19第十八章 基因表达调控

第十八章基因表达调控20世纪50年代末，生物科学家们揭示了遗传信息从DNA传递到蛋白质的规律—中心法则。此后，科学家们一直在探索着究竟是何种机制调控着遗传信息的传递。1961年，F.Jacob和J.Monod提出了著名的操纵子学说，开创了基因表达调控研究的新纪元。基因表达调控的研究使得人们了解到多细胞生物是如何从一个受精卵及所具有的一套遗传基因组，最终形成了具有不同形态和功能的多组织、多器官的个体；也使得人们初步知晓：为何同一个体中不同的组织细胞拥有相同的遗传信息，却可以产生各自专一的蛋白质产物，因而具有完全不同的生物学功能。因此，对基因表达调控的了解是认识生命体不可或缺的重要内容。框18-1操纵子的发现1961年，法国科学家F.Jacob和J.L.Monod在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现有些基因不是作为合成蛋白质的模板发挥作用，而只是起到调节或操纵作用，故提出操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。1965年，F.Jacob和J.Monod荣获诺贝尔生理学／医学奖。1969年，J.R.Beckwith从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子，证实了F.Jacob;fvJ.L.Monod的模型及理论。第一节基因表达与基因表达调控的基本概念与特点原核生物体系和真核生物体系在基因组结构以及细胞结构上的差异使得它们的基因表达方式有所不同。原核细胞没有细胞核，遗传信息的转录和翻译发生在同一空间，并以偶联的方式进行。真核细胞具有细胞核，’使得转录和翻译不仅具有空间分布的特征，而且还有时间上的先后顺序。尽管如此，原核生物体系和真核生物体系在基因表达调控上都遵循一些共同的基本规律。一、基因表达是基因转录和翻译的过程基因表达（geneexpression）就是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码基因，mRNA继而翻译成多肤链，并装配加工成最终的蛋白质产物。在一定调节机制控制下，大多数基因经历、转录和翻译过程，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。但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。rRNA,tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。不同生物的基因组含有不同数量的基因。细菌的基因组约含4000个基因；多细胞生物的基因达数万个，人类基因组含约2万一2.5万个基因（见第十三章）。在某一特定时期或生长阶段，基因组中只有小部分基因处于表达状态。例如，大肠杆菌通常只有约5%的基因处于高水平，转录活性状态，其余大多数基因不表达或表达水平极低，即：生成很少的RNA或蛋白质。基因｛表达水平的高低不是固定不变的。例如，平时与细菌蛋白质生物合成有关的延长因子编码基因356第十八章基因表达调控357表达十分活跃，而参与DNA损伤修复有关的酶分子编码基因却极少表达；当有紫外线照射引起DNA损伤时，这些修复酶编码基因的表达就变得异常活跃。可见，生物体中具有某种功能的基因产物在细胞中的数量会随时间、环境而变化。二、基因表达具有时间特异性和空间特异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。生物物种愈高级，基因表达规律愈复杂、愈精细，这是生物进化的需要。基因表达的时间、空间特异性由特异的基因启动子（序列）和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定。（一）时间特异性是指墓因表达按一定的时间顺序发生按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性（temporalspecificity)。如噬菌体、病毒或细菌侵人宿主后，呈现一定的感染阶段。随感染阶段发展、生长环境变化，这些病原体以及宿主的基因表达都有可能发生改变。有些基因开启，有些基因关闭。例如霍乱弧菌在感染宿主后，44种基因的表达上调，193种基因表达受到抑制，而相伴随的是这些细菌呈现出高传染状态。编码甲胎蛋白(alphafetalprotein,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；在成年后这一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。多细胞生物从受精卵发育成为一个成熟个体，经历很多不同的发育阶段。在每个不同的发育阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。因此，多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性（stagespecificity）。（二）空间特异性是指多细饱生物个体在特定生长发育阶段，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也可能不同。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（spatialspecificity）。如编码胰岛素的基因只在胰岛的日细胞中表达，从而指导生成胰岛素；编码肌浆蛋白的基因在成纤维细胞和成肌细胞中几乎不表达，而在肌原纤维中有高水平的表达。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布所决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（cellspecificity）或组织特异性（tissuespecificity）。同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础是特异的基因表达或称为差异基因表达（differentialgeneexpression)。细胞的基因表达谱（geneexpressionprofile），即基因表达的种类和强度决定了细胞的分化状态和功能。换言之，在个体内决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式（geneexpressionpattern）。