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:
·真核基因組比原核基因組大得多,大腸桿菌基因組約4×106bp,哺乳類基因組在109bp數(shù)量級(jí),比細(xì)菌大千倍;大腸桿菌約有4000個(gè)基因,人則約有10萬個(gè)基因。
·真核生物主要的遺傳物質(zhì)與組蛋白等構(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(dá)調(diào)控的層次和復(fù)雜性。
·原核生物的基因組基本上是單倍體,而真核基因組是二倍體。
·如前所述,細(xì)菌多數(shù)基因按功能相關(guān)成串排列,組成操縱元的基因表達(dá)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;真核生物則是一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成一條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(xì)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(gè)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的問題,真核生物基因協(xié)調(diào)表達(dá)要比原核生物復(fù)雜得多。
·原核基因組的大部分序列都為基因編碼,而核酸雜交等實(shí)驗(yàn)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。
·原核生物的基因?yàn)榈鞍踪|(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)編碼的基因絕大多數(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(splicing)去除內(nèi)含子,才能翻譯獲得完整的蛋白質(zhì),這就增加了基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)。
·原核基因組中除rRNA、tRNA基因有多個(gè)拷貝外,重復(fù)序列不多。哺乳動(dòng)物基因組中則存在大量重復(fù)序列(repetitive sequences)。用復(fù)性動(dòng)力學(xué)等實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)10-300bp,在哺乳類基因組中重復(fù)106次左右,占基因組DNA序列總量的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),這類序列多數(shù)長(zhǎng)100-500bp,重復(fù)101-105次,占基因組10-40%。例如哺乳類中含量最多的一種稱為Alu的序列,長(zhǎng)約300bp,在哺乳類不同種屬間相似,在基因組中重復(fù)3-×105次,在人的基因組中約占7%,功能也還不很清楚。在人的基因組中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重復(fù)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)。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%。絕大多數(shù)真核生物為蛋白質(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(duì)真核基因組的認(rèn)識(shí)還很有限,使現(xiàn)在國(guó)際上制訂的人基因組研究計(jì)劃(human gene project)完成,繪出人全部基因的染色體定位圖,測(cè)出人基因組109bp全部DNA序列后,要搞清楚人全部基因的功能及其相互關(guān)系,特別是要明了基因表達(dá)調(diào)控的全部規(guī)律,還需要經(jīng)歷很長(zhǎng)期艱巨的研究過程。
二、真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)
盡管我們現(xiàn)在對(duì)真核基因表達(dá)調(diào)控知道還不多,但與原核生物比較它具有一些明顯的特點(diǎn)。
(一)真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多
如前所述,基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個(gè)過程。同原核生物一樣,轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細(xì)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(gè)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。圖19-13扼要地列出真核基因表達(dá)的各個(gè)可能的環(huán)節(jié)。
圖19-13 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的可能環(huán)節(jié)
圖19-13總結(jié)了以前章節(jié)敘述過的基因表達(dá)過程,并作了一些新補(bǔ)充。圖中標(biāo)出了真核細(xì)胞在分化過程中會(huì)發(fā)生基因重排(gene rearrangement),即胚原性基因組中某些基因會(huì)再組合變化形成第二級(jí)基因。例如編碼完整抗體蛋白的基因是在淋巴細(xì)胞分化發(fā)育過程中,由原來分開的幾百個(gè)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白編碼的可表達(dá)的基因。這種基因重排使細(xì)胞可能利用幾百個(gè)抗體基因的片段,組合變化而產(chǎn)生能編碼達(dá)108種不同抗體的基因,其中就有復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理。
此外,真核細(xì)胞中還會(huì)發(fā)生基因擴(kuò)增(gene amplification),即基因組中的特定段落在某些情況下會(huì)復(fù)制產(chǎn)生許多拷貝。最早發(fā)現(xiàn)的是蛙的成熟卵細(xì)胞在受精后的發(fā)育過程中其rRNA基因(可稱為rDNA)可擴(kuò)增2000倍,以后發(fā)現(xiàn)其他動(dòng)物的卵細(xì)胞也有同樣的情況,這很顯然適合了受精后迅速發(fā)育分裂要合成大量蛋白質(zhì),需要有大量核糖體。又如MTX(methotrexate)是葉酸的結(jié)構(gòu)類似物,一些哺乳類細(xì)胞會(huì)對(duì)含有利用葉酸所必需的二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase, DHFR)基因的DNA區(qū)段擴(kuò)增40?00倍,使DHFR的表達(dá)量顯著增加,從而提高對(duì)MTX的抗性;虻臄U(kuò)增無疑能夠大幅度提高基因表達(dá)產(chǎn)物的量,但這種調(diào)控機(jī)理至今還不清楚。