第十四章 基因表达的调控
基因表达的调控是目前研究的热点，主要强调基因调控的基本概念、主要理论、整个调控系统与遗传信息传递
每个细胞都含有整套遗传密码，只是这本密码在每个细胞中并不全部译出应用，而是不同细胞选用其中各自需要的密码子加以转录和翻译。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间，才呈现活化状态，而在它不应该发挥作用的时间和细胞内，则处于不活化的状态呢？
这种控制特定基因产物合成的机制称为基因调控
无论是真核还是原核生物转录调节都是涉及到编码蛋白的基因和DNA上的元件
DNA元件是DNA上一段顺序，但它作为一种原位顺序具有特殊的功能。由于它只能作用同一条DNA，因此称顺式作用元件。顺式作用位点通常总是在靶基因的上游
调节基因的产物可以自由地结合到其相应的靶上，因此被为反式作用因子
负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的调控
正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录
原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中则主要是正调控机制
一、原核生物的基因调控
1、转录水平的调控
原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。当需要某一特定基因产物时，合成这种mRNA。当不需要这种产物时，mRNA转录受到抑制
（1）乳糖操纵元模型
大肠杆菌的乳糖降解代谢途径：
Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制
目前，通过遗传分析证明lac操纵元的存在；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构
乳糖操纵元的正调控
除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外，其它因子也能有效地抑制lac mRNA转录，这个因子的活性与葡萄糖有关：
葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性 腺苷酸环化酶催化ATP前体→cAmp
cAmp+代谢激活蛋白(CAP)→cAmp-CAP复合物，作为操纵元的正调控因子
当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到lac启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯曲形成新的构型，RNA聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加牢固，因而转录效率更高
在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达
（2）色氨酸操纵元
大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中基因调控的典型例子：色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶的结构基因。当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5种酶的转录同时受到抑制；在色氨酸供应不足时，发生转录。色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控色氨酸mRNA的转录。因此trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元
阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基因编码→无辅基阻遏物 + trp→活性无辅基阻遏物—色氨酸复合物，与操纵子结合，阻止转录
色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三维空间结构发生改变，不能与操纵子结合，进行转录
活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制转录的起始
衰减子与衰减作用：
① 在高浓度色氨酸存在时，转录的前导序列mRNA只含有140个核苷酸，其中有一段28bp的衰减子区域，它在转录后可迅速形成发夹环结构，RNA聚合酶转录时不能通过这种
发夹环结构。所以衰减子是一种内部终止子
② 无色氨酸时，由于前导肽中色氨酸密码子的作用，使衰减子不能形成发夹结构而成为单链，继续向前转录
2、翻译水平的调控 （1）反馈调控机制
如果某种蛋白质过量积累，将与其自身的mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点通常包括mRNA 5’端非翻译区，也包括启动子区域的 Shine-Dalgarno 序列
（2）反义RNA调控
反义RNA可与目的基因的5’UTR互补配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成
反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期