三、基因表达的方式存在多样性不同种类的生物遗传背景不同，同种生物不同个体生活环境不完全相同，不同的基因功能和性质也不相同。因此，不同的基因对生物体内、外环境信号刺激的反应性不同。有些基因在生命全过程中持续表达，有些基因的表达则受环境影响。基因表达调控(regulationofgeneex-pression）就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。按照对刺激的反应性，基因表达的方式或调节类型存在很大差异。358第三篇遗传信息的表达（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达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，不易受环境条件的影响，或称基本表达。这些基因通常被称为管家基因（house-keepinggene）。例如，柠檬酸循环是一中枢性代谢途径，催化该途径各阶段反应的酶的编码基因就属这类基因。管家基因的表达水平受环境因素影响较小，而是在生物体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。我们将这类基因表达称为基本（或组成性）基因表达(constitutivegeneexpression)。基本的基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而基本不受其他机制调节。但实际上，基本的基因表达水平并非绝对“一成不变”，所谓“不变”是相对的。（二）有些基因的表达受到环境变化的诱导和阻通与管家基因不同，另有一些基因表达很容易受环境变化的影响。随外环境信号变化，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（induciblegene)在一定的环境中表达增强的过程称为诱导（induction）。例如在有DNA损伤时，修复酶基因就会在细菌体内被激活，使修复酶被诱导而反应性地增加。相反，如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏基因（repressiblegene）。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏（repression）。例如，当培养基中色氨酸供应充分时，细菌体内与色氨酸合成有关的酶编码基因表达就会被抑制。可诱导或可阻遏基因除受到启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，尚受其他机制调节，这类基因的调控序列通常含有针对特异刺激的反应元件。诱导和阻遏是同一事物的两种表现形式，在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径。乳糖操纵子机制是认识诱导和阻遏表达的经典模型（详见本章第二节）。（三）生物体内不同墓因的表达受到协调调节在生物体内，一个代谢途径通常是由一系列化学反应组成，需要多种酶参与；此外，还需要很多其他蛋白质参与作用物在细胞内、外区间的转运。这些酶及转运蛋白等的编码基因被统一调节，使参与同一代谢途径的所有蛋白质（包括酶）分子比例适当，以确街划弋谢途径有条不紊地‘进行。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协同表达（coordinateexpression)。这种调节称为协同调节（coordinateregulation）。基因的协调表达体现在多细胞生物体的生长发育全过程。四、基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节一个生物体的基因组中既有携带遗传信息的基因编码序列，也有能够影响基因表达的调节序列。一般说来，调节序列与被调控的编码序列位于同一条DNA链上，被称为顺式作用元件（cis-actingelement)。另外一些调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用。这样的调节基因产物不仅能对处于同一条DNA链上的结构基因的表达进行调控，而且还能对不在一条DNA链上的结构基因的表达起到同样的作用。因此，这些蛋白质分子被称为反式作用因子（trans-actingfactor）。这些反式作用因子以特定的方式识别和结合在顺式作用元件上，实施精确的基因表达调控。作为反式作用因子的调节蛋白具有特定的空间结构，通过特异性地识别某些DNA序列与顺式作用元件发生相互作用。例如，DNA双螺旋结构的大沟是调节蛋白最容易与DNA序列发生相互作用的部位。真核生物基因组结构比较复杂，使得有些调节蛋白不能够直接与DNA相互作用，而是首先形成蛋白质一蛋白质的复合物，然后再与DNA结合参与基因表达的调控。蛋白质一DNA以及蛋白质一蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础。第十八章基因表达调控359五、基因表达调控呈现多层次和复杂性无论是原核生物还是真核生物，基因表达调控体现在基因表达的全过程中，即在RNA转录合成和蛋白质翻译两个阶段都有控制其表达的机制。因此基因表达的调控是多层次的复杂过程，改变其中任何环节均会导致基因表达的变化。首先，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（amplification)可影响基因表达。在多细胞生物，某一特定类型细胞的选择性扩增可能就是通过这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（DNArearrangement)，以及DNA甲基化（DNAmethylation）等均可在遗传信息水平上影响基因表达。其次，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、最复杂的一个层次。在真核细胞，初始转录产物需经转录后加工修饰才能成为有功能的成熟RNA，并由细胞核转运至细胞质，对这些转录后加工修饰以及转运过程的控制也是调节某些基因表达的重要方式，例如：对mRNA的选择性剪接，RNA编辑等。近年来，以而RNA为代表的非编码RNA对基因表达调控的作用也日益受到重视，使我们可以在一个新的层面上理解基因表达调控。蛋白质生物合成即翻译是基因表达的最后一步，影响蛋白质合成的因素同样也能调节基因表达。并且，翻译与翻译后加工可直接、快速地改变蛋白质的结构与功能，因而对此过程的调控是细胞对外环境变化