1、一、真核基因組的復(fù)雜性與原核生物比較，真核生物的基因組更為復(fù)雜，可列舉如下。1. 真核基因組比原核基因組大得多，大腸桿菌基因組約4x106bp，哺乳類基因組在 109bp數(shù)量級，比細菌人千倍；人腸桿菌約有4000個基因，人則約有10力個基因。2. 真核生物主要的遺傳物質(zhì)m組蛋白等構(gòu)成染色質(zhì)，被包裹在核膜內(nèi)，核外還有遺傳 成分(如線粒體dna等)，這就增加了基因表達調(diào)控的層次和復(fù)雜性。3. 原核牛物的基因組基本上是單倍體，而真核基因紐是二倍體。4. 如前所述，細菌多數(shù)基因按功能札i關(guān)成串排列，組成操縱元的基因表達調(diào)控的單元, 共同開啟或關(guān)閉,轉(zhuǎn)錄出多順反子(polycistron)的mrna；真

2、核生物則是一個結(jié)構(gòu)基因 轉(zhuǎn)錄生成條mrna,即mrna是單順反子(monocistron),基本上沒有操縱元的結(jié)構(gòu), 而真核細胞的許多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亞基構(gòu)成的，這就涉及到多個 基因協(xié)調(diào)表達的問題，真核牛物基因協(xié)調(diào)表達耍比原核牛物復(fù)雜得多。5. 原核基因組的人部分序列都為基因編碼，而核酸朵交等實驗表明：哺乳類基因組中 僅約10%的序列為蛋白質(zhì)、rrna、trna等編碼，其余約90%的序列功能至今還不清 楚。6. 原核生物的基因為蛋白質(zhì)編碼的序列絕大多數(shù)是連續(xù)的，而真核生物為蛋白質(zhì)編碼 的基因絕人多數(shù)是不連續(xù)的，即有外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron),轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)剪接 (

3、splicing)去除內(nèi)含了，才能翻譯獲得完整的蛋門質(zhì)，這就增加了基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)。7. 原核基因組中除rrna、trna基因有多個拷貝外，重復(fù)序列不多。哺乳動物基因組 中則存在大量重復(fù)序列(repetitive sequences)。用復(fù)性動力學(xué)等實驗表明有三類重復(fù)序 列：1)高度重復(fù)序列(highly repetitive sequences),這類序列一般較短，長10300bp, 在哺乳類基因組屮重復(fù)106次左右，占基因組dna序列總暈的10-60%,人的基因 組中這類序列約占20% ,功能還不明了。2 )中度重復(fù)序列 (moderately repetitive sequences)

4、,這類序列多數(shù)長 100 500bp,重復(fù) 101105 次, 占基因組10-40%o例如哺乳類中含量最多的一種稱為alu的序列，長約300bp,在哺 乳類不同種屬間相似,在基因組中重復(fù)3x105次，在人的基因組中約占7%,功能也還 不很清楚。在人的基因組屮18s/28srrna基因重復(fù)280次，5srrna基因重復(fù)2000 次，trna基因重復(fù)1300次，5種組蛋白的基因串連成簇30-40次，這些基因都 可歸入中度重復(fù)序列范圍。3)單拷貝序列(single copy sequences)o這類序列基本上 不重復(fù)，占哺乳類基因組的50-80%,在人基因組中約占65%o絕大多數(shù)真核牛:物為蛋 白

5、質(zhì)編碼的基因在單倍體基因組中都不重復(fù)，是單拷貝的基因。從上述可見真核基因組比原核基因組復(fù)雜得多，至今人類對真核基因組的認識還很有 限，使現(xiàn)在國際上制訂的人基因組研究計劃(human gene project)完成，繪出人全部基 因的染色體定位圖，測出人基因組109bp全部dna序列麻，要搞清楚人全部基因的功 能及英和互關(guān)系，特別是要明了基因表達調(diào)控的全部規(guī)律，還需要經(jīng)歷很長期艱巨的研 究過程。二、真核基因表達調(diào)控的特點盡管我們現(xiàn)在對真核基因表達調(diào)控知道還不多，但與原核牛物比較它貝-有一些明顯的特 點。（一）真核基因表達調(diào) 控的環(huán)節(jié)更多如前所述，基因表達是 基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯、 產(chǎn)生有牛物活性的

