第三節(jié)　基因表達(dá)調(diào)控

從DNA到蛋白質(zhì)的過程叫基因表達(dá)(gene expression)，對這個過程的調(diào)節(jié)即為基因表達(dá)調(diào)控(gene regulation)。生物體在個體發(fā)育的不同時期、不同部位，通過對基因表達(dá)的調(diào)控，完成細(xì)胞分化和個體發(fā)育、衰老直至死亡的整個生命歷程。

一、基因表達(dá)調(diào)控概論

細(xì)胞具有全能性。多細(xì)胞生物體的每一個細(xì)胞中都有一個以上完整的基因組。細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控究竟有多少種狀態(tài)?以人為例，目前大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為人類基因組大約有24500個左右的基因。假如每種基因只有表達(dá)和關(guān)閉兩種狀態(tài)(事實上基因表達(dá)有多種不同的強(qiáng)弱狀態(tài))，基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)有多少種呢? 2²⁴⁵⁰⁰種!因此，即便要了解一個細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控狀態(tài)，也需要我們付出巨大的努力。

1.持家基因和奢侈基因

持家基因(house－keeping genes):又稱管家基因，是指所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是維持細(xì)胞基本生命活動所必需的。細(xì)胞是組成多細(xì)胞生物體的基本單位，在多細(xì)胞生物中，細(xì)胞常常會發(fā)生分化，在生物體中承擔(dān)某種特殊功能。如心肌細(xì)胞必須保持二十四小時有規(guī)律地伸縮。但細(xì)胞本身就是一個小的“生命體”，需要有一系列基因表達(dá)以維持其生存，如糖酵解酶系基因與核糖體蛋白基因等。因此，它們的表達(dá)是組成型的，表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，在個體各個生長階段的大多數(shù)時間，在幾乎全部組織中都持續(xù)表達(dá)，變化很小。在現(xiàn)代分子生物學(xué)實驗技術(shù)中，我們常常選用持家基因作為多基因分析的內(nèi)參。

奢侈基因(Luxury gene):指在特定細(xì)胞類型中(大量)表達(dá)并編碼特殊功能產(chǎn)物的基因。如紅細(xì)胞的血紅蛋白基因、肌肉細(xì)胞的肌動蛋白基因和肌球蛋白基因等。奢侈基因是細(xì)胞分化、生長發(fā)育的基礎(chǔ)。正是因為基因組中存在大量奢侈基因，不同類型的細(xì)胞才能具有不同的形態(tài)，發(fā)揮不同的功能。

2.順式作用元件和反式作用因子

順式作用元件(cis－acting element)是指存在于基因旁側(cè)序列中能影響基因表達(dá)的序列。因此，順式作用元件的實質(zhì)是一段核酸序列，作用是參與基因的表達(dá)調(diào)控。順式作用元件位于基因旁側(cè)，本身并不編碼任何蛋白質(zhì)，需要和反式作用因子相互作用才能發(fā)揮效用。順式作用元件包括啟動子(promoter)、增強(qiáng)子(enhancer)、沉默子(silencer)、衰減子(attenuator)、絕緣子(insulator)、反應(yīng)元件(response element)等。原核生物中的操縱基因(operator gene)也屬于順式作用元件。

增強(qiáng)子是目前研究較多的一種順式作用元件。它的主要作用是增加和它連鎖的基因的轉(zhuǎn)錄頻率。增強(qiáng)子的作用效果非常顯著，常能使目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄效率提高十幾倍，有的甚至達(dá)到上千倍，它的主要特點有:①是一種遠(yuǎn)端調(diào)控元件。增強(qiáng)子不僅在距離基因很近時能發(fā)揮作用，在距離基因較遠(yuǎn)，甚至達(dá)到幾個Kb時，也能發(fā)揮作用。②無方向性，無論正向還是反向連接都可發(fā)揮作用。③位于基因內(nèi)與基因外時都可發(fā)揮作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)位于內(nèi)含子中的增強(qiáng)子。④無物種和基因的特異性。⑤有細(xì)胞和組織特異性。⑥需與蛋白因子配合才能發(fā)揮作用。

反式作用因子(trans－acting factor)是指能直接或間接地識別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)。反式作用因子的實質(zhì)是蛋白質(zhì)，但隨著表觀遺傳學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)DNA、RNA也有調(diào)控功能，如miRNA等，因此也稱它們?yōu)榉词秸{(diào)控元件。反式作用因子有兩個重要的功能結(jié)構(gòu)域:DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域。同一類序列特異性的反式作用因子常由多基因家族編碼，它們具有特定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成反式作用因子家族，如類固醇激素受體家族、AP1家族等。重要的反式作用因子結(jié)構(gòu)域包括:螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋、鋅指結(jié)構(gòu)、亮氨酸拉鏈、螺旋－突環(huán)－螺旋、同源異形結(jié)構(gòu)域等。原核生物中的阻遏蛋白(repressor protein)也屬于反式作用因子。

