第九章基因表达及其调控 第一节基因调控及其在个体发育中的表现 基因表达是结构基因在生物体内的转录、翻译以及所有的加工过程。任何影响基因的开户与 关闭、转录和翻译过程的较直接的因素及其作用就是基因表达的调控。 从遗传角度讲，任何生物的个体发育都是基因型转化为表现型的过程，在这个过程中，体现 了基因的表达的调控作用。以多细胞的真核生物为例：真核生物受精卵或体细胞中携带着生 物体细胞生长发育的全部遗传信息，即具有全能性，在一定的条件下可以发育成为一个完整 的个体，这个个体包含众多类型不同的体细胞，这些体细胞是由同一个受精卵经有丝分裂而 来的，其基因型是相同的，但却出现了分化，分化后不同类型的细胞只表达遗传信息的某一 部分。细胞之所以产生分化，是通过基因表达的调控来实现的，也就是说，是因在发育的不 同阶段基因活性不同引起的。这就是基因表达的差别学说。个体发育阶段性转变的过程，实 质上是不同基因被激活或被阻遏的过程。在正常情况下，一个个体的各类细胞都是按照一定 的规律和一定的时空顺序，关闭一些基因，同开启另一些基因，并不断地进行严格的调控， 以保证个体的发育得以顺利进行。 基因能否得到表达，目前只能从它的产物一一蛋白质来推测。人的血红蛋白组成的变化是 基因活性差别典型的例证，足以说明个体发育过程中不同基因的表达顺序。 成人主要的血红蛋白(HA)是两条a链和两条B链聚合而成的四聚体，即a2B2,在人的 一生中，血红蛋白的链要经过多次变化，至少涉及5种类似的肽链，ā链、B链、Y链、δ链 和e链。这5种链分别由5个非等位基因一一Hba、HbB、HbY、b6和He所控制。(a-e- Y-B-6) 其中Hbā基因从胎儿、婴儿到成人的各个发育时期都有活性，其它4个基因在发育的不同 时期存在活性。在1~3个月的胎儿中，除ba开放并合成ā肽链外、Hbe基因也开放、合成e 肽链。两条ā链和两条e链组成胚胎血红蛋白。胚胎发育到4~6月份，b?基因作用减弱，而 为by基因合成Y肽链的过程所取代。两条Y链和两条α链组成胎儿血红蛋白。胎儿后期到出 生，bY基因活性逐渐下降，HbB基因活性急刷上升，因此，Y链合成减少，而B链的合成显 著上升。同时b6基因也开始活动，合成8肽链。婴儿出生后约12周，bY基因关闭。B链 和6链与a链按不同组合，聚合为血红蛋白A(a2B2)和血红蛋白A2(a262)前者约占成人血 红蛋白总量的95%以上. 口 第二节原核生物基因调控 基因的调控机理相当复杂，至今仍知之不多。但这个领域是当前遗传学研究的热点，随着 功能基因组学的飞速发展，研究进展相当快。研究成果多集中在原核生物，对高等生物基因表 达的调控机制还了解不多。 1.转录水平的调控 单细胞的原核生物对环境条件具有高度的适应性，可以迅速调节各种基因的表达水平，以 适应不断变化的环境条件。原核生物主要是在转录水平上调控基因的表达。当需要这种产物 时，就大量合成这种mRNA,当不需要这种产物时就抑制这种mRNA的转录，防碍RNA聚合酶的工 作，使基因处于关闭状态。 关于原核生物基因调控研究的较清楚的是大肠杆菌的乳糖操纵子模型。在大肠杆菌中，乳 糖代谢的基因调控是一个基因群参与实现的，依次为i-p-o-a-么-y,a、y、z为三个紧密连锁的 结构基因，它们分别转译产生与乳糖代谢有关的三种酶，0为操纵基因，p为转录的启动子，i 为调节基因，编码一种蛋白质，称为阻遏物。当大肠杆菌培养在葡萄糖培养基上时，调节基因 转录合成的阻遏蛋白与o结合，阻止了RNA聚合酶的通过，三个结构基因停止转录，处于关闭状 态；当把大肠杆菌转移到乳糖培养基上时，乳糖（的一种代谢产物-别乳糖）与阻遏蛋白结 合，改变阻遏蛋白的构象，使阻遏蛋白从o上解离下来，这时聚集于p附近的RNA聚合酶便可以 向下游移动通过o位点，从而打开三个结构基因，使之得以转录成RNA。与此同时，原来与葡 萄糖代谢有关的基因就被关闭。乳糖用完后，阻遏蛋白又与o结合，阻止RNA聚合酶的工作，立 刻关闭乳糖代谢的结构基因。在原核生物中，这种功能上相关的基因前后相连成串，形成基因
