1. 瞬时调控（可逆性调控）：包括某种底物或激素水平升降时，或细胞周期不同阶段中酶活性的调节

  2. 发育调控（不可逆调控）：「真核基因调控的精髓」决定了真核细胞生长、分化、发育全过程

真核生物基因调控按照先后次序分

  1. 转录水平调控

    1. 遗传水平的 DNA 调控

    2. 表观遗传水平的染色质调控

  2. 转录后水平调控

    1. RNA 加工成熟过程的调控

    2. 翻译水平的调控

    3. 蛋白加工水平的调控

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