第六章基因表達(dá)的調(diào)控（下）課件

分子生物學(xué)第六章基因表達(dá)的調(diào)控（下）2．真核基因表達(dá)的調(diào)控2.1真核基因表達(dá)調(diào)控的主要特點(diǎn)2.2DNA水平的調(diào)控2.2.1基因的丟失2.2.2基因擴(kuò)增2.2.3基因重排2.2.4DNA的甲基化2.3轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控2.3.1Britten-Davidso模型2.3.2染色體結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響2.3.3順式作用元件與基因調(diào)控2.3.4反式作用因子與基因調(diào)控2.4轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控2.4.1不同方式的拼接2.4.2RNA編輯2.4.3mRNA有效性的調(diào)控2.5翻譯水平的調(diào)控2.5.15′端帽子結(jié)構(gòu)的識(shí)別2.5.2非翻譯區(qū)的結(jié)構(gòu)功能單元對(duì)翻譯的影響2.5.3可溶性蛋白質(zhì)因子對(duì)翻譯的調(diào)控2.5.4反義RNA對(duì)翻譯的影響2.6蛋白質(zhì)的加工成熟2.6.1多肽的切割加工2.6.2多肽的有限水解2.6.3多肽的化學(xué)修飾2.6.4多肽的剪接2．真核基因表達(dá)的調(diào)控原核生物與真核生物不僅在復(fù)雜程度上有很大差異，而且它們是沿著兩種不同的演化途經(jīng)發(fā)展的，前者結(jié)構(gòu)小巧，表達(dá)高效；后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能分化，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確。真核生物細(xì)胞內(nèi)DNA含量遠(yuǎn)大于原核生物，其中很大部分是貯存調(diào)控信息的。核內(nèi)的DNA和蛋白質(zhì)以及RNA構(gòu)成了以核小體為基本單位的染色質(zhì)，其中DNA以很高的壓縮比被組裝。轉(zhuǎn)錄和翻譯分別發(fā)生在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，而且在轉(zhuǎn)錄和翻譯后均存在復(fù)雜的信息加工過(guò)程。真核細(xì)胞的基因一般不組成操縱子，即使某些基因連在一起，并受共同的調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物的調(diào)節(jié)，也不形成多順?lè)醋觤RNA，其mRNA的半壽期也較長(zhǎng)。除酵母、藻類(lèi)和原生動(dòng)物等生物外，真核生物都是由多細(xì)胞組成的，多細(xì)胞真核生物是由不同的組織細(xì)胞構(gòu)成的，從受精卵到完整個(gè)體要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的分化發(fā)育過(guò)程。這些特點(diǎn)使真核生物基因表達(dá)調(diào)控達(dá)到了原核生物不可能擁有的深度和廣度。原核生物和多細(xì)胞真核生物在基因表達(dá)調(diào)控上最大的差別在于：原核生物同一群體的每個(gè)細(xì)胞都和外界環(huán)境直接接觸，它們主要是通過(guò)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控以開(kāi)啟或關(guān)閉某些基因的表達(dá)來(lái)適應(yīng)環(huán)境條件（主要是營(yíng)養(yǎng)水平的變化）。而對(duì)大多數(shù)真核生物來(lái)說(shuō)，基因表達(dá)調(diào)控的最明顯的特征是能在特定時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)定”的、有序的、不可逆轉(zhuǎn)的分化、發(fā)育過(guò)程，并使特定的組織器官行使不同的功能。真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控的研究是在70年代后期才有所突破并逐步活躍起來(lái)的，近年來(lái)已積累了大量的資料，并已成為目前世界上最活躍的科研領(lǐng)域之一。盡管由于多細(xì)胞真核生物的復(fù)雜性，這方面的研究曾在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)難以取得突破性進(jìn)展，但隨著基因工程和現(xiàn)代生物技術(shù)如體外DNA重組、DNA和RNA雜交、定向誘變、PCR合成及分子克隆等的發(fā)展和應(yīng)用，目前已經(jīng)對(duì)許多高等真核生物的基因調(diào)控作用出了令人滿(mǎn)意的解答。真核生物基因表達(dá)調(diào)控根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類(lèi)：一是瞬時(shí)調(diào)控或稱(chēng)為可逆性調(diào)控，它相當(dāng)于原核生物對(duì)環(huán)境條件變化所作出的反應(yīng)。瞬時(shí)調(diào)控包括某種底物或激素水平升降時(shí)以及細(xì)胞周期不同階段中酶活性和濃度的調(diào)節(jié)。二是發(fā)育調(diào)控或稱(chēng)為不可逆調(diào)控，是真核基因調(diào)控的精髓部分，它決定了真核細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、發(fā)育的全部過(guò)程。根據(jù)基因表達(dá)調(diào)控的層次性可分為染色體水平調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控、翻譯水平調(diào)控及蛋白加工水平的調(diào)控等。