3.基因表達(dá)調(diào)控的主要方式

人們通常認(rèn)為，基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個方面:①轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控;②mRNA加工、成熟水平上的調(diào)控;③翻譯水平上的調(diào)控。

轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄的效率上。與轉(zhuǎn)錄效率相關(guān)的因素很多，啟動子的強(qiáng)弱、RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子等都可以影響轉(zhuǎn)錄起始效率。然而，轉(zhuǎn)錄即使開始也未必能順利完成，例如大腸桿菌的弱化系統(tǒng)就可以在轉(zhuǎn)錄開始后終止轉(zhuǎn)錄進(jìn)程。λ噬菌體的左右啟動子在轉(zhuǎn)錄開始后，究竟在哪個位置停止取決于抗終止蛋白的表達(dá)情況。

mRNA加工、成熟過程中也存在大量的調(diào)控機(jī)制。如對mRNA壽命的調(diào)節(jié)、可變剪切、RNA編輯等。

翻譯水平上的調(diào)控既可以通過調(diào)節(jié)翻譯的起始效率，又可以通過調(diào)節(jié)翻譯的延伸過程來實現(xiàn)。在原核生物中，mRNA通過SD序列與核糖體識別，真核生物的mRNA則通過帽子位點與核糖體識別，核糖體小亞基識別與結(jié)合mRNA的效率決定著翻譯的起始效率。原核生物的一個轉(zhuǎn)錄單元中通常有多個順反子，下一個順反子的翻譯效率與前一個順反子的翻譯是否完成有密切的關(guān)系。

然而，自然界中存在的基因表達(dá)調(diào)控手段并不僅限于以上幾個水平。某些低等真核生物的體細(xì)胞可通過基因丟失(gene loss)去除部分基因的活性，非洲爪蟾的卵母細(xì)胞可以通過基因擴(kuò)增(gene amplification)在特定時期獲得大量rRNA的編碼基因，真核生物的淋巴細(xì)胞可通過基因重排(gene recombination)調(diào)整抗體的編碼序列，真核生物基因的甲基化程度與基因表達(dá)密切相關(guān)，很多蛋白質(zhì)翻譯完成后還要經(jīng)過加工才能具備活性。以上例證都表明:生物體的基因表達(dá)調(diào)控是全方位的。

二、原核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要模型

原核生物的主要代謝類型有兩種:分解代謝和合成代謝，這兩種代謝類型基因表達(dá)調(diào)控模式的代表分別是乳糖操縱子和色氨酸操縱子。

1.乳糖操縱子

法國巴斯德研究所著名的科學(xué)家Jacob和Monod1961年建立的乳糖操縱子學(xué)說是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的主要學(xué)說之一。

乳糖操縱子的基本結(jié)構(gòu)包括調(diào)節(jié)基因、啟動基因(啟動子，P)、操縱基因(O)和結(jié)構(gòu)基因。和乳糖代謝相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因共有三個:lacZ，編碼β－半乳糖苷酶，由500kD的四聚體構(gòu)成，可以切斷乳糖的半乳糖苷鍵，產(chǎn)生半乳糖和葡萄糖; lacY，編碼透過酶，這種酶是一種分子量為30kD膜結(jié)合蛋白，它構(gòu)成轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，將乳糖運入細(xì)胞中; lacA，編碼乙酰轉(zhuǎn)移酶，功能是將乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到β－半乳糖苷上。調(diào)節(jié)基因lacI編碼阻遏蛋白，阻遏蛋白既可與乳糖相結(jié)合，又可和操縱基因相結(jié)合。操縱基因和啟動基因(啟動子)都不編碼蛋白質(zhì)，操縱基因可以和阻遏蛋白質(zhì)相結(jié)合，啟動基因則可以和降解物基因激活蛋白(catabolite gene activation protein，CAP)與環(huán)腺苷酸(cAMP)形成的復(fù)合物結(jié)合。

乳糖操縱子的基本負(fù)調(diào)控機(jī)制如下:當(dāng)外界沒有乳糖時，阻遏蛋白結(jié)合在操縱基因上，使RNA聚合酶無法與啟動子結(jié)合并向前推進(jìn)，轉(zhuǎn)錄無法進(jìn)行，操縱子關(guān)閉。當(dāng)外界有乳糖時，乳糖結(jié)合到阻遏蛋白的變構(gòu)位點上，使構(gòu)象發(fā)生改變，破壞了阻遏蛋白與操縱基因的親和力，使之從操縱基因上脫落下來，于是RNA聚合酶和啟動子相結(jié)合，并順利地通過操縱基因，進(jìn)行結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，大量產(chǎn)生分解乳糖的酶。

根據(jù)負(fù)調(diào)控機(jī)制，只要外界有乳糖存在，乳糖操縱子就會打開。然而實驗證明，當(dāng)外界既有乳糖，又有葡萄糖時，乳糖操縱子并沒有像預(yù)想中一樣打開。這與大腸桿菌在生活過程中的實際需要是相吻合的，既然外界有葡萄糖，何必打開乳糖操縱子呢?

