分子生物学2

生物信息的传递——从mRNA到蛋白质

蛋白质是基因表达的最终产物，它的生物合成包括：

1，翻译的起始

2，肽链的延伸

3，肽链的终止及释放

密码子的简并性

按照1个密码子由3个核苷酸组成的原则，4种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知道其中61个编码氨基酸的密码子，另外3个即UAA, UGA, UAG并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与tRNA的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。细菌中终止密码子常用UAA, UGA比UAG使用频率更高点，但UGA出错的可能性更大。

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实际上，除了甲硫铵酸( ATG)和色氨酸( UGG)只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并，对应于同一种氨基酸的密码子称为同义密码子(synonymous codon)。另外，AUG和GUG既是甲硫铵酸及缬氨酸的密码子又是起始密码子，这种双重功能在生物学上的意义尚不清楚。

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同义密码子一般不是随机分布的，因为其第一，第二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变并不一定影响所编码的氨基酸，这种安排减少了变异对生物的影响。一般来说，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率越高，只有精氨酸是个例外，因为CG双联子出现的频率较低，所以尽管有6个同义密码子，蛋白质中精氨酸的出现频率仍不高。

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密码子虽具有通用性，但也发现极少数例外。

摆动假说

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根据摆动假说，在密码子与反密码子配对中，前两对严格尊守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以"摆动"，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码子。

反密码子第一位(位数看上图)为A或C时只能识别1种密码子，为G或U时可以识别2种密码子，为I时可识别3种密码子。

tRNA：tRNA的3'端都以CCA-OH结束，该位点是tRNA与相应氨基酸结合的位点。

tRNA的三叶草形二级结构

。。。。。。

tRNA的L形三级结构

tRNA的种类：1，起始tRNA和延伸tRNA 

2，同工tRNA  多个tRNA来识别同一种氨基酸的密码子。

3，校( jiao)正tRNA

核糖体

在真核生物中，大多数正在进行蛋白质合成的核糖体都不是细胞质基质内自由漂浮，而是直接或间接与细胞骨架结构有关联或者与内质网膜结构相连。与内质网结合，形成微粒体。

核糖体包括两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的两倍。按照惯例，大，小亚基的命名是根据离心时的沉降速率而定的。原核生物：50S和30S, 完整核糖体70S

真核生物：60S和40S 两个亚基组成80S的核糖体。

蛋白质合成的生物学机制

1，氨基酸的活化

氨基酸必须在氨酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸——AA-tRNA。

续表

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2，翻译的起始

蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基，起始tRNA和几十个蛋白因子的参与，在模板mRNA编码区5'端形成核糖体-mRNA-起始tRNA 复合物并将甲酰甲硫铵酸放入核糖体P位点。

原核生物的起始tRNA是。。，真核生物是甲硫铵酸。原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合.....( page137)

5'-AGGAGGU-3'序列，这个富嘌呤区被命名为SD序列(ShineDalgarno sequence),它与30S亚基上16S rRNA 3'末端的富嘧啶区序列5'-GAUCACCUCCUUA-3'相互补。

翻译起始复合物的形成

mRNA的，与核糖体结合位点结合的，，能与16S rRNA配对的核苷酸的数目及这些核苷酸到起始密码子之间的距离是不一样的，反映了起始信号的不均一性。(也就是SD序列，与16S rRNA结合的核苷酸其数目及到起始密码子的距离都是不同的)。一般来说，相互补的核苷酸越多，30S亚基与mRNA起始位点结合的效率也越高。互补的核苷酸与AUG之间的距离也会影响mRNA-核糖体复合物的形成及其稳定性。page138

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肽链的延伸

与翻译的起始不同，蛋白质延伸机制在原核细胞和真核细胞之间是非常相似的。起始复合物生成，第一个氨基酸( fMet/Met-tRNA)与核糖体结合以后，肽链开始伸长。按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括AA-tRNA与核糖体结合，肽键的生成和移位。

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后续AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNA·EF-Tu·GTP复合物，然后结合到核糖体的A位点上。这时GTP被水解释放，通过延伸因子EF-Ts再生GTP，形成EF-Tu·GTP复合物，进入新一轮循环。