表达和调控的完整单元，其中包括调节基因，启动子，操作子和结构基因。这种结构叫操纵元 (或操纵子)。 象这种有调节基因的产物（阻遏蛋白存在时，基因关闭以阻止转录的进行，称为负调控， 在负调控系统中，乳糖作为诱导物使阻遏蛋白脱离操纵基因而失活，这种调控方式叫负调控诱 导系统。 2.翻译水平的调控 刚才所讲的基因表达的调控，是转录水平上的调控。基因表达有两个主要环节，转录和翻 译。基因表达的调控可以调控转录环节，也可以调控翻译环节。 原核生物中研究得最清楚的翻译水平的调控系统是E.©o1i核糖体蛋白质合成的反馈调控机 制。E.co1i有7个操纵元与核糖体蛋白质合成有关，这7个操纵元位于同一染色体上并相互掺 参。每一种操纵元转录的mRNA都能够被同一操纵元编码的蛋白质识别，并能够与其结合。如果 某种核糖体蛋白质在细胞中过量积累，他们将与翻译其自身的RNA结合，阻止自身的翻译，同 时也阻断同一条mRNA下游其他核糖体蛋白质编码区的翻译。mRNA分子上与蛋白质结合的位点通 常包括mRNA5'端的非翻译区(untraslated region,.UTR),也包括启动子区域的Shine-- Dalgarno序列。 第三节真核生物的基因调控 原核生物操纵元调控中的一些原理也存在于真核生物基因表达中，但是，多细胞真核生物 的调控机制远比原核生物复杂。①高等真核生物的基因组远比细菌的基因组大得多。因此包括 的DA和遗传信息也多得多。高等生物基因组中有很多重复序列和内含子与非编码区，重复序 列与调控作用有关。②真核生物的DNA与组蛋白和非组蛋白等结合，这些蛋白质性质的变化可 以改变DNA的结构，影响其转录活性，对基因的表达起调控作用。而原核生物的DA是裸露的线 状或环状，不含组蛋白。③真核生物基因分散在整个基因组的各个染色体上，而不象细菌那样 全部基因串在一起形成一个连锁群。所以真核生物不仅存在同一染色体上不同基因间的调控问 题，而且还存在不同染色体之间的基因调控问题。④在多细胞真核生物中，真核细胞具备选择 性地激活和抑制基因表达的机制，基因的差别表达是细胞分化和功能的核心，如果基因在错误 的时间或细胞中表达，或过量地表达，都会破坏细胞的正常代谢，甚至导致细胞死亡。而原核 生物同一群体细胞内基因表达基本一致。⑤真核生物细胞的转录和翻译在时间和空间上都不相 同，转录在细胞核中，翻译在细胞质中。第五，不同生物和细胞可能具有不同的基因表达机 制。因此，真核生物基因表达的调控范围更大，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修 饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但是，最主要的调控环节仍然发生在转录水平 上。 (一)DNA水平的调控 真核生物的有些基因是经过DNA的变化来调控的。DA变化包括基因的扩增、重排、转座或 其它化学改变。其中有些改变是可逆的。 1.基因扩增细胞中有些基因的需要量在特定时期比正常时大得多，细胞保持这种特定比 例的方式之一是基因扩增。即短期内产生某一基因的拷贝数。两栖动物如蟾蜍的卵母细胞很 大，是正常体细胞的一百万倍，发育时需要大量的核糖体。核糖体含有A分子，正常基因组 中的NA基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。所以在卵母细胞发育过程中， rRNA基因(rDNA)数目临时增加了几千倍(10O0-40OO)倍，以满足胚胎发育早期核糖体合成的需 要。在某些情况下，基因扩增发生在异常的细胞中。例如，人类癌细胞中的许多致癌基因，经 大量扩增后高效表达，导致细胞生长失控。 2.D八A重排真核生物基因组中的DNA序列可发生重排，这种重排是由特定基因组的遗传 信息决定的，重排后的基因序列转录成不同RNA,翻译成不同的蛋白质，在真核生物细胞生长 发育中起关键作用。 例如，人类抗体分子的基本结构包括两条分别约440个氨基酸的重链和两条分别约214个氨 基酸的轻链，轻链、重链之间和两条重链之间由二硫键连接。不同抗体分子的差别主要在重链 和轻链的氨基端(N端)，故将N端称为变异区，不同抗体羧基端(C端)的序列非常相似，称 为恒定区，在两区之间还有连接区（重链还有歧化区）。在人类基因组中，可产生10种以上 不同的抗体分子，如果一种抗体是由一个完整的抗体基因编码的，则这个基因数比人类基因组 还大，而实际情况是，所有抗体的重链和轻链都不是由一个完整的抗体基因编码的，而是由可变
