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分子生物学第一篇: 基因表达调控和蛋白质修饰
基因组(Genome): 生物个体所携带遗传性物质的总量。即细胞中的DNA总量，或病毒的DNA或RNA量
“C值悖论”(C-value paradox): C值:一种生物细胞中特异不变的DNA总量（单倍体基因组）。物种的C值和它进化的复杂性之间没有严格的对应关系，这种现象称为C值悖论。 基因表达 (Gene expression): 在一定调控机制下基因经过激活、转录、翻译、等过程产生具有生物学功能分子从而赋予细胞一定功能或表型，即基因的转录和翻译的过程。 基因表达调控（Regulation of gen expression): 细胞或生物体接受环境信号刺激或适应环境营养状况变化在基因表达水平上作出应答的分子机制。这包括对表达基因种类和数量上的调调控。
基础基因表达(basic gene expression)：又称持续性/组成型基因表达(constitutive gene expression）: 不易受环境变化而改变的基因表达。这其中包括一类“管家基因(housekeeping genes)” , 这类基因产物是细胞生存活动所必需的，在个体各生长阶段都表达。
可调节基因表达(regulated gene expression):易受环境变化而改变的基因表达。对环境应答时被增强表达的过程称为诱导(induction), 被激活的基因称为可诱导基因(inducible genes)；对环境应答时被抑制表达的过程称为阻遏repression)，被抑制的基因称为可阻遏基因 (repressible genes)
基因表达规律:组织特异性(tissue specificity)时间特异性(temporal specificity) 基因表达调节的生物学意义: (一) 适应环境，维持生长和增殖 (二) 维持个体发育与分化. 真核细胞的结构特性:
1、庞大基因组，结构复杂，大量重复序列，基因组大部分是非蛋白质编码的序列，基因内部常被内含子(intron)隔开
2、结构基因转录产物是一条单顺反子(monocistron)mRNA,基本上没有操纵元件的结构，而且真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽链形成的亚基构成的，涉及到多个基因的协调表达。
3、以核小体为单位的染色质结构，以及众多DNA结合蛋白质成为调节基因开闭的重要因素；转录和翻译在时间和空间上被隔开，转录本和翻译产物需要经过复杂的加工与转运过程，使得基因表达的调控受到细胞核内外诸多层次的调节，而核外的遗传成分如线粒体DNA等，也增加了基因表达调控的层次和复杂性。 基因表达调节的主要阶段
1、转录调控(transcriptional regulation)；（最基本或最重要的调控） 2、RNA剪接过程(RNA splicing)中的调控；
3、RNA 转运和定位过程(transportation and localization)中的调控； 4、翻译调控 (translational regulation)；
5、mRNA稳定性(mRNA stability)的调控；
6、蛋白质活性的调控(protein processing modification)。
活性与非活性染色质：典型的间期(interphase)染色质可分为高度密集状态的异染色质(heterochromatin，30nm的纤维被压缩40-50倍) 和较为松散的常染色质(euchromatin) 。常染色质约10% 处于更开放的延展型结构，即为活性染色质(active chromatin，30nm的纤维压缩约6倍，具有转录活性，即电镜下的串珠状结构)。此外的其它的色质不具有转录活性，属于非活性染色质(inactive chromatin)。 活性染色体的重要特征
1. DNA酶I 超敏位点 (DNase I Hypersensitive Site (DHSs)（DNA酶I 超敏位点的出现是
活性染色质的重要特点之一）
脱氧核糖核酸酶I(DNase I)可以随机剪切双链DNA的任意位点。但染色之中有少数位点敏感性超出其他区域100倍以上，被称为DNA酶I 超敏位点。DNA酶I 超敏位点约由100-200bp的碱基组成，主要位于已经起始或即将起始转录基因的5’侧翼，通常是调节蛋白位点附近。某些基因中离3’侧翼较近 ,甚至在转录区内。 2. DNA 拓扑结构变化(DNA topology)