6、蛋口 質(zhì)的整個過程。同原核 生物一樣，轉(zhuǎn)錄依然是 真核牛物基因表達調(diào)控 的主要環(huán)節(jié)。但真核基 因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細胞核 （線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在 線粒體內(nèi)），翻譯則多在 胞漿，兩個過程是分開 的，因此其調(diào)控增加了 更多的環(huán)節(jié)和復(fù)雜性, 轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控占有了更 多的分量。右圖總結(jié)了以前章節(jié)敘 述過的基因表達過程， 并作了一些新補充。圖 中標(biāo)出了真核細胞在分轉(zhuǎn)錄前調(diào)垃轉(zhuǎn)曇謁控轉(zhuǎn)錄后控加工（內(nèi)切.-s-s-形成） 修飾®化、乙尬化甲 加人（第基脂類）成弟豪白質(zhì)初執(zhí)行功儲化過程中會發(fā)牛.基因重排（gene rearrangement）,即胚原性基因組中某些基因會再組合 變化形成笫二級基因。例如編碼完整抗

7、體蛋白的基因是在淋巴細胞分化發(fā)育過程中，由原來分開的幾百個不同的可變區(qū)基因經(jīng)選擇、組合、變化，與恒定區(qū)基因一起構(gòu)成穩(wěn)定的、為特定的完整抗體蛋口編碼的可表達的基因。這種基因重排使細胞可能利用兒百個 抗體基因的片段，組合變化而產(chǎn)生能編碼達108科|不同抗體的基因，其小就有復(fù)雜的菇因表達調(diào)控機理。此外，真核細胞中還會發(fā)生基因擴is（gene amplification）,即基因組中的特是段落在某些情 況下會復(fù)制產(chǎn)生許多拷貝。最早發(fā)現(xiàn)的是蛙的成熟卵細胞在受精后的發(fā)育過程屮其rna基 因（可稱為dna）可擴增2000倍,以后發(fā)現(xiàn)具他動物的卵細胞也有同樣的情況，這很顯然 適合了受精后迅速發(fā)育分裂耍合成人量

8、蛋白質(zhì)，需要有大量核糖體。乂如mtx（methotrexate） 是葉酸的結(jié)構(gòu)類似物，一些哺乳類細胞會對含有利用葉酸所必需的二氮葉酸還原酶 （dihydrofolate reductase, dhfr）基因的dna區(qū)段擴增40-100倍，使dhfr的表達量顯著 增加，從而提高對mtx的抗性。基因的擴增無疑能夠大幅度提高基因表達產(chǎn)物的最，但這 種調(diào)控機理至今還不清勉。（二）真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)真核基因組dna絕人部分都在細胞核內(nèi)與組蛋口等結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、染色質(zhì) 中na和組蛋白的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都影響轉(zhuǎn)錄，至少有以下現(xiàn)象：1. 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)彩響基因轉(zhuǎn)錄細胞分裂時染色體的人部分到間

9、期時松開分散在核內(nèi)，稱為常染色質(zhì)（euchromatin）,松散 的染色質(zhì)中的基因可以轉(zhuǎn)錄。染色體中的某些區(qū)段到分裂期后不像其他部分解旋松開，仍保 持緊湊折疊的結(jié)構(gòu)，在間期核屮可以看到其濃集的斑塊，稱為異染色質(zhì)(heterochromatin), 英中從未見有基因轉(zhuǎn)錄表達；原本在常染色質(zhì)中表達的基因如移到片染色質(zhì)內(nèi)也會停止表 達；哺乳類雌體細胞2條x染色體，到間期一條變成界染色質(zhì)者，這條x染色體上的基因 就全部失活。可見緊密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)阻止基因表達。2. 組蛋口的作用早期體外實驗觀察到組蛋白少dna結(jié)合阻止dna上基因的轉(zhuǎn)錄，去除組蛋基因又能夠轉(zhuǎn) 錄。組蛋白是堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷，可與dna鏈