2.1真核基因表達(dá)調(diào)控的主要特點(diǎn)

真核基因與原核基因相似，轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)都是基因表達(dá)調(diào)控的主要控制點(diǎn)，真核生物與原核生物也共用一些調(diào)控機(jī)制，但真核基因表達(dá)調(diào)控至少在以下幾點(diǎn)與原核基因不同。⑴原核細(xì)胞的染色體是裸露的DNA，而真核細(xì)胞中染色體則是DNA和組蛋白緊密結(jié)合形成核小體。所以，在原核細(xì)胞中染色體的結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)沒(méi)有明顯的調(diào)控作用，而真核細(xì)胞中這種作用是明顯的。例如，有許多實(shí)驗(yàn)證明，活潑轉(zhuǎn)錄區(qū)的核小體結(jié)構(gòu)與不轉(zhuǎn)錄區(qū)的核小體結(jié)構(gòu)有所不同，表現(xiàn)為：①轉(zhuǎn)錄區(qū)核小體的結(jié)構(gòu)已不完整，這種不完整可能使調(diào)控蛋白更易于結(jié)合，或者是由于調(diào)控蛋白的結(jié)合引起了核小體結(jié)構(gòu)的不完整。②正在轉(zhuǎn)錄的染色體DNA的甲基化程度（主要是胞嘧啶的甲基化）降低。③正在轉(zhuǎn)錄的染色體趨向于缺乏組蛋白H1，核心組蛋白也發(fā)生乙?；茸兓Ｔ隗w外將組蛋白加到真核DNA中實(shí)現(xiàn)染色體再造的實(shí)驗(yàn)證明，裸露DNA轉(zhuǎn)錄的速度比再造核小體的轉(zhuǎn)錄速度要快得多。⑵

