第H■•—节基因表达调控
第H■•—节基因表达调控
一、基因表达调控的概述
(―)基因表达及调控的概念和意义
基因表达是指基因转录及翻译的过程，即生成具有生物学功能产物的过程。基因表达 是在机体严密的调控下完成的，这涉及多种分子调节机制。大多数基因经历基因激活、转录 及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态 表型。
(二） 基因表达的时空性
所有生物的基因表达都具有严格的规律性，即表现为时间特异性和空间特异性。
基因表达的时间特异性是指某一特定基因的表达按一定的时间顺序发生。如编码甲胎蛋 白（AFP)的基因在胎儿肝细胞中活跃表达，因此合成大量的甲胎蛋白。在成年后该基因的表 达水平很低，几乎检测不到AFP。但是，当肝细胞发生转化形成肝癌细胞时，编码AFP的基 因又重新被激活，大量的AFP被合成。因此,血浆中AFP的水平可以作为肝癌早期诊断的一 个重要指标。
空间特异性是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官 表达不同。在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达水平 是不一样的。在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个 体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性。如编码胰岛素的基因只在胰岛的P细胞 中表达，从而生辟胰岛素。
(三） 基因的组成性表达、诱导与阻遏
有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的，这类基因在一个生物个体的几乎 所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。
管家基因的表达水平受内外环境因素影响较小，因此，将这类基因表达称为组成性基因表 达。但实际上，组成性的基因表达水平并非绝对“一成不变”。
另有一些基因表达易受内外环境因素影响，随着环境信号变化，这类基因表达水平可以出 现升高或降低的现象。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，即这 种基因表达是可诱导的。可诱导基因在一定的环境中表达增强的过程称为诱导，可阻遏基因 表达产物水平降低的过程称为阻遏。
(四） 基因表达的多级调控
基因表达调控可发生在遗传信息传递过程的任何环节。从理论上讲，改变遗传信息传递 过程的任何环节均会导致基因表达的变化。因此，基因表达的调控是受到多级调控。遗传信 息以基因的形式贮存于DNA分子中，基因拷贝数越多，其表达产物也会越多，因此基因组 DNA的部分扩增可影响基因表达。在多细胞生物中，某一特定类型细胞的选择性扩增可能通 过此种机制使某种或某些蛋白质分子高表达的结果。为适应某种特定需要而进行的DNA重 排(rearrangement)，以及DNA甲基化(methylation)等均可在遗传信息水平上影响基因表达。
一、基因表达调控的概述
(―)基因表达及调控的概念和意义
基因表达是指基因转录及翻译的过程，即生成具有生物学功能产物的过程。基因表达 是在机体严密的调控下完成的，这涉及多种分子调节机制。大多数基因经历基因激活、转录 及翻译等过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态 表型。
(二） 基因表达的时空性
所有生物的基因表达都具有严格的规律性，即表现为时间特异性和空间特异性。
基因表达的时间特异性是指某一特定基因的表达按一定的时间顺序发生。如编码甲胎蛋 白（AFP)的基因在胎儿肝细胞中活跃表达，因此合成大量的甲胎蛋白。在成年后该基因的表 达水平很低，几乎检测不到AFP。但是，当肝细胞发生转化形成肝癌细胞时，编码AFP的基 因又重新被激活，大量的AFP被合成。因此,血浆中AFP的水平可以作为肝癌早期诊断的一 个重要指标。
空间特异性是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官 表达不同。在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达水平 是不一样的。在个体生长、发育过程中，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个 体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性。如编码胰岛素的基因只在胰岛的P细胞 中表达，从而生辟胰岛素。
(三） 基因的组成性表达、诱导与阻遏
有些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的，这类基因在一个生物个体的几乎 所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。
管家基因的表达水平受内外环境因素影响较小，因此，将这类基因表达称为组成性基因表 达。但实际上，组成性的基因表达水平并非绝对“一成不变”。
另有一些基因表达易受内外环境因素影响，随着环境信号变化，这类基因表达水平可以出 现升高或降低的现象。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，即这 种基因表达是可诱导的。可诱导基因在一定的环境中表达增强的过程称为诱导，可阻遏基因 表达产物水平降低的过程称为阻遏。
(四） 基因表达的多级调控
基因表达调控可发生在遗传信息传递过程的任何环节。从理论上讲，改变遗传信息传递 过程的任何环节均会导致基因表达的变化。因此，基因表达的调控是受到多级调控。遗传信 息以基因的形式贮存于DNA分子中，基因拷贝数越多，其表达产物也会越多，因此基因组 DNA的部分扩增可影响基因表达。在多细胞生物中，某一特定类型细胞的选择性扩增可能通 过此种机制使某种或某些蛋白质分子高表达的结果。为适应某种特定需要而进行的DNA重 排(rearrangement)，以及DNA甲基化(methylation)等均可在遗传信息水平上影响基因表达。
遗传信息经转录由DNA传向RNA过程中的许多环节，是基因表达调控最重要、最复杂的一
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(五）基因表达调控基本要素
在遗传信息传递的各个水平上均可进行基因表达调控，但发生在转录水平，尤其是转录起 始水平的调节，对基因表达起着至关重要的作用。转录起始是基因表达的基本控制点，其主要 包括:①特异DNA序列决定基因的转录活性；②转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性; ③转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节;④RNA聚合酶与基 因的启动序列/启动子相结合。
二、基因表达调控基本原理
(_)原核基因表达调控(乳糖操纵子）