科學(xué)家迅速在乳糖操縱子中找到了產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，就是正調(diào)控機(jī)制:阻遏蛋白從操縱基因上脫落下來并不能促使RNA聚合酶和啟動子相結(jié)合，它們的結(jié)合需要CAP－cAMP復(fù)合物首先結(jié)合到啟動子上。但細(xì)胞內(nèi)葡萄糖濃度較高時，細(xì)胞內(nèi)cAMP的濃度就下降，CAP－cAMP復(fù)合物無法形成，RNA聚合酶和啟動子就無法結(jié)合，轉(zhuǎn)錄也就無法進(jìn)行。只有當(dāng)葡萄糖濃度下降時，細(xì)胞內(nèi)cAMP的濃度上升，有利于CAP－cAMP復(fù)合物的形成，CAP－cAMP復(fù)合物結(jié)合到啟動子上，促使RNA聚合酶和啟動子相結(jié)合，才能開始進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。

綜上所述，在乳糖操縱子中，只有當(dāng)外界沒有葡萄糖而有乳糖時，正、負(fù)調(diào)控機(jī)制才能同時打開，合成代謝乳糖的酶。因此，分解代謝型操縱子基因表達(dá)調(diào)控的基本策略是:外界有該物質(zhì)時打開，外界缺乏該物質(zhì)時關(guān)閉。

2.色氨酸操縱子

色氨酸操縱子的基本結(jié)構(gòu)與乳糖操縱子類似，也由調(diào)節(jié)基因、啟動子、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因等四部分組成，結(jié)構(gòu)基因以多順反子的形式排列，我們常以第一個結(jié)構(gòu)基因trpE代表全部結(jié)構(gòu)基因。色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)基因trpR編碼輔阻遏蛋白，這種蛋白的特點是只有和色氨酸結(jié)合后才有和操縱基因結(jié)合的能力。色氨酸操縱子的基因表達(dá)調(diào)控區(qū)由啟動子、操縱基因和162bp的前導(dǎo)序列組成，前導(dǎo)序列上有起始密碼子，轉(zhuǎn)錄出來后可以翻譯成前導(dǎo)肽，前導(dǎo)肽中有兩個相鄰的色氨酸密碼子。

色氨酸操縱子也存在阻遏系統(tǒng)。當(dāng)缺乏色氨酸時，輔阻遏蛋白不和色氨酸結(jié)合，也就沒有能力和操縱基因相結(jié)合，于是RNA聚合酶和啟動子結(jié)合開始轉(zhuǎn)錄，表達(dá)用來合成色氨酸的基因。當(dāng)色氨酸充足時，輔阻遏蛋白和色氨酸結(jié)合從而具備了和操縱基因結(jié)合的能力，于是RNA聚合酶被阻擋，無法進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，操縱子關(guān)閉。

研究者發(fā)現(xiàn)，即便色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄已經(jīng)開始，仍有很高的比例這種轉(zhuǎn)錄會被迅速終止，引起這一現(xiàn)象的原因是色氨酸操縱子的弱化作用。前文提到，在色氨酸操縱子的基因表達(dá)調(diào)控區(qū)存在162bp的前導(dǎo)序列，前導(dǎo)序列不但能被轉(zhuǎn)錄，還能被翻譯。轉(zhuǎn)錄出的前導(dǎo)序列可分為4個片段，分別編號為1、2、3、4區(qū)，這4個區(qū)能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對，1－2和3－4配對，或2－3配對。有趣的是3－4配對后所形成的是一個典型的轉(zhuǎn)錄終止子結(jié)構(gòu)。前文也提到前導(dǎo)序列翻譯出的前導(dǎo)肽有兩個相鄰的色氨酸密碼子，由于原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯是偶聯(lián)的，當(dāng)前導(dǎo)序列被轉(zhuǎn)錄出后前導(dǎo)肽的翻譯馬上開始，核糖體在新生成的mRNA鏈上移動。當(dāng)trp濃度很低時，負(fù)載有trp的tRNA也就少，這樣翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就會很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體仍滯留在1區(qū)，這時的前導(dǎo)序列的配對方式是2－3配對，不形成3－4配對的終止結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行。反之，當(dāng)trp濃度很高時，負(fù)載有trp的tRNA也就多，核糖體可順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達(dá)2區(qū)，這樣使2－3不能配對，3－4區(qū)可以配對形成終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停止。