10、上帶負電荷的磷酸基相結(jié)合，從而遮蔽 tdna分子，妨礙了轉(zhuǎn)錄，可能扮演了非特異性阻遏蛋口的作用；染色質(zhì)屮的非紐蛋白成 分具有組織細胞特異性，可能消除組蛋白的阻遏，起到特異性的去阻遏促轉(zhuǎn)錄作用。發(fā)現(xiàn)核小體后，進一步觀察核小體結(jié)構(gòu)與某因轉(zhuǎn)錄的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)活躍轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)段，冇 富含賴氨酸的組蛋白(h1組蛋白)水平降低，h2a h2b組蛋白二聚體不穩(wěn)定性增加、組蛋白 乙酰化(acetylation)和泛素化(ubiquitination),以及h3組蛋白疏茶化等現(xiàn)彖，這些都是核小 體不穩(wěn)定或解體的因索或指征。轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結(jié)構(gòu)。這些都表明核小體 結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄。3. 轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)?/p>

11、核酸酶作用敏感度增加染色質(zhì)dna受dnase i作用通常會被降解成100、400bp的片段，反映了完幣的核 小體規(guī)則的重復(fù)結(jié)構(gòu)。但活躍進行轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域受dnase i消化常出現(xiàn)100-200bp 的dna片段，且長矩不均一，說明其dna受組蛋白掩蓋的結(jié)構(gòu)有變化，出現(xiàn)了對dnase i 高敏感點(hypersensitive site) 這種高敏感點常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄基因的5'側(cè)區(qū) (5flanking region)、3束端或在慕因上，多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點的附近，分析該區(qū)域核小體 的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能有利于調(diào)控蛋白結(jié)合而促進轉(zhuǎn)錄4. dna拓撲結(jié)構(gòu)變化天然雙鏈dna的構(gòu)象人多是負性超螺旋

12、。當(dāng)基因活躍轉(zhuǎn)錄時，rna聚合酶轉(zhuǎn)錄方向前方 dna的構(gòu)象是止性超螺旋，其后面的dna為負性超螺旋。正性超螺旋會拆散核小體，有利 于rna聚合酶向前移動轉(zhuǎn)錄：而負性超螺旋則有利于核小體的再形成。5. dna堿基修飾變化真核dna屮的胞u密唉約有5%被甲基化為5-甲基胞嗨噪(5methylcytidine,m5c),而活躍轉(zhuǎn) 錄的dna段落中胞u密唳甲基化程度常較低。這種甲基化最常發(fā)生在某些基因s側(cè)區(qū)的cpg 序列中，實驗表明這段序列川基化可使英后的基因不能轉(zhuǎn)錄，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因了與 dna特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)錄。如果用基因打靶的方法除去主要的dna甲基化卿，小 鼠的胚胎就不能正常發(fā)育而

13、死廣，可見dna的甲基化対基因表達調(diào)控是重要的。由此叮見，染色質(zhì)屮的基因轉(zhuǎn)錄前先要有一個被激活的過程，但口前對激活機制還缺乏認識。(三) 真核基因表達以正性調(diào)控為主真核rna聚合酶對啟動了的親和力很低，基木上不依靠自身來起始轉(zhuǎn)錄，需要依賴多種激 活蛋白的協(xié)同作用。真核基因調(diào)控屮雖然也發(fā)現(xiàn)有負性調(diào)控元件，但其存在并不普遍；真核 基因轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控蛋口也有起肌遏和激活作用或兼冇兩種作用者，但總的是以激活蛋口的 作用為主。即多數(shù)真核基因在沒有調(diào)控蛋白作用時是不轉(zhuǎn)錄的，需耍表達時就耍有激活的蛋 白質(zhì)來促進轉(zhuǎn)錄。換言之：真核基因表達以正性調(diào)控為主導(dǎo)。三、真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 真核細胞的三種rna聚合酶

14、(i、ii和iii)屮，只有rna聚合酶ii能轉(zhuǎn)錄牛成mrna,以下主要討論rna聚合酶ii的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。(一)順式作用元件(cis acting elements)真核基因的順式調(diào)控元件是基因周圍能與特開轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合而彫響轉(zhuǎn)錄的dna序列。其中 主要是起正性調(diào)控作用的順式作用元件，包括啟動了(promoter)增強了(enhancer)；近年 乂發(fā)現(xiàn)起負性調(diào)控作用的元件棗沉寂子(silencer)o 與原核啟動子的含義和同，是指rna聚合陸結(jié)合并起動轉(zhuǎn)錄的dna序列。但真核同啟動 子間不像原核那樣有明顯共同一致的序列，而且單靠rna聚合酶難以結(jié)合dna而起動轉(zhuǎn) 錄，而是需要多種蛋白質(zhì)因了的相互

