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基因表達(dá)調(diào)控的研究,應(yīng)用是多方面的,也是闡述機(jī)理的最基礎(chǔ)、最有效的手段。但是對(duì)于剛開始進(jìn)行的研究人員來說,便會(huì)遇到多方面的問題。為此,在本專題伊始之初,廣州賽誠生物科技有限公司整理了在基因表達(dá)調(diào)控研究中,涉及到的一些基礎(chǔ)性概念,以便大家更好的進(jìn)入基因表達(dá)調(diào)控研究的領(lǐng)域。
圖1 真核生物基因表達(dá)調(diào)控過程
基因(gene):現(xiàn)代生物學(xué)研究表明,一個(gè)生物系統(tǒng)所有類型細(xì)胞具有相同的基因組。
基因(遺傳因子)是遺傳變異的主要物質(zhì)?;蛑С种幕緲?gòu)造和性能。儲(chǔ)存著生命的種族、血型、孕育、生長、凋亡過程的全部信息。環(huán)境和遺傳的互相依賴,演繹著生命的繁衍、細(xì)胞分裂和蛋白質(zhì)合成等重要生理過程。生物體的生、長、病、老、死等一切生命現(xiàn)象都與基因有關(guān)。它也是決定生命健康的內(nèi)在因素。因此,基因具有雙重屬性:物質(zhì)性(存在方式)和信息性(根本屬性)。
1 結(jié)構(gòu)基因:基因中編碼RNA或蛋白質(zhì)的堿基序列。
(1)原核生物結(jié)構(gòu)基因:連續(xù)的,RNA合成不需要剪接加工;
(2)真核生物結(jié)構(gòu)基因:由外顯子(編碼序列)和內(nèi)含子(非編碼序列)兩部分組成
2 非結(jié)構(gòu)基因:結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)的一段不編碼的DNA片段(即側(cè)翼序列),參與基因表達(dá)調(diào)控。
(1)順式作用元件:能影響基因表達(dá),但不編碼RNA和蛋白質(zhì)的DNA序列;
其中包括:
啟動(dòng)子:RNA聚合酶特異性識(shí)別結(jié)合和啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列。有方向性,位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游。
上游啟動(dòng)子元件:TATA盒上游的一些特定DNA序列,反式作用因子可與這些元件結(jié)合,調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄效率。
反應(yīng)元件:與被激活的信息分子受體結(jié)合,并能調(diào)控基因表達(dá)的特異DNA序列。
增強(qiáng)子:與反式作用因子結(jié)合,增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性,在基因任意位置都有效,無方向性。
沉默子:基因表達(dá)負(fù)調(diào)控元件,與反式作用因子結(jié)合,抑制轉(zhuǎn)錄活性。
Poly(A)加尾信號(hào):結(jié)構(gòu)基因末端保守的AATAAA順序及下游GT或T富含區(qū),被多聚腺苷酸化特異因子識(shí)別,在mRNA 3′端加約200個(gè)A。
(2)反式作用因子:能識(shí)別和結(jié)合特定的順式作用元件的核心序列,并影響基因轉(zhuǎn)錄的一類蛋白質(zhì)或RNA。對(duì)基因表達(dá)調(diào)控可正(激活)可負(fù)(阻遏)。
其中包括:基本轉(zhuǎn)錄因子(通用轉(zhuǎn)錄因子)、 上游轉(zhuǎn)錄因子(組織特異性轉(zhuǎn)錄因子)、可誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子等。
基因表達(dá)(gene expression):是指細(xì)胞在生命過程中,把儲(chǔ)存在DNA順序中遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯,轉(zhuǎn)變成具有生物活性的蛋白質(zhì)分子。
生物體內(nèi)的各種功能蛋白質(zhì)和酶都是同相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基因編碼的?;虻谋磉_(dá)過程是將DNA上的遺傳信息傳遞給mRNA,然后再經(jīng)過翻譯將其傳遞給蛋白質(zhì)。在翻譯過程中tRNA負(fù)責(zé)與特定氨基酸結(jié)合,并將它們運(yùn)送到核糖體,這些氨基酸在那里相互連接形成蛋白質(zhì)。這一過程由tRNA合成酶介導(dǎo),一旦出現(xiàn)問題就會(huì)生成錯(cuò)誤的蛋白質(zhì),進(jìn)而造成災(zāi)難性的后果。值得慶幸的是,tRNA分子與氨基酸的匹配非常精確,只不過迄今為止人們對(duì)這種機(jī)制還缺乏足夠的了解。
基因表達(dá)調(diào)控(regulation of gene expression or gene control):對(duì)基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)即為基因表達(dá)調(diào)控。
基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控;②mRNA加工、成熟水平上的調(diào)控;③翻譯水平上的調(diào)控。
原核生物的基因表達(dá)調(diào)控雖然比真核生物簡單,現(xiàn)已搞清楚了細(xì)菌的幾個(gè)操縱子模型,如:乳糖操縱子和色氨酸操縱子。真核生物細(xì)胞的組織多樣性以及基因結(jié)構(gòu)比原核生物更加復(fù)雜,基因調(diào)控范圍更大,真核生物基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機(jī)制很復(fù)雜。
1轉(zhuǎn)錄調(diào)控:轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是真核基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)真核基因表達(dá)是否受環(huán)境影響可分為:發(fā)育調(diào)控和瞬時(shí)調(diào)控。其中發(fā)育調(diào)控是指真核生物為確保自身生長、發(fā)育、分化等對(duì)基因表達(dá)按“預(yù)定”和“有序”的程序進(jìn)行的調(diào)控,是不可逆的過程;瞬時(shí)調(diào)控是指真核生物在內(nèi)、外環(huán)境的刺激下所做出的適應(yīng)性轉(zhuǎn)錄調(diào)控,是可逆過程
2轉(zhuǎn)錄后調(diào)控:基因轉(zhuǎn)錄后在mRNA加工、翻譯等過程中的調(diào)節(jié)。
參與調(diào)控的蛋白,在真核細(xì)胞中,稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子(transcription factors,TFs),而在原核細(xì)胞中,則常稱為調(diào)節(jié)蛋白(regulatory protein)。每個(gè)調(diào)控蛋白的結(jié)合位點(diǎn)通常都有特定的模式,被稱為模體(motif)。