基因的表达及调控

基因的表达及调控

1基因(gene)：是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。一个基因不仅仅包括编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括保证转录所必需的调控序列及位于编码区5’端上游的非编码序列，内含子和位于编码区3’端下游的非编码序列。

2基因组(genome)：泛指一个细胞或病毒的全部遗传信息。在真核生物体中，基因组是指一套完整单倍体DNA和线粒体DNA的全部序列，既包括编码序列，也包括非编码序列。3基因表达(gene expression)：是指原核生物和真核生物基因组中特定的结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能的各种蛋白质，表现出特定的生物学效应的全过程。

4基因表达的调控：在同一机体的各种细胞中虽然含有相同的遗传信息即相同的结构基因，但并非它们都在所有细胞中同时表达，而必须根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因，这就是基因表达的调控。5管家基因：有些基因产物对生命全过程都是必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常称为管家基因。管家基因的表达水平受环境因素影响很小，而是在个体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。这类基因表达称为基本（或组成性）基因表达。

6转录：以DNA一条链为模板，以四种NTP为原料，在RNA聚合酶作用下，按照碱基互补原则（A-U,T-A,G-C）合成RNA链的过程。

7不对称转录：转录时因为①DNA分子双链一股链用作模板指引转录，另一股链不转录。

②模板链并非总是在同一条链上。故称为不对称转录。

8诱导：可诱导基因在一定环境中表达增强的过程称为诱导。

阻遏：可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。

9基因表达的时间特异性：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。又称阶段特异性。

10基因表达的空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异，称为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。

一、原核生物基因的表达及调控

1顺反子（Cistron）：由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。

2多顺反子(polycistron): 原核生物具有操纵子结构，几个结构基因转录在一条mRNA链上，因而转录物为多顺反子。每个顺反子分别翻译出各自的蛋白质。

3单顺反子（monocistron）：真核生物的一个结构基因与相应的调控区组成一个表达单位，转录物为一个单顺反子。从一条mRNA只能翻译出一条多肽链。

4操纵子（operon）:原核生物的结构基因与调控序列以操纵子的形式存在。数个功能上相关联的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动子和操纵序列）和下游的转录终止信号所构成的基因表达单位，所转录的RNA为多顺反子。

5 SD序列：又称核蛋白体结合位点（RBS）。在起始密码AUG上游8~13个碱基处有一段富含嘌呤的序列，其一致序列（consensus sequence）为AGGAGG，称为SD序列（Shine-Dalgarno sequence）。此处能与核糖体30S亚基中16S rRNA 3’端富含嘧啶的序列互补配对结合，与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。

㈠原核生物基因表达

1 RNA聚合酶全酶结合启动子并起始转录

原核生物聚合酶组成：由四种亚基组成α、2β、β’、σ五聚体的蛋白质。其中α、2β、β’亚基称为核心酶。σ因子辨认起始点。α决定哪些基因被转录。β起催化作用。β’起结合DNA 模板（开链）作用。

2 RNA聚合酶的核心酶在RNA链延伸过程中催化RNA合成

3 ρ因子依赖和非依赖两种机制介导的转录终止

⑴依赖ρ因子的转录终止：ρ因子是由相同亚基组成的六聚体，它是原核生物转录终止因子。可结合转录产物RNA 3’端的多聚C特殊序列，还有ATP酶和解螺旋酶活性。ρ因子与转录产物RNA 3’端的多聚C结合后，ρ因子和RNA聚合酶都发生构象改变，从而使RNA 聚合酶停顿，解螺旋酶活性使DNA和RNA杂化双链拆离，转录产物从转录复合物中释放。

⑵非依赖ρ因子的转录终止：RNA链延长至终止区时，转录出的碱基序列随即形成茎－环结构。这种二级结构是阻止转录继续向下游推进的关键。其机制有两方面：①茎环结构在RNA分子形成可能改变RNA聚合酶的构象。由于酶构象的改变导致酶－模板结合方式的改变，可使酶不再向下游移动，于是转录停顿。②转录复合物（酶－DNA-RNA）上有局部的RNA/DNA杂化双链。RNA分子和DNA分子都要形成自己的双链，杂化链形成的机会不大，本来不稳定的杂化链更不稳定，转录复合物趋于解体。接着一串寡聚U是使RNA链从模板脱落的促进因素，因为所有的碱基配对中以U和A的配对最不稳定。

非依赖ρ因子的终止子结构特点：①一个反向重复序列，使RNA末端形成一个发夹结构；

②在信息链上有一连串的T，因而RNA末端发夹结构之后紧接着出现一串U。

4原核生物的tRNA和rRNA需要进行转录后加工

5翻译起始是核糖体与mRNA结合及定位的过程

⑴开放阅读框（ORF）：从mRNA 5’端起始密码子AUG到3’端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架。即蛋白质编码区。5’端上游和3’端下游的核苷酸序列没有编码功能，称为非翻译区或非编码区。

⑵起始因子（initiation factor,IF）：参与起始复合物的形成，原核生物有3种起始因子。

①IF-1.能促进IF-2、IF-3的活化。

②IF-2.促进fMet-tRNA f Met与30S小亚基结合的作用，并具有GTP酶活性。

③IF-3.使30S小亚基从不具活性的核糖体释放，辅助mRNA与小亚基结合，并阻止大小

亚基重新聚合。

⑶原核生物翻译起始复合物形成：

①核糖体大小亚基分离。IF-1,IF-3与小亚基结合，促进大小亚基分离。

②mRNA在小亚基定位结合。在各种原核mRNA起始AUG密码子上游8~13个碱基处存

在一段特定的核苷酸序列，富含嘌呤碱基如AGGAGG，称为SD序列。与原核小亚基16S rRNA的3’端的序列互补。通过与SD序列碱基配对使mRNA与小亚基结合使起始密码子定位于翻译起始部位。SD序列又称核蛋白体结合位点（RBS）。

③起始氨基酰-tRNA的结合。起始fMet-tRNA f Met和GTP及IF-2形成三元复合物，识别结

合游离的核糖体小亚基的mRNA起始密码子AUG。

④核糖体大亚基结合。上述结合mRNA、fMet-tRNA f Met的小亚基再与核糖体大亚基结合，

同时IF-2结合的GTP水解释能，促使3种IF释放，形成由完整核糖体、mRNA、起始氨基酰-tRNA组成的翻译起始复合物。此时，结合起始密码AUG的fMet-tRNA f Met占据P位，而A位空留，对应mRNA上AUG后的下一组三联体密码，准备相应氨基酰-tRNA 的进入。

6氨基酸活化转运和核糖体循环贯穿肽链合成的基本过程

⑴氨基酸以氨基酰-tRNA的形式被活化与转运