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基因表达调控Chapter10生命现象是生物体内发生的极其复杂的生物化学过程的综合结果。为了保证生命活动（如生长、发育、分化、繁殖、代谢和运动等）能够有条不紊地进行，所有生物体内发生的生物化学过程都必须受到有效的调控。生物调控机制是生物在长期进化过程中逐步形成的。生物进化程度愈高，调控机制愈完善、愈复杂。调控的分子生物学基础调控的本质是化学物质与机体组织中具有重要功能的生物大分子之间进行物理化学反应的最终结果。这些能够与化学物质发生结合并产生相应作用的生物大分子，一般称为受体。调控分生物体内物质的调控和外源化学物质的调控。物质之间的相互作用包括生物大分子之间的相互识别与作用，如核酸与核酸之间的作用;核酸与蛋白质之间的作用;多糖与蛋白质之间的相互作用；蛋白质与蛋白质之间的相互作用合成高分子与生物大分子之间的相互作用有机小分子与生物大分子之间的相互作用，如辅酶与酶之间的相互作用；有机分子与酶或蛋白质受体之间的相互作用底物与酶分子之间的识别以及相互作用无机金属离子与生物大分子之间的相互作用，如金属离子与酶或蛋白质之间的络合；与生物小分子（辅酶、ATP等）之间的络合作用；1、神经调控作用人及高等动物具有高度发达的神经系统，这类生物的各种活动和代谢的调节机制都处于中枢神经系统的控制之下。神经系统既直接影响各种酶的合成，又影响内分泌腺分泌激素的种类和水平，所以神经系统的调节具有整体性特点。神经系统对生命活动的调控在很大程度上是通过调节激素的分泌来实现的。2、激素调控作用激素是生物细胞分泌的一类特殊化学物质，它对各种生命活动和代谢过程具有调控功能。激素调控往往是局部性的，并且直接或间接受到神经系统的控制。通常一种激素只作用于一定的细胞组织，不同的激素调节不同的物质代谢或生理过程。3、细胞内酶水平调控作用细胞内酶水平调控是通过调节细胞内的酶的种类、数量、分布或活性来控制各种代谢过程或生理过程。这类调控主要包括：细胞膜结构的调控作用和酶的活性调控作用。某些人工合成或天然存在的化学物质也具有调控功能，主要是表现在对酶的活性影响方面。4、细胞内蛋白质和核酸间的相互作用包括核酸与核酸之间的相互作用，如分子杂交、dsDNA中的操纵子、顺式作用元件、增强子、核酶、反义RNA、衰减子、TATA盒等核酸与蛋白质之间的相互作用，如核小体、核糖体的形成、反式作用因子、阻遏蛋白、CAP、转录因子、核糖体蛋白、锚定蛋白、分子伴侣、HSP等核酸与酶之间的相互作用：RNA聚合酶、DNA聚合酶、核酸酶、SSB、拓扑异构酶、内切酶、外切酶、连接酶、整合酶等蛋白质与蛋白质之间的相互作用：支架蛋白、转录复合体、翻译复合体、剪切体的形成基因表达调控的原理指细胞用来调控各基因产物产出量的机制。基因调控不仅是控制单个基因的机制，同时还要避免不同基因产物间无意义的相互作用。没有基因调节就没有细胞类型的区别基因调节可以是组成型的，即表达速率稳定也可以是可调的，适合不同环境下细胞的需要理论上基因调控可在基因表达的任何阶段进行，但主要在转录起始阶段，可以避免不必要的转录造成的资源浪费。基因表达调控的策略细胞周期调控。不同的发育周期调控不同基因表达。有丝分裂和减数分裂过程中DNA复制造成DNA数量和结构的变化对基因表达的影响空间调控。真核生物转录和翻译在不同区域进行，而原核生物转录和翻译可同时进行，空间结构差异决定不同的调控机制DNA结构调控。常染色质和异染色质。DNA重排、DNA重组、突变和修复。蛋白质结合。DNA甲基化或其它修饰。基因拷贝数目。转录调控：转录复合体形成、Sigma因子、顺式调控因子(启动子、操纵子、增强子、终止子等)和反式作用因子(TBP、终止蛋白、抗终止蛋白等)RNA结构调控(转录后翻译前调控)。RNA降解、RNA加工和剪切、RNA编辑、反义RNA、RNA干涉、RNA转移和定位蛋白质合成调控：核糖体结合、密码子使用、移码、衰减子等蛋白质结构调控(翻译后调控)：降解、装配、修饰和定位基因表达能在转录、合成和翻译几个阶段中被调节*转录经常是在起始阶段被加以调节的，这样可避免不必要的转录所浪费的能量。