Question

为什么真核生物基因组中编码基因的数量远少于其体内的蛋白质种类数量

Answer 1

真核物基表达调控远比原核物复杂,发DNA水平、转录水平、转录修饰、翻译水平翻译修饰等种同层（图 真核物基表达能调控环节）.,经济、主要调控环节仍转录水平.
（）DNA水平调控
DNA水平调控通改变基组关基数量、结构顺序性控制基表达.类调控机制包括基扩增、重排或化修饰.其些改变逆.
1、基剂量与基扩增
细胞些基产物需要量比另些,细胞保持种特定比例式基组同基剂量同.例,A、B两基,假转录、翻译效率相同,若A基拷贝数比B基20 倍,则A基产物20倍.组蛋白基基剂量效应典型实例.合量组蛋白用于形染色质,数物种基组含数百组蛋白基拷贝.
基剂量经基扩增临增加.两栖物蟾蜍卵母细胞,体细胞百倍,需要合量核糖体.核糖体含rRNA,基组rRNA基数目远远能满足卵母细胞合核糖体需要.所卵母细胞发育程,rRNA基数目临增加4000倍.卵母细胞前体同其体细胞,含约500rRNA基（rDNA）.基扩增,rRNA基拷贝数高达2×106.数目使卵母细胞形1012核糖体,满足胚胎发育早期蛋白质量合需要.
基扩增前,500rRNA基串联式排列.发扩增3周间,rDNA再单连续DNA片段,形量环即复制环,增加基拷贝数目.种rRNA基扩增发许物卵母细胞发育程,包括鱼、昆虫两栖类物.目前种基扩增机制并清楚.
某些情况,基扩增发异细胞.例,类癌细胞许致癌基,经量扩增高效表达,导致细胞繁殖失控.些致癌基扩增速度与病症发展及癌细胞扩散程度高度相关.
2．基丢失
些低等真核物细胞化程,些体细胞通丢失某些基,达调控基表达目,种极端形式逆基调控式.
某些原物、线虫、昆虫甲壳类物体发育定阶段,许体细胞丢失整条染色体或部染色体,化殖细胞些细胞保留着整套染色体.马蛔虫,体发育定阶段,体细胞染色体破碎,形许染色体,其些染色体没着丝粒,能细胞裂配丢失,形殖细胞细胞存染色体破碎现象.
,基丢失现象高等真核物未发现.
3．DNA重排（基重排）
基重排(gene rearrangement)指DNA核苷酸序列重新排列.些序列重排形新基,调节基表达.种重排由基组特定遗传信息决定,重排基序列转录mRNA,翻译蛋白质.
尽管基组DNA序列重排并种普通式,些基调控重要机制,真核物细胞发育起关键作用.
⑴酵母交配型转换.
啤酒酵母交配型转换DNA重排结.酵母菌两种交换型,别aα.单倍体aα间配合才能产二倍体a/α,经减数裂及产孢程形单倍体四,其aα孢比例2：2.单独培养基型aα孢,由于仅与亲代相同交配型基型,所形孢间能发交配.酵母菌种同宗配合交配类型,其细胞转换应交配类型,使细胞间发配合.
起始单倍体孢（α）发育母细胞及芽细胞,芽细胞再细胞.裂,母细胞及新形细胞转换应交配型a,结两α 两a型细胞.相应交配型细胞融合形a/α二倍体合（交配）.再经丝裂及产孢程形单倍体孢.种交配型转换基础遗传物质重排.控制交配型MAT基位于酵母菌第3染色体,MATaMATα互等位基.含MATa单倍体细胞a交配型,具MATα基型细胞α交配型.MAT位点两端,类似MAT基HMLaHMRa基,别位于第3染色体左臂右臂.两基别具与MATαMATa 相同序列,其基游各抑制转录起始沉默,所表达.
交换型转换由HO内切核酸酶(HO endonuclease)作用始(图8－19).内切酶MATa基内段24bp双链DNA切,另种核酸外切酶双链DNA切口,5′3′加工产段突3′单链尾端序列（约500核苷酸）,MATa基用段单链系列插入MATα基同源序列,HMLα序列模板,合段新HMLα基序列,再通重组使HMLα整合MATa序列,导致基转换,由MATa转换MATα.重组程,段244bp重组强化(recombinant enhancer, RE)重组起顺式调控作用,基转换所必须,RE缺失则能发基转换.段RE序列位于第3染色体左臂,靠近HMLα位点.