阻遏作用和弱化作用都可以控制色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄。兩者同時存在意義何在呢?我們認(rèn)為，這兩者的關(guān)系就像顯微鏡的粗調(diào)和微調(diào)，阻遏作用可對色氨酸濃度大的變化進(jìn)行粗調(diào)，但在應(yīng)對濃度的微幅波動時，弱化作用的調(diào)節(jié)無疑更加精細(xì)。

色氨酸操縱子作為合成代謝型操縱子，基因表達(dá)調(diào)控的基本策略與乳糖操縱子正好相反:外界有該物質(zhì)時關(guān)閉，從外界吸收利用;外界缺乏該物質(zhì)時打開，自己合成。

三、真核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點

與原核生物的基因表達(dá)調(diào)控相比，真核生物的基因表達(dá)調(diào)控有如下特點:

1.原核生物大多為單細(xì)胞生物，基因組中包含的全部基因大多會在不同的時間和不同環(huán)境下在同一個細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，單個細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控等同于整個個體的基因表達(dá)調(diào)控。真核生物大多為多細(xì)胞生物，細(xì)胞發(fā)生了明顯的分化，分化后的細(xì)胞需對兩種不同類型的基因進(jìn)行表達(dá)調(diào)控:持家基因和奢侈基因。持家基因，如細(xì)胞骨架蛋白、染色體組分蛋白、核糖體蛋白等的編碼基因在各種細(xì)胞類型中基本上都有表達(dá)，但仍處于嚴(yán)格地調(diào)控之下，以適應(yīng)不同生長發(fā)育和細(xì)胞周期的不同需求;奢侈基因在不同類型的細(xì)胞中表達(dá)情況完全不同，其基因表達(dá)調(diào)控也和持家基因有一定的差異。

2.與原核生物相比較，真核生物基因表達(dá)調(diào)控所涉及的環(huán)節(jié)更多，機(jī)制也更加復(fù)雜。正如概述部分列舉的，真核生物的基因表達(dá)調(diào)控可以在DNA水平上實現(xiàn)，也可以在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯、翻譯后等各個水平進(jìn)行，基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制也更加復(fù)雜。例如真核生物的RNA聚合酶有十幾個亞基，遠(yuǎn)多于大腸桿菌的5個，更多于某些微生物的1個，這為轉(zhuǎn)錄起始效率的精細(xì)調(diào)控打下了基礎(chǔ)。又如真核生物的啟動子結(jié)構(gòu)比原核生物更復(fù)雜，RNA聚合酶需在轉(zhuǎn)錄因子的幫助下才能與啟動子結(jié)合，且在應(yīng)付不同外來刺激時，結(jié)合的位點不同。再如真核生物的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程是分開的，為基因的表達(dá)調(diào)控留出了更多的空間和時間。

3.在原核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控中，既有激活物的調(diào)控(正調(diào)控)，也有阻遏物的調(diào)控(負(fù)調(diào)控)，而真核細(xì)胞中雖然也有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控成分，但迄今為止主要是正調(diào)控，且一個真核基因通常有多個調(diào)控序列，需要有多個激活物。

4.原核細(xì)胞的遺傳物質(zhì)是裸露的DNA，而真核細(xì)胞的染色質(zhì)是由DNA與組蛋白緊密結(jié)核形成的核小體。核小體的形成使真核生物擁有了一套利用核小體結(jié)構(gòu)進(jìn)行基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制。

思考題:

1.現(xiàn)代遺傳學(xué)開始于哪個時期?隨后的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段?

2.什么是顆粒式遺傳因子?為什么說它是功能、重組和突變的基本單位?

3.請舉例說明“一基因多效”和“多基因一效”現(xiàn)象。

4.數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀有什么區(qū)別?

5.請敘述兩區(qū)三系雜交育種法的原理。

6.什么是中心法則?它確定了遺傳信息的哪些流向?

7.什么是半保留復(fù)制?什么是半不連續(xù)復(fù)制?

8.哪些主要蛋白質(zhì)參與了DNA分子復(fù)制過程?各起了什么作用?

9.原核生物RNA聚合酶由哪些亞基組成?每種亞基的功能是怎樣的?

10.真核生物mRNA分子的轉(zhuǎn)錄后加工有哪些步驟?

11.什么是遺傳密碼子的簡并性?它有什么樣的特點?

12.請敘述肽鏈延伸的基本過程。

13.什么是順式作用元件?增強(qiáng)子有什么特點?

14.請敘述乳糖操縱子的正、負(fù)調(diào)控機(jī)制。

15.色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)是如何工作的?

16.真核生物基因表達(dá)調(diào)控有什么特點?