细菌中肽链延伸的第一步反应：第二个氨酰-tRNA的结合:  该氨酰-tRNA首先与            EF-Tu·GTP形成复合物，进入核糖体的A位点，水解产生GDP并在EF-Ts的作用下释放GDP并使EF-Tu结合另一分子GTP,进入新一轮循环

模板上的密码子决定了那种AA-tRNA能被结合到A位点上。由于EF-Tu只能与fMet-tRNA以外的其他AA-tRNA起反应，所以起始tRNA不会被结合到A位点上，这就是mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中间不会出现甲酰甲硫铵酸的原因。

肽键的形成：

经过上一步反应后，在                                  核糖体·mRNA·AA-tRNA 复合物中，        AA-tRNA占据A位点，fMet-tRNA^fMet占据P位点。在肽基转移酶(peptidyl transferase)的催化下，A位点上的AA-tRNA转移到P位点，与fMet-tRNA^fMet上的氨基酸生成肽键。起始tRNA在完成使命后离开核糖体P位点，A位点准备接受新的AA-tRNA,开始下一轮合成反应。

细菌中肽链延伸的第二步反应：肽链的生成

移位

肽键延伸过程中最后一步反应是移位，即核糖体向mRNA 3'端方向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子相结合的二肽酰-tRNA2从A位点进入P位点，去氨酰tRNA被挤入E位点，mRNA上的第三位密码子则对应于A位点。EF-G是移位所必需的蛋白质因子，移位的能量来自另一分子GTP水解。

肽链的终止

肽链的延伸过程中，当终止密码子UAA,UAG,或UGA出现在核糖体的A位点时，没有相应的AA-tRNA能与之结合，而释放因子( release factor,RF)能识别这些密码子并与之结合，水解P位点上多肽链与tRNA之间的二脂键。

释放因子有两类:Ⅰ类释放因子，Ⅱ类释放因子

蛋白质前体的加工

1，N端fMet或Met的切除

左：新生蛋白质在去掉N端一部分残基后变成变成有功能的蛋白质；                                右：某些病毒或细菌可合成无活性的多聚蛋白质，经蛋白酶切割后成为有活性的蛋白质。

2，二硫键的形成

mRNA中没有胱氨酸的密码子，而不少蛋白质都好有二硫键，这是蛋白质合成后通过两个半胱氨酸的氧化作用生成的。二硫键的正确形成对稳定蛋白的天然构象具有重要作用。

3，特定氨基酸的修饰

氨基酸侧链的修饰作用包括磷酸化，糖基化，甲基化，乙酰化，泛素化，羟基化，羧基化。

4，切除新生肽链中的非功能片段

蛋白质的折叠

。。。有些蛋白质只有在另一些蛋白质存在的情况下才能正确完成折叠过程，形成功能蛋白质。分子伴侣(molecular chaperone)是目前研究比较多的能够在细胞内辅助新生肽链正确折叠的蛋白质。它是一类序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白质，它们在细胞内能帮助其他多肽进行正确的折叠，组装，运转和降解。目前认为细胞内至少有两类分子伴侣家族，即热休克蛋白(heat shock protein)家族和伴侣素( chaperonin)

蛋白质合成的抑制剂

蛋白质生物合成的抑制剂主要是一些抗生素，如嘌呤霉素，链霉素，四环素，氯霉素，红霉素等，此外，如5-甲基色氨酸，环己亚胺，白喉毒素，干扰素，蓖麻蛋白和其他核糖体灭活蛋白等都能抑制蛋白质的合成。

蛋白质的运转机制

核糖体是真核生物细胞内合成蛋白质的场所，几乎在任何时候，都有数以百计或千计的蛋白质离开核糖体并被运输到细胞质基质，细胞核，线粒体，内质网和溶酶体，叶绿体等各个部分，补充和更新细胞功能。

蛋白质运转可分为两大类：若某个蛋白质的合成和运转是同时发生的，则属于翻译运转同步机制；若蛋白质从核糖体上释放后才发生运转，则属于翻译后运转机制。如下表，分泌蛋白大多是以翻译-运转同步机制运输的。