区、连接区、恒定区基因片断在染色体内重组形成的，由于抗体基因重排中各个片段之间的随 机组合，因此可以从约300个抗体基因中产生108个抗体分子。 3.甲基化 真核生物DNA中约有2-T%的胞嘧啶存在甲基化修饰，绝大多数发生甲基化的C与同一单链 上的G相临。因为DNA双链的互补特性，一条链为CG,另一条必为GC,当一条链上的C甲基化 后，甲基化酶可识别并停留在此处，在酶的作用下，另一条链上的与G互补的C也甲基化，即形 成两个甲基化的二核苷酸对（甲基遗传过程）。试验己经表明，在基因不转录的组织中，该基 因中70%的GC是甲基化的，而在该基因表达活性高的组织中，只有20-30%的GC是甲基化的，这 意味着甲基化也是一种调控手段。 4转座：基因组内一些特定的片断能在基因组不同区域转移，这种现象称转座，这些可转 移的DNA序列称转座子（转座子一词并不确切，因为转座作用涉及转座子的复制，即转座子复 制后插入基因组的别处，而并非转座子转移到别处)。转座可能使插入的位点不能正常转录， 也可引起基因的扩增、DNA重排及染色体畸变等。绝大多数转座子都可以在染色体的任何部位 插入，因此有人认为转座只是自私的DA的自我扩增的方式，但有些转座子程度不同的倾向于 插入某些特定的靶位点。 原核生物和真核生物都有转座现象。 (二)转录水平上的调控 1.启动子调控 有些真核生物同一结构基因具有两个或两个以上的启动子，用于在不同细胞中表达。不同 启动子可产生不同的初级转录产物和不同的蛋白质编码序列。果蝇的乙醇脱氢酶基因是一个典 型的例子。在幼虫和成虫期分别利用不同启动子进行转录。成虫期的转录具有一段很长的 5'端前导序列，其中大多数在RNA加工中去掉。多启动子可使幼虫和成虫具有独立的转录调 控。 2.组蛋白与非组蛋白的调控作用（组蛋白转位模型） 在真核生物中，组蛋白与DNA结合并使其螺旋化，使DNA处于非解链状态，不能转录，所以可以 认为组蛋白是一种广谱的DNA抑制剂。研究发现至少有一部分非组蛋白同基因的开启或关闭有 关，其机理如下：DNA带负电荷，组蛋白带正电荷，二者靠正负电荷的吸引而结合，抑制了DNA的转 录活性。在某一特定时段，非组蛋白在磷酸化酶的作用下磷酸化后带较强的负电荷，强烈地同带 正电荷的组蛋白结合在一起，并与带负电的DNA相斥。组蛋白-非组蛋白复合体从DNA链上解离 开，DA裸露，不再受抑制而开始转录。可见非组蛋白具有解除组蛋白的抑制、促进基因转录的 调控功能。 (三)转录后调控（修饰） 在真核生物中，基因的转录的产物统称为核不均一RNA(hnRNA),必须经过加工才能成为 成熟的RA分子。加工过程包括三个方面：加帽、加尾和去掉内含子。同一初级转录产物在不 同细胞中可以以不同方式切割加工，形成不同的成熟RNA分子，使翻译成的蛋白质在含量或组 成上都可能不同。 (四)翻译水平的调控 在真核生物中，基因表达的调控主要发生在转录水平上，但是，翻译水平的调控也是十分 重要的。阻遏蛋白与RNA结合，可以阻止蛋白质的翻译。铁蛋白的功能是在细胞内贮存铁。铁 蛋白mRNA的翻译取决于铁的供应。铁供应充足，则铁蛋白合成就多。当细胞中没有铁时，阻遏 蛋白与铁蛋白mRNA结合，阻止翻译的进行。当细胞中有铁存在时，阻遏蛋白就不与铁蛋白mRNA 结合，使翻译得以进行。这与原核生物的乳糖操纵子有些相似。 海胆卵内的RNA在受精前是不翻译的，一旦受精，蛋白质的合成立即开始。为了证明这些 指导蛋白质合成的RNA是早己存在于卵细胞内的，而不是当时转录的（即证明是翻译水平的调 控)，可以用放线菌素D处理受精卵，放线菌素D可以抑制RNA的转录，处理后的受精卵仍可翻 译蛋白质，说明mRNA是早就存在的，只是受精前不翻译。当海胆受精卵发育一段时间，再用放 线菌素D处理，蛋白质的合成就会停止。 (五)细胞质与基因调控一一细胞质在细胞生长和分化中的作用 己有的研究证明，受精卵内细胞质的分布是不均匀的，受精卵经过卵裂，分成许多细胞，这些 细胞含有相同的核基因，只是含有的细胞质内容是不同的，因而形成了不同类型的细胞，从而 产生了细胞的分化，这就意味着细胞质的变化控制了基因的活性
海胆（销）受精卵的第一、二次分裂，都是顺着对称轴的方向进行的。如果将四个卵裂细胞 分开，每·个卵裂细胞都能发育成幼虫，说明各个卵裂细胞中的细胞质是完全的。第三次卵裂 方向与对称轴垂直，分裂的8个卵裂细胞分开后，就不能发育成幼虫。如果在第一次卵裂开始 时，顺着赤道面把卵切成两半，使其一半含有动物极，一半含有植物极。带核的植物极一半受 精后，发育成比较复杂但不完整的胚胎，带核的动物极一半受精的，发育成空心而多纤毛的球 状物，两者都不能正常发育而天折。 如果在切割前用离心法将植物极的细胞质抛向动物极，使两者同处一个半球内，然后进行 切割，则含有细胞核的动物极半球在受精后能正常发育。 这不仅说明细胞质是胚胎发育所必需的，而且说明细胞质对基因的活性对个体发育也能产 生不同的影响