分化了的真核細胞中，往往只表達它所擁有的成千上萬的基因中的少數(shù)基因，這類選擇性表達調(diào)控是怎樣實現(xiàn)的？研究這個問題不僅有理論意義，也有重大的實際應(yīng)用價值。在原核生物基因組中，結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，包括阻遏物編碼序列，促進子和操縱基因等都是位于它的5′端“上游”的，各部分的功能基本上是清楚的。當(dāng)人們把原核基因組的調(diào)控知識推廣、延伸到真核基因組時，很自然地把注意力集中到受控基因的5′端上游。但是，近年來的一些研究報告表明，人類成年型β珠蛋白基因可能存在一個位于轉(zhuǎn)錄起始點3′端下游的調(diào)控序列。

真核基因的5′端調(diào)控因子可分為三類，它們的功能、堿基序列特點和相對于轉(zhuǎn)錄起始點的位置各不相同。第一類是最靠近轉(zhuǎn)錄起始點的TATA序框，又稱為TATA盒，它的序列中含有較多的腺嘌呤和胸腺嘧 啶對，其主要作用是確定轉(zhuǎn)錄起始點。一般來講，多數(shù)基因的轉(zhuǎn)錄起始點位于TATA序框的下游30個堿基對左右（圖4-24）。第二類是5′端調(diào)控因子是CCAAT序框，又稱為CCAAT盒，其位置變動范圍比上述的TATA序框?qū)捯恍?，往往位于轉(zhuǎn)錄起始點上游40～110個堿基對。CCAAT序框的作用主要是決定轉(zhuǎn)錄的水平。第三類上游調(diào)控因子稱為增強子（enhancer）。最先是在猴病毒SV40中發(fā)現(xiàn)的，它能在遠離結(jié)構(gòu)基因的地方發(fā)揮刺激轉(zhuǎn)錄、大大提高轉(zhuǎn)錄的水平。如果把SV40的增強子和家兔的小β珠蛋白基因組入同一質(zhì)粒后轉(zhuǎn)染HeLa細胞，可使珠蛋白的mRNA合成增加200倍。另外，有的研究報告還認為增強子可能還有某些基因轉(zhuǎn)錄的組織特異性調(diào)節(jié)因子的作用。

圖4-24　真核結(jié)構(gòu)基因的三類轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子

人類基因組中有“下游”調(diào)控因子的證據(jù)最早來自對β珠蛋白表達調(diào)控的研究。成人型的α珠蛋白基因是在出生前后都得到表達的，而成人型的β珠蛋白基因是在胚胎期表達的ε珠蛋白基因和胎兒期表達的γ珠蛋白基因表達之后才開始表達的。為了研究這種隨著分化發(fā)育而變化的表達調(diào)控，查尼（P.Chamey）等進行了一系列基因轉(zhuǎn)移實驗。他們先把人的β珠蛋白基因克隆在適當(dāng)?shù)妮d體上，然后轉(zhuǎn)入小鼠的紅白血病細胞系（簡稱MEL）細胞。經(jīng)誘導(dǎo)處理后，在鼠細胞內(nèi)源α珠蛋白基因和β珠蛋白基因得到轉(zhuǎn)錄的同時，外源的人β珠蛋白基因也得到同步表達。接著，查尼用人的α珠蛋白基因做了類似的實驗，結(jié)果在同樣的誘導(dǎo)條件下α珠蛋白基因不能表達。說明人的α珠蛋白基因5′端的調(diào)控區(qū)對誘導(dǎo)因素不敏感。在上述實驗基礎(chǔ)上，查尼把人的α珠蛋白基因的5′端上游調(diào)控區(qū)段和人的β珠蛋白基因的編碼區(qū)段組合成雜合分子，轉(zhuǎn)染MEL細胞后，再做誘導(dǎo)實驗，發(fā)現(xiàn)雜合分子上的β珠蛋白結(jié)構(gòu)基因的誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄水平與具有完整的5′端上游調(diào)控區(qū)段的β珠蛋白基因的表達完全一樣。同年，賴特等用根本不能被誘導(dǎo)的人胚胎γ珠蛋白基因的5′端促進子區(qū)段，或小鼠組織相容性抗原H-2Kbml的促進子區(qū)段，和成人的β珠蛋白基因的編碼區(qū)段組成的雜合分子轉(zhuǎn)染MEL細胞，發(fā)現(xiàn)雜合DNA分子的誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄活性和完整的成人β珠蛋白基因也是一樣的。這一系列實驗的結(jié)果表明，β珠蛋白基因除了完整的、功能上重要的5′端上游促進子外，還在結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部帶有某種對于在紅細胞中適當(dāng)表達至關(guān)重要的調(diào)控序列。應(yīng)該指出，人的β珠蛋白基因只是最早被發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄起始點下游帶有表達調(diào)控序列的基因之一，實際上這是一個非常普遍的現(xiàn)象。例如，非洲爪蛙（Xenopus laevis）的5S核糖體RNA基因的結(jié)構(gòu)基因段也有調(diào)控因子，在小鼠的免疫球蛋白基因的內(nèi)含子中也發(fā)現(xiàn)有一個增強子，雞的胸腺嘧啶激酶基因內(nèi)也存在一種基因內(nèi)調(diào)控因子（intragenic control element）。