MAT基编码种与MCM1转录互作调控蛋白,控制其基转录.MATaMATα基产物MCM1具同影响,表现同等位基特异表达模式.红色面包霉及其真菌现四孢异比例,重组产基转换形.
（2）物抗体基重排
哺乳物产108同抗体,每种抗体具与特定抗原结合能力.抗体蛋白质,每种特异抗体具同氨基酸序列.抗体遗传表达基编码条肽链,哺乳物需要108基编码抗体,数目至少整基组基数目（现估计类基组编码蛋白质基概30000左右）1000倍.能实现!
哺乳物采用机制形众同抗体呢?
首先我看抗体结构（图 抗体结构）.抗体包括两条别约440氨基酸重链（heavy chain, H）两条别约214氨基酸轻链（light chain, L）.同抗体差别主要重链轻链氨基端（N端）,故N端称变异区（variable region, V）,N端度约110氨基酸.同抗体羧基端（C端）序列非相似,称恒定区（constant region, C）.抗体轻链、重链间两条重链间由二硫键连接,形种四链（H2L2）结构免疫球蛋白.
类基组,所抗体重链轻链都由固定完整基编码,由同基片段经重排形完整基编码.
完整重链基由VH、D、JC四基片断组合,完整轻链基由VL、JC三3片段组合.
第14号染色体具86重链变异区片段（VH）,30区片段（diverse,D）,9连接区片段（jioning,J）及11恒定区片段（C）.
轻链基3片段,变异区（VL）,连接区(J)恒定区(C).类轻链2型：κ型（Kappa轻链,κ）λ型（Lambda轻链,λ）.κ轻链基位于第2号染色体,λ轻链基位于第22号染色体 随着B淋巴细胞发育,基组抗体基DNA水平发重组,形编码抗体完整基（图 类抗体重链基结构）.每重链重排,首先V区段与D区段连接,与J区段连接,与C区段连接,形完整抗体重链基.每淋巴细胞种重排抗体基.
轻链重排式与重链基本相似（图 类抗体κ链基结构）,所同轻链由3同片断组.
重链轻链基重排转录,再翻译蛋白质,由二硫键连接,形抗体.
产免疫球蛋白性遗传控制：
重链轻链同组合,κ、λ、H；
重链,V、D、JC片段组合；
κ轻链VC组合；
λ轻链V、JC组合；
外,基片段间连接点几bp范围内移.
,约300抗体基片段产109 数量级免疫球蛋白.
3. DNA甲基化甲基化
真核物DNA,少数胞嘧啶碱基第5碳氢甲基化酶催化甲基取代,使胞嘧啶甲基化(methylation).
甲基化发5′－CG－3′二核苷酸.CG二核苷酸两C都甲基化,称完全甲基化,C甲基化称半甲基化.甲基化酶识别种半甲基化DNA,使另条链胞嘧啶甲基化.
DNA甲基化引起基失.跃表达基都甲基化足基.表达性与甲基化程度呈负相关.甲基化程度转录充激完全阻遏间起调节作用.甲基化未甲基化病毒DNA或细胞核基别导入细胞,已甲基化基表达,未甲基化能够表达.鼠体发育程,核内DNA甲基化水平失断提高,14d胚胎肝脏8％rDNA甲基化,18d胚胎肝脏30％rDNA甲基化,鼠肝组织rDNA甲基化程度高达60％.
某些玉米Ac转座没任何DNA序列变化情况,失转座酶基性,基富含CG区域发高度甲基化.经化处理甲基化,使转座酶基性恢复.
