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基因表達調控

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基因表達調控是生物體內基因表達的調節控制，使細胞中基因表達的過程在時間、空間上處於有序狀態，並對環境條件的變化作出反應的複雜過程。基因表達的調控可在多個層次上進行，包括基因水平、轉錄水平、轉錄後水平、翻譯水平和翻譯後水平的調控。基因表達調控是生物體內細胞分化、形態發生和個體發育的分子基礎

概述

基因調控是現代分子生物學研究的中心課題之一。因為要了解動植物生長發育規律。形態結構特徵及生物學功能，就必須搞清楚基因表達調控的時間和空間概念，掌握了基因調控機制，就等於掌握了一把揭示生物學奧秘的鑰匙。基因表達調控主要表現在以下幾個方面：①轉錄水平上的調控；②mRNA加工、成熟水平上的調控；③翻譯水平上的調控；

基因表達調控的指揮系統有很多種，不同生物使用不同的信號來指揮基因調控。原核生物和真核生物之間存在着相當大差異。原核生物中，營養狀況、環境因素對基因表達起着十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、發育階段等是基因表達調控的主要手段，營養和環境因素的影響則為次要因素。

原核生物的基因表達調控

原核生物的基因表達調控雖然比真核生物簡單，然而也存在着複雜的調控系統，如在轉錄調控中就存在着許多問題：如何在複雜的基因組內確定正確的轉錄起始點？如何將DNA的核苷酸按着遺傳密碼的程序轉錄到新生的RNA鏈中？如何保證合成一條完整的RNA鏈？如何確定轉錄的終止？

上述問題決定於DNA的結構、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的互相作用，在轉錄調控中，現已搞清楚了細菌的幾個操縱子模型，現以乳糖操縱子和色氨酸操縱子為例予以說明。

乳糖操縱子

法國巴斯德研究所著名的科學家Jacob和Monod在實驗的基礎上於1961年建立了乳糖操縱子學說。

大腸桿菌乳糖操縱子包括4類基因：①結構基因，能通過轉錄、翻譯使細胞產生一定的酶系統和結構蛋白，這是與生物性狀的發育和表型直接相關的基因。乳糖操縱子包含3個結構基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成透過酶，lacA合成乙酰基轉移酶。②操縱基因O，控制結構基因的轉錄速度，位於結構基因的附近，本身不能轉錄成mRNA。③啟動基因P，位於操縱基因的附近，它的作用是發出信號，mRNA合成開始，該基因也不能轉錄成mRNA。④調節基因i：可調節操縱基因的活動，調節基因能轉錄出mRNA，併合成一種蛋白，稱阻遏蛋白。操縱基因、啟動基因和結構基因共同組成一個單位——操縱子（operon）。

調節乳糖催化酶產生的操縱子就稱為乳糖操縱子。其調控機制簡述如下：

抑制作用：調節基因轉錄出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其構象能夠識別操縱基因並結合到操縱基因上，因此RNA聚合酶就不能與啟動基因結合，結構基因也被抑制，結果結構基因不能轉錄出mRNA，不能翻譯酶蛋白。

誘導作用：乳糖的存在情況下，乳糖代謝產生別乳糖（alloLactose），別乳糖能和調節基因產生的阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白改變構象，不能在和操縱基因結合，失去阻遏作用，結果RNA聚合酶便與啟動基因結合，並使結構基因活化，轉錄出mRNA，翻譯出酶蛋白。

負反饋：細胞質中有了β—半乳糖苷酶後，便催化分解乳糖為半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解後，又造成了阻遏蛋白與操縱基因結合，使結構基因關閉。

色氨酸操縱子

色氨酸操縱子負責調控色氨酸的生物合成，它的激活與否完全根據培養基中有無色氨酸而定。當培養基中有足夠的色氨酸時，該操縱子自動關閉；缺乏色氨酸時，操縱子被打開。色氨酸在這裡不是起誘導作用而是阻遏，因而被稱作輔阻遏分子，意指能幫助阻遏蛋白發生作用。色氨酸操縱子恰和乳糖操縱子相反。

真核生物基因表達調控

真核生物基因表達調控與原核生物有很大的差異。原核生物同一群體的每個細胞都和外界環境直接接觸，它們主要通過轉錄調控，以開啟或關閉某些基因的表達來適應環境條件（主要是營養水平的變化），故環境因子往往是調控的誘導物。而大多數真核生物，基因表達調控最明顯的特徵是能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因，從而實現「預定」的，有序的，不可逆的分化和發育過程，並使生物的組織和器官在一定的環境條件範圍內保持正常的生理功能。

真核生物基因表達調控據其性質可分為兩大類：第一類是瞬時調控或叫可逆調控，相當於原核生物對環境條件變化所做出的反應。瞬時調控包括某種代謝底物濃度或激素水平升降時及細胞周期在不同階段中酶活性和濃度調節。第二類是發育調節或稱不可逆調控，這是真核生物基因表達調控的精髓，因為它決定了真核生物細胞分化，生長，和發育的全過程。據基因調控在同一時間中發生的先後次序，又可將其分為轉錄水平調控，轉錄後的水平調控，翻譯水平調控及蛋白質加工水平的調控，研究基因調控應回答下面三個主要問題：①什麼是誘發基因轉錄的信號？ ②基因調控主要是在那個環節（模板DNA轉錄，mRNA的成熟或蛋白質合成）實現的？③不同水平基因調控的分子機制是什麼？