15、協(xié)調(diào)作用，不同蛋白質(zhì)因了又能與不同dna序列相互 作用，不同基因轉(zhuǎn)錄起始及其調(diào)控所盂的蛋白因了也不完全相同，因而不同啟動了序列也很 不相同，要比原核更復(fù)雜、序列也更長。真核啟動子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點及其上游約100 -200bp序列，包含有若t具有獨立功能的dna序列元件，每個元件約長730bp。以上所述是典型的啟動子上轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成，但有的真核啟動子不含tata盒或不通過tata盒開始轉(zhuǎn)錄。例如有的無tata盒的啟動子是靠tfii-i和tfii-d共同組成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體開始轉(zhuǎn)錄的。由此町以看到真核轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)雜性。不同基因由不同的上游啟動子元件組成，能與不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，這些轉(zhuǎn)錄因子

16、通過與基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體作用而影響轉(zhuǎn)錄的效率。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)冇許多不同的轉(zhuǎn)錄因了，看到的現(xiàn)象是：同一 dna序列可被不同的蛋白因子所識別；能直接結(jié)合dna序列的蛋白因子是少數(shù),但不同的蛋白因了間可以相互作用，因而多數(shù)轉(zhuǎn)錄因了是通過蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)間作用與dna序列聯(lián)系并影響轉(zhuǎn)錄效率的。轉(zhuǎn)錄因子之間或轉(zhuǎn)錄因子與dna的結(jié)合都會引起構(gòu)象的 變化，從而影響轉(zhuǎn)錄的效率。如下圖所示，作為蛋口質(zhì)的轉(zhuǎn)錄因子從功能上分析其結(jié)構(gòu)可包含有不同區(qū)域：1) dna結(jié)合 域(dna binding domain),多由60-100個氨基酸殘基組織的幾個亞區(qū)組成；2)轉(zhuǎn)錄激活 域(activating domain),常由30

17、-100氨呈酸殘棊組成，這結(jié)構(gòu)域冇富含酸性氨基酸、富含 谷氮酰胺、富含脯氨酸等不同種類，以酸性結(jié)構(gòu)域最多見；3)連接區(qū)，即連接上兩個結(jié)構(gòu) 域的部分。不與dna直接結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子沒有dna結(jié)合域，但能通過轉(zhuǎn)錄激活域直接或 間接作用于轉(zhuǎn)錄復(fù)合體而影響轉(zhuǎn)錄效率。dna bindingdomainactivating domain與dna結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子人多以二聚體形式起作用，與dnapic結(jié)合的功能域常見有以卜幾種：1) 螺旋轉(zhuǎn)角螺旋(helix-turn-helix, hth)及螺旋環(huán)螺旋(helix-loop-helix, hlh)這類結(jié)構(gòu) 至少有-兩個a螺旋，其間由短肽段形成的轉(zhuǎn)也或環(huán)連接，兩個

18、這樣的motif結(jié)構(gòu)以二聚體形 式相連，距離ie好相當(dāng)于dna 個螺距(3.4nm),兩個a螺旋剛好分別嵌入dna的深溝(見 下圖)。2) 鋅指(zinc finger)具結(jié)構(gòu)如卜圖所示，每個重復(fù)的“指”狀結(jié)構(gòu)約含23個氨基酸殘基，鋅以4個配價鍵與4個半胱氨酸、或2個半胱 氨酸和2個紐-氨酸相結(jié)合。整個蛋白質(zhì)分子可有20個這樣的鋅指重復(fù)單位。每一個單位可以其指部伸入dna雙螺旋 的深溝，接觸5個核昔酸。例如ugc盒結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子sp1中就有連續(xù)的3個鋅指重復(fù) 結(jié)構(gòu)。3) 堿性一亮氨酸拉鏈(basic leucine zipper, bzip),該結(jié)構(gòu)的特點是蛋tl質(zhì)分子的肽鏈上每 隔6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基，結(jié)果就導(dǎo)致這些亮氨酸殘基都在a螺旋的同一個方向 出現(xiàn)。io)c c / / zn tv vmretry、3040/kaffkksiqghndym70sorlrkcyevgmmkggirkdrkgghormone binding(vnrinble sequenceand length)tran«cription dna binding：nctivauan(66-68 residues,highlyconsented)(variabk "納 uoncaand length i兩個相同結(jié)構(gòu)的兩排亮氨酸殘基就能以疏水鍵結(jié)合成二聚體，該二聚體的另一端的肽段