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蛋白质合成和运转过程示意图

翻译-运转同步机制

信号肽假说：这一假说认为，蛋白质跨膜运转信号也是由mRNA编码的。在起始密码子后，有一段编码疏水性氨基酸序列的RNA区域，这个氨基酸序列被称为信号肽( single peptide)。信号序列在结合核糖体上合成后便与膜上特定受体相互作用，产生通道，允许这段多肽在延长的同时穿过膜结构，因此，这种方式是边翻译边跨膜运转。

绝大部分被运入内质网的蛋白质都带有一个信号肽，该序列常常位于蛋白质的氨基末端，长度一般为13~36个残基，有如下3个特点：1，一般带有10~15个疏水氨基酸；2，在靠近该序列N端常常有1个或数个带正电荷的氨基酸；3，在其C末端靠近蛋白酶切割位点处常常有数个极性氨基酸，离切割位点最近的那个氨基酸往往带有很短的侧链(丙氨酸或甘氨酸)。

根据信号肽假说，同细胞质基质中其他蛋白质的合成一样，分泌蛋白的生物合成开始于结合核糖体，当翻译进行到50~70个氨基酸残基之后，信号肽开始从核糖体的大亚基露出，被糙面内质网膜上的受体识别，并与之相结合。信号肽过膜后被内质网腔的信号肽酶水解，正在合成的新生肽随之通过蛋白孔道穿越疏水的双层磷脂。一旦核糖体移到mRNA的"终止"密码子，蛋白质合成即告完成，翻译体系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖体重新处于自由状态。

关于信号肽：

1，完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件

2，仅有信号肽还不足以保证蛋白质运转的发生

3，信号肽的切除并不是运转所必须的

4，并非所有的运转蛋白质都有可降解信号肽

下图中：SRP：signal relognition particle,信号识别颗粒。  DP：停靠蛋白  docking protein,又称SRP受体。SRP能同时识别正在合成需要通过内质网膜进行运转的新生肽和自由核糖体，它与这类核糖体上新生蛋白的信号肽结合是多肽正确运转的前提，但同时也导致了该多肽合成的暂时终止(此时新生肽一般长70和残基左右)。SRP-信号肽-多核糖体复合物即被引向内质网膜并与SRP的受体——DP相结合。

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翻译后运转机制：

线粒体DNA信息含量有限，大部分线粒体蛋白质都是由核DNA编码的。在自由核糖体上合成。通过翻译后运转机制

核定位蛋白的运转机制：

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泛素化修饰介导的蛋白质降解：

泛素(ubiquitin)是一类低相对分子质量的蛋白质，只有76个氨基酸残基，序列高度保守(从酵母和人细胞中提取的泛素几乎是完全相同的!)泛素化是指泛素分子在泛素激活酶，结合酶，连接酶等的作用下，对靶蛋白进行特异性修饰的过程，在该过程中，泛素C端甘氨酸残基通过酰胺键与底物蛋白的赖氨酸残基的ε氨基结合。在蛋白质分子的一个位点上可结合单个或多个泛素分子。

泛素化修饰涉及泛素激活酶E1，泛素结合酶E2和泛素连接酶E3等3个酶的级联反应：首先在ATP提供能量的情况下，泛素激活酶E1黏附在泛素分子尾部的Cys(半胱氨酸)残基上激活泛素，E1酶再将激活的泛素分子转移到泛素结合酶E2上，再由E2酶和一些种类不同的泛素连接酶E3酶共同识别靶蛋白，对其进行泛素化修饰。根据E3与靶蛋白的相对比例可以对靶蛋白进行单泛素化修饰和多泛素化修饰。E3酶的外形就像一个夹子，将靶蛋白固定在中间的空隙内。蛋白质被泛素化以后，被标记的蛋白质常被运送到相对分子质量高达1*10^6的蛋白降解体系中直到该蛋白被完全降解。蛋白质的泛素化修饰是翻译后修饰的一种常见形式。

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蛋白质的SUMOylation

蛋白质的NEDDylation

蛋白质的一级结构对蛋白质稳定性的影响

成熟蛋白N端的第一个氨基酸(除已被切除的N端甲硫铵酸之外，但包括翻译后修饰产物)在蛋白质的降解中有着举足轻重的影响。当某个蛋白质的N端是甲硫铵酸，甘氨酸，丙氨酸，丝氨酸，苏氨酸和缬氨酸时，表现稳定。其N端为赖氨酸，精氨酸时，表现最不稳定，平均2~3min就被降解了。