在原核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控中，既有用激活物的正調(diào)控，也有用阻遏物的負(fù)調(diào)控，二者同等重要。在真核細(xì)胞中雖然也有正調(diào)控成分和負(fù)調(diào)控成分，但迄今為止已知的主要是正調(diào)控，而且一個(gè)真核基因通常有多個(gè)調(diào)控序列，必須有多個(gè)激活物同時(shí)特異的結(jié)合上去才能啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄。真核細(xì)胞基因的表達(dá)普遍采用正調(diào)控的原因可能有兩個(gè)方面：①由于真核基因組比原核基因組大得多，因而調(diào)控蛋白在DNA上的非特異性結(jié)合便成為一個(gè)很重要的問(wèn)題。隨著基因組的加大，一個(gè)能非特異性結(jié)合蛋白質(zhì)的DNA序列在不適當(dāng)位置上隨機(jī)出現(xiàn)的可能性也在加大。在這種情況下，能夠保證被調(diào)控基因特異表達(dá)的方法之一就是使用多個(gè)調(diào)控蛋白。因?yàn)樘禺惤Y(jié)合幾種不同調(diào)控蛋白的DNA序列，能夠以適當(dāng)?shù)挠泄δ芊绞脚帕性谝黄鸬碾S機(jī)發(fā)生的可能性幾乎是沒(méi)有的。然而用多種蛋白調(diào)控一個(gè)基因的表達(dá)就必須都是正調(diào)控機(jī)制才能做到特異的調(diào)控，因?yàn)槿绻脦追N阻遏物進(jìn)行調(diào)控，則只要結(jié)合上一種就足以封阻基因的轉(zhuǎn)錄。而用幾種正調(diào)控蛋白，則這些蛋白質(zhì)必須同時(shí)結(jié)合在DNA序列上形成復(fù)合物才能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，這樣就保證了基因的特異性表達(dá)?，F(xiàn)在看來(lái)，一個(gè)多細(xì)胞生物基因的調(diào)控位點(diǎn)（即調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的序列）平均至少是5個(gè)。②由于真核細(xì)胞基因組所含的基因數(shù)目很多，但高度分化了的不同細(xì)胞中，每種細(xì)胞只需表達(dá)一小部分。例如，人的基因組中大約含有106個(gè)基因，但在不同的細(xì)胞中卻只表達(dá)其中不同的一小部分，如果是負(fù)調(diào)控，則任何細(xì)胞都需要合成106種不同的阻遏蛋白，而且它們的濃度必須達(dá)到足以特異地結(jié)合在調(diào)控位點(diǎn)上，以封阻每個(gè)基因的表達(dá)。而采用正調(diào)控，則由于每種細(xì)胞的大部分基因通常是不表達(dá)的（即RNA聚合酶不結(jié)合在啟動(dòng)子上），表達(dá)的僅為一小部分，因此每種細(xì)胞僅合成它需要的一小套激活蛋白就可以了，這就大大減輕了細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的負(fù)擔(dān)。⑶原核細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯通常是在同一空間和時(shí)間進(jìn)行的，即在轉(zhuǎn)錄尚未完成之前翻譯就已開(kāi)始。而真細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核中進(jìn)行的，生成的的初始轉(zhuǎn)錄物要在核內(nèi)加工為成熟的mRNA，然后將mRNA轉(zhuǎn)運(yùn)到胞液中進(jìn)行翻譯，所以，真核細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯是在不同的空間和時(shí)間進(jìn)行的，從而使真核基因的表達(dá)有多種轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控機(jī)制。這種在不同水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)的機(jī)制稱(chēng)為多級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。DNA1.DNA水平的調(diào)控2.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控原初轉(zhuǎn)錄物3.轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)控成熟mRNA細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)4.轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控mRNA蛋白質(zhì)前體5.翻譯水平的調(diào)控mRNA降解物6.mRNA降解的調(diào)控活性蛋白質(zhì)7.翻譯后加工的調(diào)控核膜⑷真核生物大都為多細(xì)胞生物，在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中發(fā)生細(xì)胞分化后，不同細(xì)胞基因表達(dá)的情況是不一樣的，即有細(xì)胞特異性和組織特異性。因而真核基因的表達(dá)有組織特性的調(diào)控機(jī)制。

2.2DNA水平的調(diào)控

從一個(gè)受精卵發(fā)育成完整的個(gè)體需要經(jīng)過(guò)許多特定程序的步驟，此過(guò)程中分化的細(xì)胞經(jīng)分裂后仍然維持其分化狀態(tài)，表現(xiàn)出細(xì)胞具有某種“記憶”。在DNA和染色體水平上發(fā)生的一些永久性變化，例如染色體DNA的斷裂、某些序列的刪除、擴(kuò)增、重排和修飾以及異染色體化等，改變了基因組和染色體的結(jié)構(gòu)，使胚原型基因組轉(zhuǎn)變?yōu)榉只?、表達(dá)活性的基因組。所有這些通過(guò)改變DNA序列和染色體結(jié)構(gòu)，從而影響基因表達(dá)的過(guò)程均屬于DNA水平的調(diào)節(jié)。然而，現(xiàn)在知道高等生物的細(xì)胞具有全能性。植物的體細(xì)胞和生長(zhǎng)尖細(xì)胞可以離體培養(yǎng)成完整植株，花藥細(xì)胞可以培養(yǎng)成單倍體株；高等動(dòng)物的體細(xì)胞也能克隆出完整的個(gè)體，這些實(shí)驗(yàn)的成功都充分證明了它們細(xì)胞核的全能性。一般說(shuō)來(lái)，低等動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞的決定和分化常通過(guò)基因組水平的加工改造來(lái)實(shí)現(xiàn)；高等動(dòng)物對(duì)于分化后不再需要的基因則采取異染色體質(zhì)化的方式來(lái)永久性的加以關(guān)閉。但在高等生物中依然可以看到基因組序列的某種重排現(xiàn)象，例如產(chǎn)生抗體的淋巴細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程中有明顯的基因重排。轉(zhuǎn)位因子能引起基因序列和表達(dá)的改變，而轉(zhuǎn)位頻率又受到發(fā)育階段和組織分化的影響，可能轉(zhuǎn)位因子在發(fā)育過(guò)程中起著某種作用。此外，當(dāng)基因組發(fā)生重排時(shí)，可能引起嚴(yán)重的后果，例如細(xì)胞的癌變與原癌基因的突變和異常表達(dá)有關(guān)。因此，轉(zhuǎn)錄前水平的調(diào)控，特別是基因重排，引起了人們的極大關(guān)注。2.2.1基因的丟失

