真核生物基因结构及基因表达的调控
任何生物均以DNA作为遗传物质，而DNA则又是通过其上的基因来控制生物的遗传性状的。那么真核生物的基因结构如何？它们又是怎样决定生物性状的呢？本文主要从以下4方面予以论述。
1 真核生物断裂基因的模板结构
众所周知，大多数真核生物为蛋白质编码的基因(结构基因)都是不连续的，它们被内含子片段分割成许多互相隔离的外显子片段。各类真核生物基因中的内含子数目、位置，以及占基因总长的比例都不相同。例如，鸡卵清蛋白基因含7个内含子；小鼠珠蛋白基因只有2个内含子。内含子和外显子虽同时被转录成mRNA前体，但由于内含子不为多肽编码，其转录产物则在转录后经小核RNA(snRNA)的作用被切除，而外显子的转录产物则拼接成成熟的mRVA(图1)。
基因的转录还需要许多与其相关结构的参与，这些结构主要存在于该基因的前与后。包括：
启动子：它位于转录起始位点的上游。包括转录酶的识别位点和结合位点。识别位点位于基因5′端-75核苷酸处，为RNA聚合酶全酶中σ因子所识别；
结合位点处于-30核苷酸处，因该位点富含T、A而称为TATA盒，或称Hognessbox。RNA聚合酶与其结合，转录从此处开始。
反引导序列：位于启动子和结构基因起始密码TAC之间的一段DNA序列。此序列的碱基与核糖体中16srRNA的部分碱基序列具同源性，因而可能是mRNA与核糖体的结合部位。
反拖尾序列：位于结构基因终止密码和终止子之间，功能至今不明。 终止子：位于基因的3′端，是终止因子ρ因子识别结合处，阻断转录的进行(见图2)。
2 真核生物基因表达的调控元件
真核生物染色体是由一系列各自独立，又高度有序的染色质结构域构成。这些结构域就是一些独立的基因表达调控单位。每个基因表达调控单位是由一组功能相关，但并不一定相邻的蛋白质基因和调控元件组成。
真核生物的调控元件主要有顺式作用元件和反式作用因子。编写蛋白质的基因，其顺式作用元件包括基因转录起始位点(启动子)及其上游30bp处的TATA序列、上游几百bp处的CCAAT序列、基因的上游和下游的远端或内含子内的增强子序列等。反式作用因子都是些蛋白质因子，现已分离到几百种。它们具有不同的结构域，这些结构域一般包含几十到几百个氨基酸残基。不同的结构域具有不同的功能，有的是结合特异DNA序列所必需的，有的能激活基因的转录。
3 真核生物染色质结构域的边界元件
真核生物中各结构域在功能和结构上都是独立的，它们是由边界元件所界定的。
迄今为止，已发现三类边界元件：核基质结合区、座位控制区，以及绝缘子。
在真核生物的细胞核内，存在一种主要由非组蛋白的纤维蛋白和大分子RNA组成的三维网架体系，这就是核基质。真核基因组的DNA序列中，能特异性地与核基质紧密结合的区域即为核基质结合区(MAR)。它广泛存在于酵母到人类的所有真核生物基因组中。MAR位于DNA上各转录单位的交界处，是DNA在核基质或染色体支架上的附着点。这是通过一些特异的MAR结合蛋白与核基质结合，从而将染色质锚定在核基质上，以防其自由转动，并使DNA发生解链。同时还将DNA隔离成许多拓扑学限制性的功能区域，每个功能区域就形成一个拓扑学解旋的环，每个环就是一个转录单位。
座位控制区(LCR)是调控一群相邻基因表达的边界序列。如哺乳动物β-珠蛋白基因簇的LCR对基因簇中所有的基因在发育过程中的正确有序的表达起调控作用。它是由位于基因簇5′端的多个DNA酶高度敏感位点组成。
绝缘子是一类新近发现的边界序列，它能阻止邻近调控元件对其所界定的基因启动子起增强和抑制作用。Udvardy等人首先在果蝇中找到了两个绝缘子：SCS和SCS′。它们分别位于果蝇多线染色体87A7座位hsp70基因旁侧的近端和远端的核酸酶高敏感区(见图3)
4 真核生物基因表达的调控