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原核基因表达调控

自然选择倾向于保留高效率的生命过程。

如DNA聚合酶，RNA聚合酶等都是代谢过程中必需的酶或蛋白，其合成速率不受环境变化或代谢状态影响，这一类蛋白质被称为组成型(constitutive)合成蛋白质。另一类型则被称为适应型或调节型(adaptive or regulated),因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。例如，一般情况下，一个大肠杆菌细胞中只有15个分子的β-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每个细胞中这个酶的量可高达几万个分子。

基因表达调控主要表现在以下两个方面：

1，转录水平上的调控

2，转录后水平上的调控(包括mRNA加工成熟水平，翻译水平)

原核基因表达调控分类

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原核生物的基因表达调控主要发生在转录水平上，根据调控机制不同可分为负转录调控(negative transcription regulation和正转录调控(positive transcription regulation)。在负转录调控中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)，起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导(诱导因子结合阻遏蛋白，阻遏蛋白失活，基因开始转录)和负控阻遏(共阻遏蛋白结合后，非活性阻遏才可以去阻遏蛋白表达)两大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物(诱导物)结合时，结构基因不转录，在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白作用部位是操控区。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。在正控诱导系统中，效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态，在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。

参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是σ因子，基因组序列分析后发现至少存在6种σ因子。

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除了参与氮代谢的σ54(上标)以外，其他5种σ因子在结构上具有相似性，所以统称σ70(上标)家族。研究发现，所有σ因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA(如上图)，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。与上述σ因子特异性结合DNA上的-35区和-10区不同，σ54(上标)识别并与DNA上的-24和-12区相结合。

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原核基因表达调控的特点：

1，可诱导调节

如乳糖操纵子，大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好，在只含有乳糖的培养基中开始生长不好，直到合成了利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。细菌获得这一能力的原因就是因为在诱导物乳糖的诱导下开启了乳糖操纵子，表达它所编码的3个酶：β-半乳糖苷酶(使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖)，β-半乳糖苷透过酶(使乳糖进入细菌细胞内)，β-半乳糖乙酰基转移酶(使β-半乳糖第六位碳原子乙酰化)。这个操纵子开启的效果十分明显。

2，可阻遏调节

这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。

弱化子对基因活性的影响

属于这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操纵子，苯丙氨酸操纵子，苏氨酸操纵子，异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子，嘧啶合成操纵子等。这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。这种因为核糖体在基因转录产物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构。。。。。(详细见色氨酸基因操纵子结构)

降解物对基因活性的调节

操纵子学说的核心是使基因从表达抑制状态中解脱出来进行转录，是从负调控的角度来考虑基因表达调控的。与此相反的是降解物抑制作用的调节。：：：有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖，半乳糖，阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少环腺苷酸(cAMP)的合成，与它相结合膜蛋白质，即环腺苷酸受体蛋白(CRP)又称分解代谢物激活蛋白(CAP)，因为找不到配体而不能形成复合物。摘抄自百度：在葡萄糖没有被利用完之前，乳糖操纵子就一直被阻遏，乳糖不能被利用，这是因为葡萄糖的分解物引起细胞内cAMP含量降低，未结合cAMP的CAP蛋白不能与启动子结合，RNA聚合酶不能与乳糖的启动基因结合，以至转录不能发生，直到葡萄糖被利用完后，乳糖操纵子才进行转录，形成利用乳糖的酶，这种现象称葡萄糖效应。

细菌的应急反应

当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，其浓度可增加10倍以上。。。。这是细菌的应急反应。

乳糖操纵子与负控诱导系统

大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)包括3个结构基因：lacZ，lacY,和lacA，以及启动子，控制子，阻遏子等。如下图。转录时，RNA聚合酶首先与启动子区(promoter,P)结合，通过操纵区(operator,O)向右转录。转录从O区中间开始，按lacZ->lacY->lacA方向进行，每次转录出来一条mRNA上都带有这3个基因。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。

lac操纵子主要组分分析

3个结构基因各决定一种酶：lacZ编码β-半乳糖苷酶；lacY编码β-半乳糖透过酶；lacA编码β-半乳糖乙酰基转移酶。

β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖苷(如苯基半乳糖苷)。β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷(如乳糖)透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内，所以如果用乳糖作为大肠杆菌生长的唯一碳源和能源，这两种酶是必需的。β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖，它在乳糖的利用中并非必需的。

