基因表达转录水平的调控

第三节　基因表达调控

从DNA到蛋白质的过程叫基因表达(gene expression)，对这个过程的调节即为基因表达调控(gene regulation)。生物体在个体发育的不同时期、不同部位，通过对基因表达的调控，完成细胞分化和个体发育、衰老直至死亡的整个生命历程。

一、基因表达调控概论

细胞具有全能性。多细胞生物体的每一个细胞中都有一个以上完整的基因组。细胞的基因表达调控究竟有多少种状态?以人为例，目前大多数科学家认为人类基因组大约有24500个左右的基因。假如每种基因只有表达和关闭两种状态(事实上基因表达有多种不同的强弱状态)，基因表达调控的状态有多少种呢? 2²⁴⁵⁰⁰种!因此，即便要了解一个细胞的基因表达调控状态，也需要我们付出巨大的努力。

1.持家基因和奢侈基因

持家基因(house－keeping genes):又称管家基因，是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动所必需的。细胞是组成多细胞生物体的基本单位，在多细胞生物中，细胞常常会发生分化，在生物体中承担某种特殊功能。如心肌细胞必须保持二十四小时有规律地伸缩。但细胞本身就是一个小的“生命体”，需要有一系列基因表达以维持其生存，如糖酵解酶系基因与核糖体蛋白基因等。因此，它们的表达是组成型的，表达水平受环境因素影响较小，在个体各个生长阶段的大多数时间，在几乎全部组织中都持续表达，变化很小。在现代分子生物学实验技术中，我们常常选用持家基因作为多基因分析的内参。

奢侈基因(Luxury gene):指在特定细胞类型中(大量)表达并编码特殊功能产物的基因。如红细胞的血红蛋白基因、肌肉细胞的肌动蛋白基因和肌球蛋白基因等。奢侈基因是细胞分化、生长发育的基础。正是因为基因组中存在大量奢侈基因，不同类型的细胞才能具有不同的形态，发挥不同的功能。

2.顺式作用元件和反式作用因子

顺式作用元件(cis－acting element)是指存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。因此，顺式作用元件的实质是一段核酸序列，作用是参与基因的表达调控。顺式作用元件位于基因旁侧，本身并不编码任何蛋白质，需要和反式作用因子相互作用才能发挥效用。顺式作用元件包括启动子(promoter)、增强子(enhancer)、沉默子(silencer)、衰减子(attenuator)、绝缘子(insulator)、反应元件(response element)等。原核生物中的操纵基因(operator gene)也属于顺式作用元件。

增强子是目前研究较多的一种顺式作用元件。它的主要作用是增加和它连锁的基因的转录频率。增强子的作用效果非常显著，常能使目标基因的转录效率提高十几倍，有的甚至达到上千倍，它的主要特点有:①是一种远端调控元件。增强子不仅在距离基因很近时能发挥作用，在距离基因较远，甚至达到几个Kb时，也能发挥作用。②无方向性，无论正向还是反向连接都可发挥作用。③位于基因内与基因外时都可发挥作用。已经发现位于内含子中的增强子。④无物种和基因的特异性。⑤有细胞和组织特异性。⑥需与蛋白因子配合才能发挥作用。

反式作用因子(trans－acting factor)是指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。反式作用因子的实质是蛋白质，但随着表观遗传学的发展，人们发现DNA、RNA也有调控功能，如miRNA等，因此也称它们为反式调控元件。反式作用因子有两个重要的功能结构域:DNA结合结构域和转录活化结构域。同一类序列特异性的反式作用因子常由多基因家族编码，它们具有特定的蛋白质结构，构成反式作用因子家族，如类固醇激素受体家族、AP1家族等。重要的反式作用因子结构域包括:螺旋－转角－螺旋、锌指结构、亮氨酸拉链、螺旋－突环－螺旋、同源异形结构域等。原核生物中的阻遏蛋白(repressor protein)也属于反式作用因子。

3.基因表达调控的主要方式

人们通常认为，基因表达调控主要表现在以下几个方面:①转录水平上的调控;②mRNA加工、成熟水平上的调控;③翻译水平上的调控。

转录水平的调控主要体现在转录的效率上。与转录效率相关的因素很多，启动子的强弱、RNA聚合酶、转录因子等都可以影响转录起始效率。然而，转录即使开始也未必能顺利完成，例如大肠杆菌的弱化系统就可以在转录开始后终止转录进程。λ噬菌体的左右启动子在转录开始后，究竟在哪个位置停止取决于抗终止蛋白的表达情况。

mRNA加工、成熟过程中也存在大量的调控机制。如对mRNA寿命的调节、可变剪切、RNA编辑等。

翻译水平上的调控既可以通过调节翻译的起始效率，又可以通过调节翻译的延伸过程来实现。在原核生物中，mRNA通过SD序列与核糖体识别，真核生物的mRNA则通过帽子位点与核糖体识别，核糖体小亚基识别与结合mRNA的效率决定着翻译的起始效率。原核生物的一个转录单元中通常有多个顺反子，下一个顺反子的翻译效率与前一个顺反子的翻译是否完成有密切的关系。