二、真核生物的基因调控
真核生物基因调控远比原核生物复杂：
（1）高等真核生物的基因组远比细菌的基因组大得多 （2）很多重复序列与调控作用有关
（3）染色质结构的变化可以调控基因表达
（4）存在同一染色体上不同基因间的调控 ，也存在不同染色体之间的基因调控 调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修饰，翻译水平和翻译后修饰等多种层次。多数基因表达调控发生在转录水平
1、DNA水平的调控 （1）基因丢失
某些原生动物，如线虫、昆虫和甲克类动物在个体发育过程中，许多体细胞经常丢掉整个或者部分染色体，只有将要分化形成生殖细胞的细胞中保留全部染色体。通过染色体丢失，丢失某些基因而除去这些基因的活性的现象称为基因丢失
（2）基因扩增
基因扩增：细胞内特定基困拷贝数专一性大量增加的现象
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。有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关
（3）基因重排
基因重排：DNA分子核苷酸序列的重新排列。重排不仅可以形成新的基因，还可以调节基因表达。基因组中的DNA序列重排并不是一种普遍方式，但它是有些基因调控的重要机制
① 酵母交配型转换
?→a 这种交配型转换的基础是遗传物质的重排。控制交配型的MAT基因位于酵母菌第3染色体上，MATa和MAT?互为等位基因
② 动物抗体基因重排
抗体基因重排中各个片段之间的随机组合，可从约300个抗体基因中产生108个抗体分子
（4）DNA甲基化
真核生物中，少数胞嘧啶第5碳上的氢被一个甲基取代，甲基化。甲基化C在DNA复制中可整合到正常DNA序列中。C甲基化在CG双核苷酸序列中发生频率最高。甲基化可降低转录效率
2、染色质水平调控 （1）异染色质化
常染色质变成异染色质也是真核生物的一种表达调控的途经
（2）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用
组蛋白可被修饰，修饰可改变其与DNA的接合能力。若被组蛋白覆盖的基因要表达，那么组蛋白必须被修饰，使其和DNA的结合由紧变松，这样DNA链才能和RNA聚合酶或调节蛋白相互作用。因此组蛋白的作用本质上是真核基因调节的负控制因子，即它们是基因表达的抑制物
非组蛋白打开特异基因的分子，具有组织特异性，在基因表达的调节、细胞分化的控制以及生物的发育中起着很重要的作用
（3）DNA酶的敏感区域
当一个基因处于转录活性状态时，含有这个基因的染色质区域对DNA酶Ⅰ降解的敏感性要比无转录活性区域高得多
具有转录活性基因周围的DNA区域有一个中心区域，对DNA酶Ⅰ高敏感，称为超敏感区域或超敏感位点。这些位点或区域将首先受到DNA酶Ⅰ的剪切
（4）核基质蛋白
染色质并不漂浮在核内，而是结合在核基质（骨架蛋白）上。这种结合是特异性的，这种特异性的结合对于控制基因的活性是有用的
3、转录水平的调控 （1）顺式作用元件 ① 启动子与转录因子
同原核生物一样，真核生物基因启动子包括所有顺式调控元件及RNA聚合酶识别位 点，可以起始转录形成RNA
转录因子是激活真核生物基因转录的蛋白质
真核生物基因转录与原核生物的一个重要区别是：真核生物基因的启动子必须与一 系列转录因子结合，才能在RNA聚合酶的作用下起始转录
② 增强子
转录增强子是真核生物基因转录中的另一种顺式调控元件，通常位于启动子上游700-1000bp处，离转录起始点较远
增强子主要有两个功能:
一是与转录激活子结合，改变染色质的构型
二是使DNA弯曲形成环状结构，使增强子与启动子直接接触，以便通用转录因子、转录激活子、RNA聚合酶一起形成转录复合体，从而提高mRNA合成效率
（2）反式作用因子
根据靶位点的特点反式作用因子分为3类： ① 通用反式作用因子
② 特殊组织与细胞中的反式作用因子 ③ 反应性元件相结合的反式作用因子
反式作用因子通过不同途经发挥调控作用： ① 蛋白质和DNA相互作用 ② 蛋白质和配基结合
③ 蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的修饰等
酵母菌半乳糖代谢的正调控
酵母菌半乳糖酶基因的作用方式与细菌中的lac和ara操纵元相似：无半乳糖时，基因不表达；加入半乳糖后，mRNA浓度迅速增加1000倍
4、翻译水平的调控
真核生物中，如果翻译过程被抑制，则已经转录的mRNA也不能翻译成多肽，被迫以失活的状态贮存起来。例如，植物的种子可以贮存很多年，一旦条件合适，即可发芽
（1）mRNA运输：运输控制是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。尚不清楚mRNA是需要一个特殊的输出信号还是属于无规则的输出
（2）mRNA翻译的控制：mRNA分子通过核糖体对它们的选择充当了翻译调节的主角。mRNA降解可能是基因表达调控的一个重要控制点，mRNA降解速率的不同和mRNA结构特点有关
（3）mRNA的结构： mRNA尾短→加尾→翻译 （4）选择性翻译 （5）反义RNA （6）蛋白质的加工
翻译形成的线状多肽链没有功能，需要经过加工修饰后才具有活性。加工过程中涉及到一系列调控机制
蛋白质折叠 蛋白酶切割
蛋白质的化学修饰
蛋白质内含子（加工切除）