乳糖操纵子与负控诱导系统：

1，酶的诱导——lac体系受调控的证据

2，操纵子模型及其影响因子

3，lac操纵子DNA的调控区域——P,O区

4，lac操纵子中的其他问题

色氨酸操纵子与负控阻遏系统：

1，trp操纵子的阻遏系统

2，弱化子与前导肽

3，trp操纵子弱化机制的实验依据

4，trp操纵子的其他调控机制

其他操纵子：

1，半乳糖操纵子

2，阿拉伯糖操纵子

3，阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答

4，二组分调控系统和信号转导

5，多启动子调控的操纵子

固氮基因调控

1，固氮酶

2，与固氮有关的基因及其表达调控

3，根瘤的产生以及根瘤相关基因的调控

转录水平上的其他调控方式

1，σ因子的调节作用

2，组蛋白类似蛋白的调节作用

3，转录调控因子的作用

4，抗终止因子的调节作用

转录后调控

1，mRNA自身结构元件对翻译的调节

2，mRNA稳定性对转录水平的影响

3，调节蛋白的调控作用

4，反义RNA的调节作用

5，稀有密码子对翻译的影响

6，重叠基因对翻译的影响

7，翻译的阻遏

8，魔斑核苷酸水平对翻译的影响

page253。。。关于原核基因表达调控到此为止。有必要再回过头来补充。

真核基因表达调控

真核基因表达调控相关概念和一般规律

基因表达的基本概念

一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因即基因组(genome),它包括每一条染色体和所有亚细胞器的DNA序列信息。基因则是指能产生一条肽链或功能RNA所必需的DNA片段。它包括编码区和上下游区域，以及在编码片段间(外显子)的间断切割序列(内含子)。基因经过转录，翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或RNA分子的过程称为基因表达(gene expression)。基因表达是受内源及外源信号调控的。这个调控过程称为基因表达(gene regulation or regulation of gene expression)。

如果要在原核细胞里表达真核基因，必须先构建切除内含子的重组基因，才有可能得到需要的蛋白质。

真核基因断裂结构一个重要特点是外显子-内含子连接区(exon-intron junction)的高度保守性和特异性碱基序列。外显子-内含子连接区就是指外显子和内含子的交界或称边界序列。它有两个重要特征：内含子的两端序列之间没有广泛的同源性，因此内含子两端序列不能互补，说明内含子加工之前，内含子上游序列和下游序列不可能通过碱基配对形成发夹式二级结构。外显子-内含子连接区序列虽然很短，但却是高度保守的，因此，该序列可能与剪接机制密切相关，是RNA剪接的信号序列。

序列分析表明，几乎每个内含子5'端起始的两个碱基都是GT，而3'端最后两个碱基总是AG，称GT-AG法则，

线粒体基因和酵母tRNA基因中不存在这类保守序列，暗示存在着不同类型的加工剪接过程。

组成型剪接

选择性剪接

基因家族：

在原核细胞中，密切相关的基因往往组成操纵子，并且以多顺反子mRNA的方式进行转录，整个体系被置于一个启动子之下。真核细胞的DNA是单顺反子结构，很少出现置于一个启动子之下的操纵子。真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族(gene family)。同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇；但更多时候，它们分散在同一个染色体的不同部位，甚至位于不同的染色体上，具有各自不同的表达调控模式。

1，简单多基因家族

简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。在大肠杆菌中16S，23S，5S rRNA基因联合成一个转录单位，各种rRNA分子都是从这个转录单位上剪切下来的。事实上，细菌中所有rRNA和部分tRNA都来自这个沉降系数为30S(约6500个核苷酸)的前rRNA。初级转录产物首先被特异性甲基化，然后分别经RNase Ⅲ，RNase P 和RNase E 在特定位点切开，生成17S rRNA，tRNA，          25S rRNA和5S rRNA前体分子，最后由特定核酸酶降解部分非必需序列，得到成熟16S rRNA，tRNA，23S rRNA和5S rRNA。参与前rRNA降解成熟过程的RNase P是一个核酶。基因组分析表明，大肠杆菌中共有7个这样的拷贝，每一个拷贝中只有tRNA基因的种类，数量和存在部位有些变化。个别拷贝中5S rRNA基因下游还发现了部分共同转录的tRNA基因。