回答上述這三個問題是相當困難的，這是因為真核細胞基因組DNA含量比原核細胞多，而且在染色體上除DNA外還含有蛋白質,RNA等，在真核細胞中，轉錄和翻譯兩個過程分別是在兩個彼此分開的區域：細胞核和細胞質中進行。 一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出一條多肽鏈；真核細胞DNA與組蛋白及大量非組蛋白相結合，只有小部分DNA是裸露的；而且高等真核細胞內DNA中很大部分是不轉錄的；真核生物能夠有序的根據生長發育階段的需要進行DNA片段重排，並能根據需要增加細胞內某些基因的拷貝數等。儘管難度很大，科學家們還是建立起多個調控模型。

轉錄水平的調控

Britten和Davidson於1969年提出的真核生物單拷貝基因轉錄調控的模型——Britten—Davidson模型。該模型認為在整合基因的5』端連接着一段具有高度專一性的DNA序列，稱之為傳感基因。在傳感基因上有該基因編碼的傳感蛋白。外來信號分子和傳感蛋白結合相互作用形成複合物。該複合物作用於和它相鄰的綜合基因組，亦稱受體基因，而轉錄產生mRNA，後者翻譯成激活蛋白。這些激活蛋白能識別位於結構基因（SG） 前面的受體序列並作用於受體序列，從而使結構基因轉錄翻譯。

若許多結構基因的臨近位置上同時具有相同的受體基因，那麼這些基因就會受某種激活因子的控制而表達，這些基因即屬於一個組（set），如果有幾個不同的受體基因與一個結構基因相鄰接，他們能被不同的因子所激活，那麼該結構基因就會在不同的情況下表達，若一個傳感基因可以控制幾個整合基因，那麼一種信號分子即可通過一個相應的傳感基因激活幾組的基因。故可把一個傳感基因所控制的全部基因歸屬為一套。如果一種整合基因重複出現在不同的套中，那麼同一組基因也可以屬於不同套。

染色質結構對轉錄調控的影響

真核細胞中染色質分為兩部分，一部分為固縮狀態，如間期細胞着絲粒區、端粒、次溢痕，染色體臂的某些節段部分的重複序列和巴氏小體均不能表達，通常把該部分稱為異染色質。與異染色質相反的是活化的常染色質。真核基因的活躍轉錄是在常染色質進行的。轉錄發生之前，常染色質往往在特定區域被解旋或鬆弛，形成自由DNA，這種變化可能包括核小體結構的消除或改變，DNA本身局部結構的變化，如雙螺旋的局部去超螺旋或鬆弛、DNA從右旋變為左旋，這些變化可導致結構基因暴露，RNA聚合酶能夠發生作用，促進了這些轉錄因子與啟動區DNA的結合，導致基因轉錄，實驗證明，這些活躍的DNA首先釋放出兩種非組蛋白，（這兩種非組蛋白與染色質結合較鬆弛），非組蛋白是造成活躍表達基因對核酸酶高度敏感的因素之一。

更多的科學家已經認識到，轉錄水平調控是大多數功能蛋白編碼基因表達調控的主要步驟。關於這一調控機制，現有兩種假說。一種假說認為，真核基因與原核基因相同，均擁有直接作用在RNA聚合酶上或聚合酶競爭DNA結合區的轉錄因子，第二種假說認為，轉錄調控是通過各種轉錄因子及反式作用蛋白對特定DNA位點的結合與脫離引起染色質構象的變化來實現的。真核生物DNA嚴密的染色質結構及其在核小體上的超螺旋結構，決定了真核基因表達與DNA高級結構變化之間的必然聯繫。DNA鏈的鬆弛和解旋是真核基因起始mRNA合成的先決條件。

轉錄後水平的調控

真核生物基因轉錄在細胞核內進行，而翻譯則在細胞質中進行。在轉錄過程中真核基因有插入序列，結構基因被分割成不同的片段，因此轉錄後的基因調控是真核生物基因表達調控的一個重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各種基因轉錄產物RNA，無論rRNA、tRNA還是mRNA，必須經過轉錄後的加工才能成為有活性的分子。

翻譯水平上的調控

蛋白質合成翻譯階段的基因調控有三個方面：① 蛋白質合成起始速率的調控；② MRNA的識別；③ 激素等外界因素的影響。蛋白質合成起始反應中要涉及到核糖體、mRNA蛋白質合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，這些結構和諧統一才能完成蛋白質的生物合成。mRNA則起着重要的調控功能。

真核生物mRNA的「掃描模式」與蛋白質合成的起始。真核生物蛋白合成起始時，40S核糖體亞基及有關合成起始因子首先與mRNA模板近5』端處結合，然後向3』方向移行，發現AUG起始密碼時，與60S亞基形成80S起始複合物，即真核生物蛋白質合成的「掃描模式」。

mRNA5』末端的帽子與蛋白質合成的關係。真核生物5』末端可以有3種不同帽子：0型、I 型和 II 型。不同生物的mRAN可有不同的帽子，其差異在於帽子的鹼基甲基化程度不同。帽子的結構與mRNA的蛋白質合成速率之間關係密切：① 帽子結構是mRNA前體在細胞核內的穩定因素，也是mRNA在細胞質內的穩定因素，沒有帽子的轉錄產物會很快被核酸酶降解；② 帽子可以促進蛋白質生物合成過程中起始複合物的形成，因此提高了翻譯強度；③ 沒有甲基化(m7G)的帽子(如GPPPN-)以及用化學或酶學方法脫去帽子的mRNA，其翻譯活性明顯下降。