转录通常不是在延长的过程中被调控的，但可以在终止的时候调控。终止可用来防止转录。*RNA的初级产物自己便是调节的目标。作为一个整体，转录的有效性可加以调节，例如：它的稳定性可以决定它是否被翻译。以开始的转录结果到加工成为一个成熟分子的可决定最终的mRNA的结构与功能。在真核细胞中，从核到细胞质的转运也是一个调节目标。在细菌中一个mRNA分子一合成便可参与翻译。*翻译过程通常是在起始和结束的时候被加以调控的。在原核和真核细胞中最普通的调控方式是控制转录的起始1、细胞周期调控cellcycle两次有丝分裂之间的时期被称为一次细胞循环，即细胞周期。从一次有丝分裂的结束到下一次有丝分裂的开始被称为细胞分裂间期。可以看到的有丝分裂相的时期，即实际分裂的时期被称为M期（有丝分裂期）细胞程序性死亡与细胞凋亡细胞程序性死亡programmedcelldeath属于功能性概念和发育学概念，描述在一个多细胞生物体中某些细胞死亡是个体发育中的一个预定的，并受到严格程序控制的正常组成部分。如蝌蚪变成青蛙，其变态过程中尾部的消失伴随大量细胞死亡，高等哺乳类动物指间蹼的消失、颚融合、视网膜发育以及免疫系统的正常发育都必须有细胞死亡的参与。这些细胞散在的、逐个地从正常组织中死亡和消失,机体无炎症反应，而且对整个机体的发育是有利和必须的。细胞凋亡是一个形态学的概念，描述一件有着一整套形态学特征的与坏死完全不同的细胞死亡形式。但是一般认为凋亡和程序性死亡两个概念可以交互使用，具有同等意义。细胞凋亡与坏死的区别虽然凋亡与坏死的最终结果极为相似，但它们的过程与表现却有很大差别。坏死（necrosis）：坏死是细胞受到强烈理化或生物因素作用引起细胞无序变化的死亡过程。表现为细胞胀大，胞膜破裂，细胞内容物外溢，核变化较慢，DNA降解不充分，引起局部严重的炎症反应。凋亡是细胞对环境的生理性病理性刺激信号，环境条件的变化或缓和性损伤产生的应答有序变化的死亡过程。其细胞及组织的变化与坏死有明显的不同。细胞凋亡的生物学特征1．形态学变化细胞凋亡的变化是多阶段的，往往涉及单个细胞，即便是一小部分细胞也是非同步发生的。首先出现的是细胞体积缩小，连接消失，与周围的细胞脱离，然后是细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性改变，释放细胞色素C到胞浆，核质浓缩，核膜核仁破碎，DNA降解成为约180bp-200bp片段；胞膜有小泡状形成，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面，胞膜结构仍然完整，最终可将凋亡细胞遗骸分割包裹为几个凋亡小体，无内容物外溢，因此不引起周围的炎症反应，凋亡小体可迅速被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。2．生物化学变化1）DNA的片段化细胞凋亡的一个显著特点是细胞染色体的DNA普遍降解为180-200bp的整倍数，而这正好是缠绕组蛋白寡聚体的长度，提示染色体DNA恰好是在核小体与核小体的连接部位被切断，产生不同长度的寡聚核小体片段，实验证明，这种DNA的有控降解是一种内源性核酸内切酶作用的结果，该酶在核小体连接部位切断染色体DNA，这种降解表现在琼脂糖凝胶电泳中就呈现特异的梯状Ladder图谱，而坏死呈弥漫的连续图谱。2）大分子合成细胞凋亡的生化改变不仅仅是DNA的有控降解，在细胞凋亡的过程中往往还有新的基因的表达和某些生物大分子的合成作为调控因子。细胞凋亡是细胞的一种基本生物学现象，在多细胞生物去除不需要的或异常的细胞中起着必要的作用。它在生物体的进化、内环境的稳定以及多个系统的发育中起着重要的作用。凋亡是多基因严格控制的过程。这些基因在种属之间非常保守，如Bcl-2家族、caspase家族、癌基因如C-myc、抑癌基因P53等凋亡过程的紊乱可能与许多疾病的发生有直接或间接的关系。如肿瘤、自身免疫性疾病等能够诱发细胞凋亡的因素很多，如射线、药物等。