（二）转录水平调控
持家基奢侈基
细胞高等真核物,各种类型细胞都相同些基表达,些基产物维持细胞结构、运、及参与新代谢等命所必须,由于功能于每细胞说都必少,所些基称持家基（house keeping gene）.组蛋白基、核糖体蛋白基、线粒体蛋白基、糖酵解酶基等.哺乳物,持家基约10000左右.另类基组织特异性基（tissue-specific gene）,称奢侈基(luxury gene).类基与细胞特定功能关,各种组织选择性表达基.表皮角蛋白基、肌细胞肌蛋白基肌球蛋白基等.据估计,各类细胞奢侈基总于持家基数目.
持家基奢侈基表达调控通发转录水平.
前面介绍细菌基经诱导使表达效率提高千倍.种极端调控水平难发真核物基表达（酵母菌除外）.数真核物基经诱导提高几倍至数十倍表达效率.数真核物基转录水平调控调控.
1、真核基表达调控顺式作用元件
顺式作用元件(cis-acting element)指DNA基表达调节性特定核苷酸序列.顺式作用元件性影响同DNA基.种DNA序列位于基游或内含.
真核基顺式作用元件按其功能：启、增强静止.
启结构功能
启转录RNA聚合酶结合位点,位于受其调控基游,邻近基转录起始点,基部（图 真核物启元件）.
TATA框（TATA box）：位于－30位置,RNA聚合酶Ⅱ识别结合位点.富含AT碱基,般8bp,改变其任何碱基都显著降低转录性,称Hogness box.类β珠蛋白基启TATA序列发突变,β珠蛋白产量幅度降引起贫血症.
CAAT框（CAAT box）：位于－70～－80位置,共序列GGCC(T)CAATCT.决定启起始频率.兔β珠蛋白基CAAT框变TTCCAATCT,其转录效率原12％.
GC框(GC box)：－110位置,GGGCGG.增强转录性.
真核基启三元件构,原核基启般两元件,-10位置TATAbox－35位置TTGACAbox.
增强结构功能
增强（enhancer）,称强化（transcriptional enhancer）,种远端调控元件,至少距转录起始点游100bp,通位于－700～－1000处,所称游激序列(upstream activator sequence, UAS).
增强区跨度般100－200bp,启,由或各具特征DNA序列组,由8－12bp核序列其序列相间排列.
增强要通与特定蛋白质(转录)结合实现其转录增强作用.
静止
种类似增强起负调控作用顺式作用元件.称沉默基.静止与相应反式作用结合,使调控系统失作用.
2、真核基调控反式作用
论启增强序列,转录调节功能都通与特定DNA结合蛋白相互作用实现.
真核物RNA聚合酶与原核物RNA聚合酶同,本身能启转录,纯化真核物RNA聚合酶体外能启转录.必须事先套转录装配启,RNA聚合酶才能启转录.
些转录般并RNA聚合酶组.
能直接或间接识别各种顺式调控元件并与结合调控基转录效率各种蛋白质称反式作用 (trans-acting factor).
能激真核物基转录蛋白质称转录(transcription factor, TF).转录参与调控反式作用,转录起始程RNA聚合酶所需要辅助.
类DNA结合蛋白种,顺式调控元件种,同DNA序列同DNA结合蛋白间空间结构相互作用,及蛋白质与蛋白质间相互作用,构复杂基转录调控机制.
反式作用结构特征
反式作用般都具三同功能结构域(domain).
①DNA结合结构域 与顺式调控元件结合部位.
量转录调控结构研究表明,DNA结合结构域100bp.体4种结构特征：α螺旋－转角－α螺旋(helix-turn-helix, HTH)结构（图 螺旋-转角-螺旋）、锌指(zinc finger)结构（图 锌指结构）、亮氨酸拉链(leucine zipper)结构（图 亮氨酸拉链）等.
②激基转录功能结构域 般20－100氨基酸组.反式作用能转录激区.结构特征：含带负电荷α螺旋、富含谷氨酰胺或者富含脯氨酸.
③与其蛋白质结合结构域
同反式调控（转录）与顺式调控元件相互作用,启转录效率同.
2．选择性启
些真核物基具两或两启,用于同细胞表达.同启产同初级转录产物相同蛋白质编码序列.蝇乙醇脱氢酶基典型例.基结构见图8-31A.幼虫（图8-31B）虫期（图8-31C）别利用同启进行转录.虫期转录具段5’端前导序列,其数mRNA加工掉.启使幼虫虫具独立转录调控.