细菌中rRNA基因家族各成员的分布与成熟过程分析

在真核生物中，前rRNA转录产物的沉降系数为45S(约有14000个核苷酸)，包括18S，28S和5.8S三个主要rRNA分子。前rRNA分子中至少有100处被甲基化(主要是核糖的      2-OH甲基化)，初级转录产物也被特异性RNA酶切割降解，产生成熟rRNA分子。这个过程需要snoRNAs的参与。5S rRNA作为一个独立的转录单位，由RNA聚合酶Ⅲ(而不是聚合酶Ⅰ)完成转录。

脊椎动物中rRNA基因家族主要成员的分布与成熟过程分析

2，复杂多基因家族

复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。在海胆的组蛋白基因家族中，5个分别编码不同组蛋白的基因处于一个约为6000bp的片段中，分别被间隔序列所隔开。这5个基因组成的串联单位在整个海胆基因组中重复多达1000次。串联单位中每一个基因分别被转录成单顺反子RNA，这些RNA都没有内含子，而且各基因在同一条DNA链上按同一方向转录，每个基因的转录与翻译速度都受到调节。组蛋白只有在适合于染色体复制的情况下才大量合成，并且所合成的H2A H2B  H3  H4物质的量(mol)相等，而H1恰好是前者的一半，正符合染色体组蛋白的实际比例。研究还表明，在一个特定的细胞中，并非所有串联的单位都得到转录。胚胎发育的不同阶段或不同组织中，有不同的串联单位被转录，暗示可能存在具有不同专一性的组蛋白亚类和发育调控机制。

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果蝇tRNA基因家族具有两个海胆组蛋白家族没有的特点，那就是在基因家族中含有3个tRNA(Lys上标)，而且基因家族中的每个基因都单独按各自的方向进行转录。

3，发育调控的复杂多基因家族

血红蛋白是动物体内输送分子氧的主要载体，由2α2β组成的四聚体加上一个血红素辅基(结合铁原子)后形成功能性血红蛋白。已知所有动物物种中血红蛋白基因的基本结构都相同。然而，在生物个体发育的不同阶段，却出现几种不同形式的α和β亚基。人α-珠蛋白基因簇位于16号染色体短臂上，占30kb左右，其中ζ为胚胎期基因。β-珠蛋白基因簇位于11号染色体短臂上，占50~60kb，其中ε为胚胎期基因，G(γ上标)和A(γ上标)为胎儿期基因，δ和β为成人期基因。

珠蛋白基因的基本结构(以人的β-珠蛋白基因结构为例)

基因表达的方式和特点

1，基因表达方式

根据对刺激的反应模式，可分为组成性表达和选择性表达两大类。

某些基因在个体的所有细胞中持续表达，这些基因即为管家基因，其表达模式又被称为组成性基因表达(constitutive gene expression)。管家基因通常具备以下特点：            1，是细胞结构和代谢过程中所必需的基因，例如编码rRNA，肌动蛋白，微管蛋白等的基因；2，通常能够保持较高的表达量，根据这些特点，实验研究中常把rRNA，肌动蛋白或微管蛋白基因作为RT-PCR的对照。

在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因(inducible gene)。而如果基因被环境信号抑制，这种基因就是可阻遏基因。

2，基因表达的时空特异性

真核基因表达调控一般规律

真核生物基因调控可分为两大类，第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降时，或细胞周期不同阶段中酶活性的调节；第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长，分化，发育的全部进程。根据基因调控在同一事件中发生的先后次序，又可将其分为转录水平调控(transcriptional regulation)及转录后水平调控(post-transcriptional regulation)。

真核基因表达调控的主要步骤

真核基因表达的转录水平调控

1，在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，原核生物中常见的多基因操纵子形式在真核细胞中比较少见。

2，真核细胞中的DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，只有一小部分DNA是裸露的。

3，高等真核细胞DNA中大部分不转录，