生物化學與分子生物學/真核基因組的復雜性

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生物化學與分子生物學

基因表達調控
- 真核基因表達調控
  - 真核基因組的復雜性
  - 真核基因表達調控的特點
  - 真核基因轉錄水平的調控

▲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數量級，比細菌大千倍；大腸桿菌約有4000個基因，人則約有10萬個基因。

▲真核生物主要的遺傳物質與組蛋白等構成染色質，被包裹在核膜內，核外還有遺傳成分(如線粒體 DNA等)，這就增加了基因表達調控的層次和復雜性。

▲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，細菌多數基因按功能相關成串排列，組成操縱元的基因表達調控的單元，共同開啟或關閉，轉錄出多順反子(polycistron)的mRNA；真核生物則是一個結構基因轉錄生成一條mRNA，即mRNA是單順反子(monocistron)，基本上沒有操縱元的結構，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成的，這就涉及到多個基因協調表達的問題，真核生物基因協調表達要比原核生物復雜得多。

▲原核基因組的大部分序列都為基因編碼，而核酸雜交等實驗表明：哺乳類基因組中僅約10%的序列為蛋白質、rRNA、tRNA等編碼，其余約90%的序列功能至今還不清楚。

▲原核生物的基因為蛋白質編碼的序列絕大多數是連續的，而真核生物為蛋白質編碼的基因絕大多數是不連續的，即有外顯子(exon)和內含子(intron)，轉錄后需經剪接(splicing)去除內含子，才能翻譯獲得完整的蛋白質，這就增加了基因表達調控的環節。

▲原核基因組中除rRNA、tRNA基因有多個拷貝外，重復序列不多。哺乳動物基因組中則存在大量重復序列(repetitive sequences)。用復性動力學等實驗表明有三類重復序列：①高度重復序列(highly repetitive sequences)，這類序列一般較短，長10-300bp，在哺乳類基因組中重復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中度重復序列(moderatelyrepetitive sequences)，這類序列多數長100－500bp，重復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，長約300bp，在哺乳類不同種屬間相似，在基因組中重復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280次，5SrRNA基因重復2000次，tRNA基因重復1300次，5種組蛋白的基因串連成簇重復30-40次，這些基因都可歸入中度重復序列范圍。③單拷貝序列(single copy sequences)。這類序列基本上不重復，占哺乳類基因組的50-80%，在人基因組中約占65%。絕大多數真核生物為蛋白質編碼的基因在單倍體基因組中都不重復，是單拷貝的基因。

從上述可見真核基因組比原核基因組復雜得多，至今人類對真核基因組的認識還很有限，使現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序列后，要搞清楚人全部基因的功能及其相互關系，特別是要明了基因表達調控的全部規律，還需要經歷很長期艱巨的研究過程。