从Watson和Crick发现DNA双螺旋结构至今，人们对基因的结构和组成都有了比较深入的了解。众所周知，任何多细胞生物都是由一个受精卵细胞、一套遗传基因组，经过精确的时间和空间程序地发育、分化形成的。同一生物体内，由于不同的组织细胞产生各自专一性蛋白质，使得不同组织和器官具有迥然不同的功能。那么为什么具有相同遗传信息的不同组织细胞能产生不同的蛋白质？遗传物质在体内怎样进行有条不紊、有控制表达的呢？经过人们长期的研究探索，目前已经知道细胞内千万个基因都能进行有调节地、有序地、有节制地表达。并且这些基因表达的程序、时间和位置是受不同层次的调控元件所控制的。这种控制不仅决定了基因表达的数量，且也决定了基因表达的时、空秩序性。生物的正常生长、发育和分化都是由于基因受控于有序表达的结果。
对基因表达调控的研究，首先是通过对不同组织成分的分析。不同的组织虽具有基本相同的DNA，但却具有不同的RNA种群。这就意味着，基因表达的调控最初是发生在DNA转录生成mRNA的过程中。
4．1 顺式作用元件及其蛋白质因子的调控作用 基因组上有活性的和有潜在活性的基因，也有不激活的基因，这是由于染色质结构不同所致。染色质结构的变化就改变了DNA中基因表达的调控序列。这些调控序列主要指顺式作用元件中的启动子、增强子和座位调节位。在一定的细胞内，或当细胞受到特殊刺激后，细胞内就会产生特定调节蛋白或转录因子(或称反式作用因子)。它们与相应基因的启动子序列结合，就导致受该启动子控制的基因转录。
在DNA上，增强子和座位调节位与启动子相隔甚远，有的相距几十个kb，但它们能通过与特定蛋白质因子的结合，调控启动子的功能。结合在不同位点的蛋白质因子，可能是通过两个位点间DNA形成环而相互接近发生作用的。
实际上，在基因转录的起始过程中，涉及很多蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用的复杂反应。真核生物的调控蛋白是比较复杂和灵活的，有些调控蛋白可以和序列相似性很小的几个不同DNA位点，以同样的亲和性相互作用；有些蛋白质因子常以二聚体的形式结合DNA序列，其中有的是两种不同的蛋白质分子形成异源二聚体。综上所述可以看出，蛋白质因子这些特点是
与真核基因表达调控的多样性相适应的，这样能增强蛋白质因子单独或协同调节基因转录的精确性和灵活性。
4．2 边界元件绝缘子的调控作用 绝缘子作为一类边界序列，是在研究基因增强子调控功能过程中被发现的。在研究增强子调控作用时，发现增强子的功能是无方向性的，它可以在离基因相当远处起作用，并对异源启动子也能发挥作用。近年来，对染色质边界元件绝缘子的研究证明，增强子的功能是受绝缘子等元件调控的。
绝缘子是一类不同于增强子和沉默子的基因调控元件，它是通过阻断邻近的调控元件与其所界定的启动子之间的相互作用而起作用的。Cai和Levine发现，绝缘子能有极性地抑制增强子的功能。即，它只能抑制处于绝缘子所在边界另一侧的增强子的作用，而对与绝缘子处于同一染色体结构域的增强子没有作用。果蝇eve spripe2和spripe3两个增强子，在正常情况下处于由两个边界元件界定的同一染色体结构域内，如果将绝缘子SCS插入这两个增强子之间构建不同载体转染细胞，结果这两个增强子被分离到两个不同的结构域，彼此就不能对另一个结构域的启动子发挥作用。这是因为增强子是通过诱发增强子和启动子之间的染色体构型改变来加速基因转录的。由于绝缘子插在增强子和启动子之间，抑制了染色体结构的变化，使增强子对处于不同结构域的启动子无作用，但它对同一结构域内的启动子仍具调节作用(见图4)。
现已知道，真核生物的启动子和增强子都是通过和细胞内特定蛋白质因子相互作用而产生调控效应的。由此可以推测，作为边界元件的绝缘子的调控作用，也必然与蛋白质因子有关。Laemmli和Zhao首先从果蝇中分离到与SCS’序列特异结合的蛋白质因子。同时也发现了suHw和mod(mdg4)座位编码的两种蛋白质对绝缘子gpysy具反式调节作用。首先，suHw蛋白同绝缘子gpysy上的靶序列结合，导致无方问性的抑制效应，然后mod(mdg4)蛋白同suHw蛋白相互作用，最终产生抑制增强子极性的作用。绝缘子的调控是一个复杂的过程，它是由许多蛋白质因子参与的。进一步阐明其作用机理还有待今后大量深入的研究工作。
真核基因表达的调控机制仍是目前生物科学的一个研究热点，人们最终将会全面认识这一过程的分子机制，并能明确阐明细胞发育分化的机理，认识某些疾病的发病机制。