然而，自然界中存在的基因表达调控手段并不仅限于以上几个水平。某些低等真核生物的体细胞可通过基因丢失(gene loss)去除部分基因的活性，非洲爪蟾的卵母细胞可以通过基因扩增(gene amplification)在特定时期获得大量rRNA的编码基因，真核生物的淋巴细胞可通过基因重排(gene recombination)调整抗体的编码序列，真核生物基因的甲基化程度与基因表达密切相关，很多蛋白质翻译完成后还要经过加工才能具备活性。以上例证都表明:生物体的基因表达调控是全方位的。

二、原核生物基因表达调控的主要模型

原核生物的主要代谢类型有两种:分解代谢和合成代谢，这两种代谢类型基因表达调控模式的代表分别是乳糖操纵子和色氨酸操纵子。

1.乳糖操纵子

法国巴斯德研究所著名的科学家Jacob和Monod1961年建立的乳糖操纵子学说是原核生物基因表达调控的主要学说之一。

乳糖操纵子的基本结构包括调节基因、启动基因(启动子，P)、操纵基因(O)和结构基因。和乳糖代谢相关的结构基因共有三个:lacZ，编码β－半乳糖苷酶，由500kD的四聚体构成，可以切断乳糖的半乳糖苷键，产生半乳糖和葡萄糖; lacY，编码透过酶，这种酶是一种分子量为30kD膜结合蛋白，它构成转运系统，将乳糖运入细胞中; lacA，编码乙酰转移酶，功能是将乙酰辅酶A上的乙酰基转移到β－半乳糖苷上。调节基因lacI编码阻遏蛋白，阻遏蛋白既可与乳糖相结合，又可和操纵基因相结合。操纵基因和启动基因(启动子)都不编码蛋白质，操纵基因可以和阻遏蛋白质相结合，启动基因则可以和降解物基因激活蛋白(catabolite gene activation protein，CAP)与环腺苷酸(cAMP)形成的复合物结合。

乳糖操纵子的基本负调控机制如下:当外界没有乳糖时，阻遏蛋白结合在操纵基因上，使RNA聚合酶无法与启动子结合并向前推进，转录无法进行，操纵子关闭。当外界有乳糖时，乳糖结合到阻遏蛋白的变构位点上，使构象发生改变，破坏了阻遏蛋白与操纵基因的亲和力，使之从操纵基因上脱落下来，于是RNA聚合酶和启动子相结合，并顺利地通过操纵基因，进行结构基因的转录，大量产生分解乳糖的酶。

根据负调控机制，只要外界有乳糖存在，乳糖操纵子就会打开。然而实验证明，当外界既有乳糖，又有葡萄糖时，乳糖操纵子并没有像预想中一样打开。这与大肠杆菌在生活过程中的实际需要是相吻合的，既然外界有葡萄糖，何必打开乳糖操纵子呢?

科学家迅速在乳糖操纵子中找到了产生上述现象的原因，就是正调控机制:阻遏蛋白从操纵基因上脱落下来并不能促使RNA聚合酶和启动子相结合，它们的结合需要CAP－cAMP复合物首先结合到启动子上。但细胞内葡萄糖浓度较高时，细胞内cAMP的浓度就下降，CAP－cAMP复合物无法形成，RNA聚合酶和启动子就无法结合，转录也就无法进行。只有当葡萄糖浓度下降时，细胞内cAMP的浓度上升，有利于CAP－cAMP复合物的形成，CAP－cAMP复合物结合到启动子上，促使RNA聚合酶和启动子相结合，才能开始进行转录。

综上所述，在乳糖操纵子中，只有当外界没有葡萄糖而有乳糖时，正、负调控机制才能同时打开，合成代谢乳糖的酶。因此，分解代谢型操纵子基因表达调控的基本策略是:外界有该物质时打开，外界缺乏该物质时关闭。

2.色氨酸操纵子

色氨酸操纵子的基本结构与乳糖操纵子类似，也由调节基因、启动子、操纵基因和结构基因等四部分组成，结构基因以多顺反子的形式排列，我们常以第一个结构基因trpE代表全部结构基因。色氨酸操纵子的调节基因trpR编码辅阻遏蛋白，这种蛋白的特点是只有和色氨酸结合后才有和操纵基因结合的能力。色氨酸操纵子的基因表达调控区由启动子、操纵基因和162bp的前导序列组成，前导序列上有起始密码子，转录出来后可以翻译成前导肽，前导肽中有两个相邻的色氨酸密码子。

色氨酸操纵子也存在阻遏系统。当缺乏色氨酸时，辅阻遏蛋白不和色氨酸结合，也就没有能力和操纵基因相结合，于是RNA聚合酶和启动子结合开始转录，表达用来合成色氨酸的基因。当色氨酸充足时，辅阻遏蛋白和色氨酸结合从而具备了和操纵基因结合的能力，于是RNA聚合酶被阻挡，无法进行转录，操纵子关闭。