天然双链DNA的构象大多为负性超螺旋。基因活跃转录时RNA聚合酶转录方向的前方的DNA结构是正性超螺旋，其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶迁移转录，而负性超螺旋自有利于核小体再形成。 3. DNA碱基修饰变化(DNA modification)
CpG序列的甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合而影响转录。
4. 组蛋白变化(histone modification)
组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质，可与DNA带负电的磷酸基结合从而遮蔽DNA分子，起到非特异性阻遏蛋白的作用。染色质中非组蛋白成分具有组织特异性可能消除组蛋白的阻遏，起到特异性的去阻遏促转录的作用。活性染色体部分常有中非组蛋白成分的加入，组蛋白解聚与释放。
染色质重塑：通过调整核小体的相位，中和组蛋白尾巴碱性氨基酸残基（赖氨酸K、精氨酸R、组氨酸H等）带正电荷，减弱核小体中碱性氨基酸与DNA的结合，降低相邻核小体间的聚集使核小体滑动暴露本来被遮蔽的元件，或使核小体表面的元件瞬间暴露。这种染色质结构的动态变化过程称为染色质重塑(chromatin remodeling)。 染色质重塑是基因表达表观遗传水平上控制的主要调控方式, 包括：
1. 依赖ATP的染色质物理修饰：即ATP水解供能使核小体沿DNA滑动，或使核小体解
离并重新装配。
延伸中RNA聚合酶II的周围总是伴有核小体，这些核小体又是会处于部分解离部分装配的动态平衡状态,此染色质物理重塑复合体对于转录延伸也具有重要意义。
2. 染色质的共价化学修饰：即多发生在组蛋白末端“尾巴”的乙酰化、磷酸化、甲基
化和泛素化等。
主要发生在组蛋白末端的尾部，尤其是核心组蛋白的氨基末端尾部。组蛋白末端部分含有一些带活性基团的氨基酸残基，这些氨基酸残基成为各种化学修饰的靶点。
组蛋白乙酰化（酶： HAT，histone acetyl transferases）：转录激活的标志，多发于组蛋白暴露在外的N端尾巴。脱乙酰化（酶： HDAC ，histone deacetylase）与转录抑制相关，并参与多条信号传导通路。
组蛋白甲基化（酶：HMT，histone methyltransferases）：赖氨酸和精氨酸都可以被甲基化，其结果可以是激活或者抑制转录。
组蛋白泛素化(酶： E1s, ubiquitin-activating enzymes; E2s, ubiquitin-conjugating enzymes; E3s, ubiquitin ligases)： H2AK119泛素化与抑制转录有关；相反H2BK120泛素化激活转录，并在组蛋白伴侣分子FACT 帮助下在转录延伸中发挥作用。
组蛋白SUMO化:4种核心组蛋白都可发生，在H4、H2A、H2B上都已发现了一些特异位点。组蛋白SUMO化拮抗在同一赖氨酸残基上的乙酰化和泛素化，因而具有抑制转录的作用。
组蛋白聚ADP核糖基化：可以在组蛋白上加上1个(酶：MART，mono-ADP-ribosyltransferase) 或多个 ADP分子(酶：PARP，poly-ADP-ribosepolymerase)。其活性依赖于缺口单链或双链DNA的存在。可引起DNA部分地与核心组蛋白分离（构象变化可逆）。
脯氨酸异构化(酶：PPIase，peptidylprolyl isomerase，or Prolyl isomerase)：脯氨酸顺势和反式构象的转变会严重扭曲多肽链的骨架。酵母中发现，FPR4能催化H3尾部的脯氨酸异构化(H3P38), 并调节H3P36的甲基化水平。
组蛋白尾部上的大量修饰使得它们之间可能互相干扰，修饰间的相互对话可能发生在不同水平。细胞不同阶段和不同功能活动中组蛋白化学修饰可以是不同的，主要表现为： (1)组蛋白化学修饰类型可能是单一的，也可能是多种联合; (2)空间上，各种化学修饰的组蛋白底物可能相同，也可能不同； (3)时间上，各种化学修饰可能是同时的，也可能不同时； (4)功能上，各种化学修饰的效应可能是协同的，也可能相反。 真核基因正性调节占主导
真核基因有正、负调节机制，但负调控元件并不普遍存在，虽然转录表达也有阻遏和激活或两种作用间有者，但真核染色质的紧密结构不允许基因随机转录，真核基因表达多需要主动激活，因此，真核基因表达以正性调控占主导。
基因转录的順式调节
在分子遗传学领域，相对同一染色体或DNA分子而言为“順式”(cis)，对不同染色体或DNA分子而言为“反式”(trans)。
順式作用元件，即同一DNA分子中具有转录调节功能的特异DNA序列。真核基因順式作用元件包括：启动子、增强子、沉默子和绝缘子。