上面討論的實驗研究引出了一個重要問題：真核基因內(nèi)含子的功能之一是不是調(diào)控外顯子表達的速率呢？有人曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些時間和空間表達同步的真核基因的內(nèi)含子中，存在或長或短的共同的序列。如果進一步證實這些共同序列與基因的同步表達有關(guān)，將成為內(nèi)含子直接參與基因表達調(diào)控的重要證據(jù)。另外，從20世紀(jì)90年代開展人類基因組計劃研究以來，關(guān)于基因組中不編碼蛋白質(zhì)的區(qū)段在真核基因表達調(diào)控過程中的作用已經(jīng)成為遺傳學(xué)研究的一個重要內(nèi)容。毫無疑問，真核生物基因表達調(diào)控問題的全貌尚未完全清楚。

實際上，基因表達調(diào)控還涉及基因組以外的諸多因素。我們想以級聯(lián)磷酸化對特定蛋白質(zhì)的翻譯水平的影響為例來說明基因表達的非基因組調(diào)控。

把網(wǎng)織紅細胞（reticulocytes）的提取液在適當(dāng)?shù)臈l件下孵育，它會以相當(dāng)快的速率合成血紅蛋白（hemoglobin的亞單位），直到血紅素（heme）用完了才會停止合成。血紅素供應(yīng)中止之所以能導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成降低，原因是在反應(yīng)系統(tǒng)中很快形成了一種酶性抑制蛋白。這種抑制蛋白的生化本質(zhì)是一種蛋白激酶，它的靶分子是蛋白質(zhì)翻譯的起始因子eIF-2。eIF-2是8種真核細胞翻譯起始因子中最重要的一種，它的作用是和GTP結(jié)合，并把met-tRNAf移入核糖體的40S亞單位。eIF-2一旦被激酶磷酸化，則會失活而影響蛋白質(zhì)合成的起始。圖4-25是血紅素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的示意圖。從圖中可以看出，能使eIF-2失活的eIF-2激酶有兩種存在形態(tài)：一種是非磷酸化的鈍化態(tài)，一種是磷酸化的活化態(tài)。eIF-2激酶的磷酸化則是由一種依賴于環(huán)磷腺苷的激酶來催化的。這種依賴于環(huán)磷腺苷的激酶有4個組分：2個調(diào)控亞單位R和2個催化亞單位C，合起來是R2C2。當(dāng)cAMP存在時，cAMP能把R2C2離解而釋出催化組分C，但這個反應(yīng)經(jīng)常處于受血紅素阻遏的狀態(tài)。只有當(dāng)血紅素耗盡時，催化組分C才能從R2C2中釋出，并活化eIF-2激酶，隨之活化態(tài)的eIF-2激酶又進而使eIF-2磷酸化而失活，降低細胞的蛋白質(zhì)合成水平。連起來看，這是一種由多種激酶的級聯(lián)磷酸化（phosphorylation cascade）在翻譯水平對基因功能表達的調(diào)控。

近年來關(guān)于真核基因組結(jié)構(gòu)和功能的研究大大增進了我們在細胞水平、染色質(zhì)水平和分子水平上對真核本質(zhì)的認識。然而，必須清醒地看到，造成分化、發(fā)育和性狀歧異的主要原因正是真核基因功能表達的調(diào)節(jié)和控制的關(guān)鍵。對于基因功能表達的多層次、多步驟且具時空特征的調(diào)節(jié)和控制機制（圖4-26），我們至今仍在不斷探索。

圖4-25　級聯(lián)磷酸化導(dǎo)致翻譯起始因子eIF-2失活（改自L.Stryer）

圖4-26　真核基因表達的多層次、多步驟且具時空特征的調(diào)節(jié)和控制示意

最近20年來的大量研究告訴我們，真核基因功能表達的調(diào)節(jié)和控制方面最為重要的進展是有關(guān)表觀遺傳學(xué)的蓬勃興起和迅速發(fā)展。下一章專門討論表觀遺傳學(xué)問題。