在細(xì)胞分化時(shí)，消除某些基因活性的方式之一就是從細(xì)胞中除去這些基因。某些低等真核生物，如蛔蟲(chóng)和甲殼類(lèi)的水劍蚤，在其發(fā)育早期的卵裂階段，所有分裂細(xì)胞除一個(gè)之外，均將異染色質(zhì)部分刪除掉，從而使染色質(zhì)減少一半。而保持完整基因組的細(xì)胞則成為下一代的生殖細(xì)胞。推測(cè)所刪除的DNA僅對(duì)生殖細(xì)胞是必需的。在此過(guò)程中DNA必定發(fā)生切除并重新連接。原生動(dòng)物四膜蟲(chóng)含有一個(gè)大核和一個(gè)小核，大核由小核發(fā)育而來(lái)。大核為營(yíng)養(yǎng)核；小核為生殖核，無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。在核發(fā)育過(guò)程中有多處染色質(zhì)斷裂，并刪除約10%的基因組DNA，有些部位DNA切除后兩端又重新連接。在刪除這些序列之前基因并不表現(xiàn)轉(zhuǎn)錄活性，刪除之后即成為表達(dá)型的基因。因此，推測(cè)這些被刪除序列的存在可能抑制了基因正常功能的表達(dá)。2.2.2基因擴(kuò)增

基因擴(kuò)增是指某些基因的拷貝數(shù)專(zhuān)一性大量增加的現(xiàn)象，它使得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量的基因產(chǎn)物以滿(mǎn)足生長(zhǎng)發(fā)育的需要，是基因活性調(diào)控的一種方式。某些脊椎動(dòng)物和昆蟲(chóng)的卵母細(xì)胞為貯備大量核糖體以供卵細(xì)胞受精后發(fā)育的需要，通常都要專(zhuān)一性地增加編碼核糖體RNA的基因（rDNA）。例如，非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中原有rRNA基因（rDNA）約500個(gè)拷貝，在減數(shù)分裂Ⅰ的粗線期，這個(gè)基因開(kāi)始迅速?gòu)?fù)制，到雙線期它的拷貝數(shù)增至約200萬(wàn)個(gè)，擴(kuò)增4000倍，可用來(lái)合成1012個(gè)核糖體，以滿(mǎn)足卵細(xì)胞分裂期間和胚胎期間合成大量蛋白質(zhì)的需要。擴(kuò)增后的新生rDNA并不是一條長(zhǎng)鏈，而是形成許多環(huán)狀的小分子。當(dāng)胚胎開(kāi)始后，這些rDNA失去需要而逐漸消失。這種基因擴(kuò)增的詳細(xì)機(jī)制還不清楚，但可能是類(lèi)似于大腸桿菌中的質(zhì)粒所進(jìn)行的滾動(dòng)環(huán)式復(fù)制。原生動(dòng)物纖毛蟲(chóng)的大核在發(fā)育過(guò)程中也要擴(kuò)增rDNA，這些rDNA以微染色體的形式大量存在于大核內(nèi)，昆蟲(chóng)在需要大量合成和分泌卵殼蛋白質(zhì)時(shí)，其基因也先行專(zhuān)一的擴(kuò)增。此外，在癌細(xì)胞中也檢查出了癌基因的擴(kuò)增。