2、DNA重排遗传作图表明，某一物种的单个个体之间基因组的组成基本上是不变的。在基因组序列中，某一特定的位点的前后序列也保持恒定，并且它的活性被DNA上的反式作用因子所控制。DNA的序列通常不会被轻易改变，但是，在某些自发条件下，有可能使得DNA序列在基因组内被移动、修饰、放大，甚至丢失。在人为实验的干预下，一些新的序列可以被整合到基因组中。2.1Introduction32章DNA重排遗传作图表明，某一物种的单个个体之间基因组的组成基本上是不变的。分子水平上的分析也表明，对于单个个体中的体细胞，他们的基因组也是恒定的。在基因组序列中，某一特定的位点的前后序列也保持恒定，并且它的活性被DNA上的反式作用因子所控制。DNA的序列通常不会被轻易改变，但是，在某些自发条件下，有可能使得DNA序列在基因组内被移动、修饰、放大，甚至丢失。在人为实验的干预下，一些新的序列可以被整合到基因组中。但是不管是对发生频率还是它对基因组组成产生的影响的测定，对于基因组保持恒定这条规律而言，体细胞或是生殖细胞质和量的某些变化只能说是一些例外。当然，它们令人感兴趣的不仅在于它们自身，还在于基因的这种可变性使得我们可以改变他们。在低等真核生物中，某一特定序列的重排或丢失是比较普遍的。通常这些改变只涉及体细胞，而生殖细胞几乎不受影响。(但是也有一些个体在它的生殖周期中可能会丢失整条或整套的染色体)。虽然在免疲系统中有一个很普遍的例子，但是对动物而言，特定序列的重排还是极少发生的。在真核和原核生物中，DAN的重排都带来了物种的多样性。我们可以明确它的两个显著结果：◆重排可能产生需要在特殊环境下表达的“新基因”，如免疫球蛋白的例子。◆对某一预先存在的基因，重排可能会在“开关表达”起作用，使其转变成另一基因。这是基因表达调控中的一种机制。酵母接合类型的转换与锥虫抗原变异之间有一个共同的规律，那就是基因表达是由DNA序列的组装来控制的，基因拷贝在特定的有活性的活跃盒的存在决定了它们的表现型。但是同时在基因组中，存在着其他的有一定改变的沉默盒。只有通过序列的重排，这些沉默盒才有可能被激活，从而取代那些有活性的活跃盒。这种取代其实就是某一特定目的位点的单向移位。这种重排方式最简单的例子是在啤酒酵母中发现的。单倍体啤酒可以有两种接合型。接合型由有活性的接合型位点上的序列所决定。但是在基因组中，同时存在着分别代表两种接合的沉默盒。接合型的转换是通过活跃盒和代表另一接合型的沉默盒之间序列的交换来完成的。在真核和原核生物中，DNA的重排都带来了物种的多样性◆重排可能产生需要在特殊环境下表达的“新基因”，如免疫球蛋白的例子◆对某一预先存在的基因，重排可能会在“开关表达”起作用，使其转变成另一基因这是基因表达调控中的一种机制。在非洲锥虫中，DNA的重排使其具有不同的类型，它是一种单细胞的寄生虫，能够通过改变它们的表面抗原来逃避宿主的免疫应答。活性区域的基因序列决定了表面抗原的类型。这个序列能够通过与沉默区域的序列发生交换而被改变。与免疫系统的不确定性相抗争和产生免疫多样性的机理似乎是一样的：都依赖于基因中的物理重排从而改变被表达的序列。利用寄生或共生宿主的作用，可以有另一种增加基因功能的方法，这过程中，外源DNA可通过细菌导入一个宿主细胞。这种机制有点类似于细菌的接合。细菌DAN在新宿主中的表达改变了细胞的表现型。在土壤芽孢杆菌的例子中，这种影响是有害的，因为它诱导受感染的植物细胞产生肿瘤。在体细胞的发育过程中，基因组中名组成比率的变化使得昆虫幼虫能够增加某些特定的基因的拷贝数。在培养的哺乳动物的细胞中，也有偶然的机会产生基因的扩大作用，我们可以通过选择出那些产生了某些基因拷贝的细胞来指示这种作用。产生于基因组中，这些放大作用的结果是产生了额外增加的基因拷贝，不管最终这些拷贝是在染色体内还是梁色体外。当外源基因被导入真核细胞时，它有可能在染色体外部或者被整合到基因组中，染色体外或整合于基因组内这两种形式之间的关系是无规律性的，它依赖于偶然的机会以及在一定程度上的不可预见事件的发生，而不象细菌质粒中自由的或被整合的两种形式之