研究者发现，即便色氨酸操纵子的转录已经开始，仍有很高的比例这种转录会被迅速终止，引起这一现象的原因是色氨酸操纵子的弱化作用。前文提到，在色氨酸操纵子的基因表达调控区存在162bp的前导序列，前导序列不但能被转录，还能被翻译。转录出的前导序列可分为4个片段，分别编号为1、2、3、4区，这4个区能以两种不同的方式进行碱基配对，1－2和3－4配对，或2－3配对。有趣的是3－4配对后所形成的是一个典型的转录终止子结构。前文也提到前导序列翻译出的前导肽有两个相邻的色氨酸密码子，由于原核生物的转录和翻译是偶联的，当前导序列被转录出后前导肽的翻译马上开始，核糖体在新生成的mRNA链上移动。当trp浓度很低时，负载有trp的tRNA也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体仍滞留在1区，这时的前导序列的配对方式是2－3配对，不形成3－4配对的终止结构，所以转录可继续进行。反之，当trp浓度很高时，负载有trp的tRNA也就多，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，这样使2－3不能配对，3－4区可以配对形成终止子结构，转录停止。

阻遏作用和弱化作用都可以控制色氨酸操纵子的转录。两者同时存在意义何在呢?我们认为，这两者的关系就像显微镜的粗调和微调，阻遏作用可对色氨酸浓度大的变化进行粗调，但在应对浓度的微幅波动时，弱化作用的调节无疑更加精细。

色氨酸操纵子作为合成代谢型操纵子，基因表达调控的基本策略与乳糖操纵子正好相反:外界有该物质时关闭，从外界吸收利用;外界缺乏该物质时打开，自己合成。

三、真核生物基因表达调控的特点

与原核生物的基因表达调控相比，真核生物的基因表达调控有如下特点:

1.原核生物大多为单细胞生物，基因组中包含的全部基因大多会在不同的时间和不同环境下在同一个细胞内表达，单个细胞的基因表达调控等同于整个个体的基因表达调控。真核生物大多为多细胞生物，细胞发生了明显的分化，分化后的细胞需对两种不同类型的基因进行表达调控:持家基因和奢侈基因。持家基因，如细胞骨架蛋白、染色体组分蛋白、核糖体蛋白等的编码基因在各种细胞类型中基本上都有表达，但仍处于严格地调控之下，以适应不同生长发育和细胞周期的不同需求;奢侈基因在不同类型的细胞中表达情况完全不同，其基因表达调控也和持家基因有一定的差异。

2.与原核生物相比较，真核生物基因表达调控所涉及的环节更多，机制也更加复杂。正如概述部分列举的，真核生物的基因表达调控可以在DNA水平上实现，也可以在转录、转录后、翻译、翻译后等各个水平进行，基因表达调控的机制也更加复杂。例如真核生物的RNA聚合酶有十几个亚基，远多于大肠杆菌的5个，更多于某些微生物的1个，这为转录起始效率的精细调控打下了基础。又如真核生物的启动子结构比原核生物更复杂，RNA聚合酶需在转录因子的帮助下才能与启动子结合，且在应付不同外来刺激时，结合的位点不同。再如真核生物的转录与翻译过程是分开的，为基因的表达调控留出了更多的空间和时间。

3.在原核生物基因转录的调控中，既有激活物的调控(正调控)，也有阻遏物的调控(负调控)，而真核细胞中虽然也有正调控和负调控成分，但迄今为止主要是正调控，且一个真核基因通常有多个调控序列，需要有多个激活物。

4.原核细胞的遗传物质是裸露的DNA，而真核细胞的染色质是由DNA与组蛋白紧密结核形成的核小体。核小体的形成使真核生物拥有了一套利用核小体结构进行基因表达调控的机制。

思考题:

1.现代遗传学开始于哪个时期?随后的发展经历了哪几个阶段?

2.什么是颗粒式遗传因子?为什么说它是功能、重组和突变的基本单位?

3.请举例说明“一基因多效”和“多基因一效”现象。

4.数量性状和质量性状有什么区别?

5.请叙述两区三系杂交育种法的原理。

6.什么是中心法则?它确定了遗传信息的哪些流向?

7.什么是半保留复制?什么是半不连续复制?

8.哪些主要蛋白质参与了DNA分子复制过程?各起了什么作用?

9.原核生物RNA聚合酶由哪些亚基组成?每种亚基的功能是怎样的?

10.真核生物mRNA分子的转录后加工有哪些步骤?

11.什么是遗传密码子的简并性?它有什么样的特点?

12.请叙述肽链延伸的基本过程。

13.什么是顺式作用元件?增强子有什么特点?

14.请叙述乳糖操纵子的正、负调控机制。

15.色氨酸操纵子的弱化系统是如何工作的?

16.真核生物基因表达调控有什么特点?