基因表达是如何被调控的？

 

来源公众号：bioinfotec　作者：bioinfotec

基因表达是一个受控的过程。调控使得生物体能够以高效节能的方式，迅速并有效地应对细胞内外的环境刺激。当细胞接收到生产特定分子产物的信号时，某个基因才会被“开启”或表达。

受调控的基因表达使细胞能够在恰当的时间生产身体所需的产物。调控作用贯穿于基因表达的各个阶段：转录、转录产物加工以及翻译。

转录调控

转录是基因表达的第一步，就像在生成蛋白质之前先写一份“生产说明书”。这个说明书就是mRNA，它是由一种叫RNA聚合酶的酶来“抄写”DNA内容而来的。

在基因表达的所有环节中，转录阶段是最常被调控的，因为一旦转录开始，后面的步骤也很容易顺着进行下去，所以在这一步进行“把关”最有效。

真核生物的mRNA转录主要由RNA聚合酶II完成，这是一种专门识别和抄写蛋白质编码基因的酶。

转录过程分为三个主要阶段：

1. 起始（initiation）：RNA聚合酶找到正确的起点，开始解开DNA；
2. 延伸（elongation）：RNA聚合酶沿着DNA模板向前移动，合成出mRNA链；
3. 终止（termination）：RNA聚合酶完成抄写并释放mRNA，结束转录。

在这些阶段中，“起始”阶段的调控最关键，它决定了一个基因是否会被开启、开启得多频繁。

转录起始阶段

当细胞需要某种蛋白质时，转录过程就会启动。在转录开始前，会先形成一个由多种调控分子组成的复合体，这被称为转录起始复合物（TIC）。

最早参与TIC形成的是转录因子，它们是调控基因表达的关键蛋白质。人体细胞中含有数千种转录因子。转录因子能够识别并结合到特定的DNA序列或“基序（motif）”上。

转录因子结合的位置是基因上的启动子区域（promoter），这个区域包含一个特定的核苷酸序列，叫做TATA盒（TATA box），它位于转录起始位点的上游。当转录因子就位后，RNA聚合酶会找到并结合到启动子上，牢牢地夹住DNA。

接着，DNA上另一个可能距离TIC较远的区域——增强子（enhancer），也会通过DNA弯曲的方式靠近TIC上方。调控蛋白质会帮助这个结构的形成和定位。

最后，一个由多种蛋白质组成的大型复合物——介导子复合体（mediator），会结合到增强子上的激活蛋白（activator proteins）上，像桥梁一样连接起RNA聚合酶、转录因子和增强子序列。

只有当所有这些调控基因和分子都处于活跃状态并到达正确位置时，转录才能真正开始。

转录延长阶段

当转录进入延伸阶段时，构成转录起始复合物的调控分子会被释放，RNA聚合酶从启动子区域开始沿DNA移动。

转录延伸是通过反复添加互补的核苷酸来合成一条mRNA链的过程。

核苷酸的添加由转录延伸因子控制，这些蛋白质可以稳定RNA聚合酶与DNA之间的结合，并调节转录速度。
RNA聚合酶平均的延伸速度大约是每秒60个碱基。

新生成的RNA链会暴露在细胞酶的攻击下。为防止被降解，其5’端会加上一个甲基化帽子，起到保护作用。

转录终止阶段

延伸过程会持续，直到调控蛋白识别到特定的终止序列。此时，转录终止，RNA聚合酶和新生成的mRNA会从DNA模板上分离出来。

与转录过程的其他阶段一样，终止过程也很复杂，涉及多个分子参与。

新转录完成的mRNA在3’末端也需要保护。通常会加上一串腺嘌呤（A）碱基，这个过程叫做加多腺苷化（polyadenylation）。这个poly-A尾巴可以增强mRNA的稳定性，防止其被降解。

剪接（Splicing）

在mRNA进入细胞质之前，它还需要进一步的加工处理。剪接的过程会将内含子去除，剩下的外显子被连接在一起，形成一条完整的mRNA分子。
剪接是由一种称为剪接体的RNA和蛋白质复合体执行的，这一过程受到特定序列识别机制的调控。剪接机制能够识别mRNA上应当切割的位置，并将剩余外显子的两端重新连接在一起。

加工完成的mRNA随后离开细胞核，进入细胞质，参与下一阶段的蛋白质合成：翻译。

翻译调控

在翻译过程中，mRNA的核苷酸序列会被转译成蛋白质的氨基酸序列。翻译需要复杂的分子机器，包括核糖体、转运RNA，以及许多辅助的调控分子。

与转录类似，翻译也包括三个受控阶段：起始、延伸和终止。

翻译起始阶段

翻译起始阶段是将一个核糖体复合体组装到mRNA的起始位点上，这个位点由起始密码子AUG指定。

一个核糖体包含小亚基和大亚基。

起始因子和酶会调节翻译起始过程，这些调控分子共同形成一个起始复合物，其中包括蛋白质、核糖体、mRNA和tRNA。

翻译延伸阶段

延伸过程是将氨基酸按照mRNA指定的顺序逐一添加到不断增长的多肽链上。

这一过程由称为延伸因子（elongation factors）的蛋白质控制，它们帮助将对应的tRNA送入核糖体。

翻译终止阶段

当核糖体遇到终止密码子时，翻译结束，终止密码子决定蛋白质的长度。
这一过程涉及名为释放因子（release factors）的蛋白质。终止时，多肽链被释放，核糖体也从mRNA上解离。

来源网址：基因表达是如何被调控的？