（三）转录调控
真核物,蛋白质基转录产物统称核均RNA,必须经加工才能熟mRNA.第三章已经讲,加工程包括三面：加帽、加尾掉内含.
转录内含剪切程基表达调控具重要意义.
选择性mRNA切割
我知道,DNA水平,真核物基与原核物基明显同处,真核物基连续,外显与内含相间排列,转录候外显内含起转录.转录必须降内含切除,才能形熟mRNA.程剪接（splicing）.
同初级转录产物同细胞用同式切割加工,形同熟mRNA,使翻译蛋白质含量或组都能同（图 选择性剪接）.
（四）翻译水平调控
真核物,基表达调控主要发转录水平,,翻译水平调控十重要.
阻遏蛋白与mRNA结合,阻止蛋白质翻译.
铁蛋白功能细胞内贮存铁.铁蛋白mRNA翻译取决于铁供应.铁供应充足,则铁蛋白合.细胞没铁,阻遏蛋白与铁蛋白mRNA结合,阻止翻译进行.细胞铁存,阻遏蛋白与铁蛋白mRNA结合,使翻译进行.
熟mRNA失状态贮存起.
（五）翻译调控
mRNA翻译蛋白质,并意味着基表达调控结束.直接自核糖体线状肽链没功能,必须经加工才具性.蛋白质翻译加工程,系列调控机制.
1．蛋白质折叠
线性肽链必须折叠定空间结构,才具物功能.细胞,蛋白质折叠必须伴蛋白作用才能完折叠.
2．蛋白酶切割
末端切割
些膜蛋白、泌蛋白,氨基端具段疏水性强氨基酸序列,称信号肽,用于前体蛋白质细胞定位.信号肽必须切除肽链才具功能.
脊椎物胰腺形胰岛素,初度105氨基酸,称前胰岛素原,加工首先氨基端24氨基酸残基切除,前体胰岛素,再间段切除,留两端性部,即21氨基酸残基A链30残基B链,两条链再由两二硫键连接物性胰岛素.
聚蛋白质切割
些新合肽链含几蛋白质序列,切割产具同功能蛋白质.脑丘腺产种肽链,包括4种同激素,经蛋白酶切割型.同细胞切割式位点同,产种同激素,适应同细胞发育需要.
3、蛋白质化修饰
简单化修饰些化基团,乙酰基、甲基、磷酸基加氨基酸侧链,或者加氨基端或羧基端.种修饰式特异,同蛋白质完全相同修饰,相同蛋白质完全同修饰.些蛋白质经磷酸化化,基表达具重要调控作用.
复杂修饰蛋白质糖基化（glycosylation）,些量碳水化合物加肽链.
类ABO血型蛋白质化修饰典型例.控制ABO血型复等位基座位,编码负责糖基加红细胞膜糖蛋白酶.座位三基（alleles）,编码三同酶.N－乙酰－半乳糖胺（N－acety－galactosamine）加糖蛋白,表现A血型.第二酶半乳糖（galactose）加糖蛋白,表现B血型.第三基编码没功能酶,能任何糖加糖蛋白,表现O血型.
4、切除蛋白质内含
些mRNA翻译初产物同DNA转录初产物,具内含（intein）序列,位于肽链序列间,经剪接,蛋白质外显（extein）才能连接熟蛋白质.
蛋白质内含切割位点十保守.内含前面氨基酸通半胱氨酸,仅少数丝氨酸,面总组氨酸－门冬酰氨,紧接着内含外显序列通半胱氨酸、丝氨酸或苏氨酸.内含内些序列十保守.
内含重要特点具自切割加工能力.例,蝇胚胎发育种蛋白质Hedgehog,其内含能本身前提蛋白切割两功能蛋白质.
内含另特点,些切割内含具核酸内切酶性.种酶识别DNA序列与编码自身序列应没自身编码序列位置,并其切,使内含编码序列插入位置.细胞与内含关基杂合体,含编码内含序列,另含编码内含序列,加工切割蛋白质内含切没编码内含序列DNA,使其插入相应序列,使杂合体纯合体.