原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子通常由2个以上的编码 序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。启动序列是RNA 聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。
£：. c必的乳糖操纵子含Z、Y及A三个结构基因，分别编码(3-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基 转移酶，此外还有一个操纵序列〇、一个启动序列P及一个调节基因I。I基因具有独立的启 动序列，编码一种阻遏蛋白，后者与0序列结合，使操纵子受阻遏而处于关闭状态。在启动序 列P上游还有一个分解(代谢)物基因激活蛋白（CAP)结合位点。由P序列、O序列和CAP 结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区，三个酶的编码基因即由同一调控区调节，实现基因产 物的协调表达。_
乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节。在没有乳糖存在时，操纵子处于阻遏 状态;当有乳糖存在时，&操纵子即可被诱导。而CAP的调节属于正性调节。
(二）真核基因表达调控(顺式作用元件、反式作用因子）
真核基因表达调控的某些机制与原核存在明显差别。这包括真核细胞内含有多种RNA 聚合酶;处于转录激活状态的染色质结构会发生明显变化，如对核酸酶敏感，DNA碱基的甲基 化修饰，组蛋白的乙酰化、甲基化或磷酸化修饰等。此外，微小RNA对真核基因表达调控的 影响也日益受到重视。
真核基因组结构庞大，参与真核生物基因转录激活调节的DNA序列比原核更为复杂。 绝大多数真核基因调控机制几乎普遍涉及编码基因两侧的DNA序列——顺式作用元件。顺 式作用元件是指可影响自身基因表达活性的DNA序列。在不同真核基因的顺式作用元件中 也会时常发现一些共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。这些共有序列就是顺式作用元件 的核心序列，它们是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。顺式作用元件通常是非 编码序列，但是并非都位于转录起始点上游(5'-端）。根据顺式作用元件在基因中的位置、转 录激活作用的性质及发挥作用的方式,可将真核基因的这些功能元件分为启动子、增强子及沉 默子等。
真核基因转录调节蛋白又称转录因子。绝大多数真核转录调节因子由它的编码基因表达 后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合(即DNA-蛋白质相互作用），反式激活另一基因 的转录，称为反式作用因子。
转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节。DNA-蛋白质相 互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。这种结合通常是非共价结
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(五）基因表达调控基本要素
在遗传信息传递的各个水平上均可进行基因表达调控，但发生在转录水平，尤其是转录起 始水平的调节，对基因表达起着至关重要的作用。转录起始是基因表达的基本控制点，其主要 包括:①特异DNA序列决定基因的转录活性；②转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性; ③转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节;④RNA聚合酶与基 因的启动序列/启动子相结合。
二、基因表达调控基本原理
(_)原核基因表达调控(乳糖操纵子）
原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子通常由2个以上的编码 序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。启动序列是RNA 聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。
£：. c必的乳糖操纵子含Z、Y及A三个结构基因，分别编码(3-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基 转移酶，此外还有一个操纵序列〇、一个启动序列P及一个调节基因I。I基因具有独立的启 动序列，编码一种阻遏蛋白，后者与0序列结合，使操纵子受阻遏而处于关闭状态。在启动序 列P上游还有一个分解(代谢)物基因激活蛋白（CAP)结合位点。由P序列、O序列和CAP 结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区，三个酶的编码基因即由同一调控区调节，实现基因产 物的协调表达。_
乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节。在没有乳糖存在时，操纵子处于阻遏 状态;当有乳糖存在时，&操纵子即可被诱导。而CAP的调节属于正性调节。
(二）真核基因表达调控(顺式作用元件、反式作用因子）
真核基因表达调控的某些机制与原核存在明显差别。这包括真核细胞内含有多种RNA 聚合酶;处于转录激活状态的染色质结构会发生明显变化，如对核酸酶敏感，DNA碱基的甲基 化修饰，组蛋白的乙酰化、甲基化或磷酸化修饰等。此外，微小RNA对真核基因表达调控的 影响也日益受到重视。
真核基因组结构庞大，参与真核生物基因转录激活调节的DNA序列比原核更为复杂。 绝大多数真核基因调控机制几乎普遍涉及编码基因两侧的DNA序列——顺式作用元件。顺 式作用元件是指可影响自身基因表达活性的DNA序列。在不同真核基因的顺式作用元件中 也会时常发现一些共有序列，如TATA盒、CCAAT盒等。这些共有序列就是顺式作用元件 的核心序列，它们是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。顺式作用元件通常是非 编码序列，但是并非都位于转录起始点上游(5'-端）。根据顺式作用元件在基因中的位置、转 录激活作用的性质及发挥作用的方式,可将真核基因的这些功能元件分为启动子、增强子及沉 默子等。
真核基因转录调节蛋白又称转录因子。绝大多数真核转录调节因子由它的编码基因表达 后，通过与特异的顺式作用元件的识别、结合(即DNA-蛋白质相互作用），反式激活另一基因 的转录，称为反式作用因子。
转录调节蛋白通过与DNA或与蛋白质相互作用对转录起始进行调节。DNA-蛋白质相 互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。这种结合通常是非共价结
合，被调节蛋白识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。