分子生物学第一篇基因表达调控和蛋白质修饰

分子生物学第一篇 : 基因表达调控和蛋白质修饰

基因组 (Genome): 生物个体所携带遗传性物质的总量。即细胞中的 的 DNA 或 RNA 量

“C值悖论”(C-value paradox) C值:一种生物细胞中特异不变的 DNA总量(单倍体基因 组)。物种的C值和它进化的复杂性之间没有严格的对应关系，

这种现象称为C值悖论。

DNA 总量，或病毒

基因表达(Gene expression):在一定调控机制下基因经过激活、转录、翻译、等过程产 生具有生物学功能分子从而赋予细胞一定功能或表型，即基因的转录和翻译的过程。

基因表达调控(Regulation of gen expression)细胞或生物体接受环境信号刺激或适应环 境营养状况变化在基因表达水平上作出应答的分子机制。 这包括对表达基因种类和数量 上的调调控。 基础基因表达(basic gene expression)又称持续性/组成型基因表达(constitutive gene expression) : 不易受环境变化而改变的基因表达。这其中包括一类“管家基因 (housekeeping genes)” , 这类基因产物是细胞生存活动所必需的， 在个体各生长阶段都 表达。

可调节基因表达(regulated gene expression易受环境变化而改变的基因表达。对环境应 答时被增强表达的过程称为诱导 (induction), 被激活的基因称为可诱导基因 (inducible genes);对环境应答时被抑制表达的过程称为阻遏 遏基因 (repressible genes)

基因表达规律：组织特异性(tissue specificity)时间特异性(temporal specificity) 基因表达调节的生物学意义 :

(一) 适应环境,维持生长和增殖 (二) 维持个体发育与分化 . 真核细胞的结构特性 :

1、庞大基因组,结构复杂,大量重复序列,基因组大部分是非蛋白质编码的序列,基 因内部常被内含子 (intron) 隔开

2、 结构基因转录产物是一条单顺反子 (mo no cistro n) mRNA,基本上没有操纵元件的结构， 而且真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽链形成的亚基构成的, 基因的协调表达。

涉及到多个

repression),被抑制的基因称为可阻

3、以核小体为单位的染色质结构，以及众多 DNA 结合蛋白质成为调节基因开闭的重要

因素； 转录和翻译在时间和空间上被隔开，转录本和翻译产物需要经过复杂的加工与转 运过程， 使得基因表达的调控受到细胞核内外诸多层次的调节， 而核外的遗传成分如线 粒体 DNA 等，也增加了基因表达调控的层次和复杂性。 基因表达调节的主要阶段

1、转录调控 (transcriptional regulation) ；( 最基本或最重要的调控 ) 2、 RNA剪接过程(RNA splicing中的调控；

3、 RNA 转运和定位过程 (transportation and localization) 中的调控； 4、 翻译调控 (translational regulation) ；

5、 mRNA 稳定性(mRNA stability)的调控；

6、 蛋白质活性的调控 (protein processing modification) 。

活性与非活性染色质：典型的间期(interphase)染色质可分为高度密集状态的异染色质

(heterochromatin ，30nm 的纤维被压缩 40-50 倍) 和较为松散的常染色质 (euchromatin) 。 常染色质约 10% 处于更开放的延展型结构， 即为活性染色质 (active chromatin ，30nm 的 纤维压缩约 6 倍，具有转录活性，即电镜下的串珠状结构 转录活性，属于非活性染色质 (inactive chromatin) 。 活性染色体的重要特征

1. DNA酶I超敏位点(DNase I Hypersensitive Site (DHSs)(DNA酶I超敏位点的出现是

活性染色质的重要特点之一 )

脱氧核糖核酸酶l(DNase I)可以随机剪切双链DNA的任意位点。但染色之中有少数位 点敏感性超出其他区域 100倍以上，被称为DNA酶I超敏位点。DNA酶I超敏位点 约由 100-200bp 的碱基组成，主要位于已经起始或即将起始转录基因的 5'侧翼， 通常是调节蛋白位点附近。某些基因中离 2. DNA 拓扑结构变化 (DNA topology)

基因活跃转录时RNA聚合酶转录方向的前

天然双链 DNA 的构象大多为负性超螺旋

)。此外的其它的色质不具有

3'侧翼较近 ,甚至在转录区内。

DNA 为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核

方的 DNA 结构是正性超螺旋，其后面的 小体，有利于RNA聚合酶迁移转录，而负性超螺旋自有利于核小体再形成

3. DNA 碱基修饰变化 (DNA modification)

CpG序列的甲基化可能阻碍转录因子与 DNA特定部位的结合而影响转录

4. 组蛋白变化 (histone modification)

组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质，可与 DNA 带负电的磷酸基结合从而遮蔽 DNA 分 子，起到非特异性阻遏蛋白的作用。染色质中非组蛋白成分具有组织特异性可能消 除组蛋白的阻遏，起到特异性的去阻遏促转录的作用。活性染色体部分常有中非组 蛋白成分的加入，组蛋白解聚与释放。

染色质重塑：通过调整核小体的相位，中和组蛋白尾巴碱性氨基酸残基(赖氨酸 K精 氨酸R、组氨酸H等)带正电荷，减弱核小体中碱性氨基酸与

DNA的结合，降低相邻

核小体间的聚集使核小体滑动暴露本来被遮蔽的元件， 或使核小体表面的元件瞬间暴露。 这种染色质结构的动态变化过程称为染色质重塑

(chromatin remodeling) 。

染色质重塑是基因表达表观遗传水平上控制的主要调控方式 , 包括：

1. 依赖ATP的染色质物理修饰：即ATP水解供能使核小体沿 DNA滑动，或使核小体解 离并

重新装配。

延伸中RNA聚合酶II的周围总是伴有核小体，这些核小体又是会处于部分解离部分装 配的动态平衡状态 ,此染色质物理重塑复合体对于转录延伸也具有重要意义。

2. 染色质的共价 化学修饰 ：即多发生在组蛋白末端“尾巴”的乙酰化、磷酸化、甲基 化和泛

素化等。

主要发生在组蛋白末端的尾部， 尤其是核心组蛋白的氨基末端尾部。组蛋白末端部分含 有一些带活性基团的氨基酸残基，这些氨基酸残基成为各种化学修饰的靶点。

组蛋白乙酰化 (酶：HAT, histone acetyl transferases):转录激活的标志，多发于组蛋 白暴露在外的N端尾巴。脱乙酰化(酶： HDAC，hist one deacetylase)与转录抑制相 关,并参与多条信号传导通路。

组蛋白甲基化(酶：HMT，histone methyltransferases):赖氨酸和精氨酸都可以被甲基 化,其结果可以是激活或者抑制转录。

组蛋白泛素化 (酶： E1s, ubiquitin-activating enzymes; E2s, ubiquitin-conjugating enzymes; E3s, ubiquitin ligases): H2AK119泛素化与抑制转录有关；相反 H2BK120泛素化激活转 录,并在组蛋白伴侣分子 FACT 帮助下在转录延伸中发挥作用。

组蛋白SUMO化:4种核心组蛋白都可发生，在H4、H2A、H2B上都已发现了一些特异位 点。组蛋白 SUMO 化拮抗在同一赖氨酸残基上的乙酰化和泛素化, 因而具有抑制转录的 作用。 组蛋白聚 ADP核糖基化：可以在组蛋白上加上1个(酶：MART , mono-ADP-ribosyltransferase)或多个 ADP 分子(酶：PARP poly-ADP-ribosepolymerase)。