2.2.3基因重排

基因重排是指基因與基因或DNA位點(diǎn)的跨距離連接（即基因間重排）或指基因內(nèi)部不同區(qū)域間的跨越連接（即基因內(nèi)重排）?；蛑嘏攀钦婧嘶虮磉_(dá)轉(zhuǎn)錄前調(diào)節(jié)的一種重要方式。典型的例子是免疫球蛋白結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的調(diào)控。當(dāng)抗原侵入機(jī)體時(shí)，淋巴就會(huì)分化形成漿細(xì)胞，產(chǎn)生與專(zhuān)一抗原相對(duì)應(yīng)的專(zhuān)一性抗體。在細(xì)胞分化過(guò)程中發(fā)生了基因重排。我們知道免疫球蛋白是由兩條相同的輕鏈和兩條相同的重鏈組成，這些肽鏈上有恒定區(qū)（C區(qū)）和可變區(qū)（V區(qū)），中間由J區(qū)和D區(qū)連接。不同抗體的差異來(lái)自V區(qū)的不同，V基因、C基因和J基因在小鼠胚胎細(xì)胞中是相距較遠(yuǎn)的，在接觸抗原后的細(xì)胞分化過(guò)程中，VJC基因通過(guò)染色體內(nèi)重組發(fā)生基因重排并連接起來(lái)（如圖5-15）不同的排列重合就對(duì)應(yīng)于不同的抗體產(chǎn)生。由于V基因有300種，J基因有4種，H基因有300種，D基因有10種，這樣輕鏈和重鏈的重合就有上百萬(wàn)種，對(duì)應(yīng)于抗體的多樣性。那么，什么原因使免疫球蛋白基因活化并發(fā)生重排呢？這可能是因?yàn)镴和C基因之間存在著一個(gè)增強(qiáng)子（enhancer），它使基因活化并得以重排。基因重排可將遠(yuǎn)距啟動(dòng)子的基因移至距離啟動(dòng)子的恰當(dāng)位置，使基因啟動(dòng)；也可將某些基因連接在增強(qiáng)子的序列附近，加快某些基因的轉(zhuǎn)錄。

2.2.4DNA的甲基化

DNA的堿基可被甲基化，主要形成5-甲基胞嘧啶和6-甲基腺嘌呤。DNA的甲基化可關(guān)閉某些基因的活性。DNA甲基化的程度與其轉(zhuǎn)錄活性有密切的關(guān)系，通常染色質(zhì)的活性轉(zhuǎn)錄區(qū)無(wú)或很少甲基化，非活性區(qū)則甲基化程度很高，而且生物機(jī)體不同發(fā)育階段和不同組織DNA甲基化的方式不同。實(shí)驗(yàn)也證明，將克隆的DNA微量地注射到爪蟾卵細(xì)胞或培養(yǎng)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞核內(nèi)，甲基化的基因不被表達(dá)，而未甲基化的基因則可以表達(dá)。近年來(lái)，對(duì)DNA甲基化作為基因表達(dá)調(diào)節(jié)的控制環(huán)節(jié)這一概念已得到愈來(lái)愈多實(shí)驗(yàn)的支持，在生物發(fā)育和分化過(guò)程中，DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化能誘導(dǎo)基因的重新活化。許多研究表明，DNA甲基化作用能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性以及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制著基因表達(dá)。

2.3轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

真核基因調(diào)控主要是在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行的，這一點(diǎn)與原核生物是類(lèi)似的。但真核生物沒(méi)有原核生物那樣的操縱子結(jié)構(gòu)，真核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控受特定順式作用元件（cis-actingelement，如增強(qiáng)子）和反式作用因子（trans-actingfactor，或稱(chēng)跨域作用因子，如轉(zhuǎn)錄因子）的調(diào)控，反式作用因子一般是可擴(kuò)散的物質(zhì)，它們結(jié)合在順式作用元件上起作用。真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控就是通過(guò)順式作用元件和反式作用因子復(fù)雜的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于真核生物的轉(zhuǎn)錄主要在常染色質(zhì)上進(jìn)行，因此染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和特定DNA鏈松弛或解旋、DNA空間結(jié)構(gòu)的變化等也在轉(zhuǎn)錄調(diào)控上起重要作用。真核生物RNA聚合酶的有效性也是研究轉(zhuǎn)錄調(diào)控不可忽視的一個(gè)方面，因?yàn)樵撁傅目偭?、活性及?duì)啟動(dòng)區(qū)的專(zhuān)一性等都受到嚴(yán)密的控制。與RNA聚合酶密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)區(qū)決定著轉(zhuǎn)錄的起始和起始頻率，是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的中心。在討論真核基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控之前，我們首先介紹一下目前比較流行的Britten-Davidso模型，以便對(duì)單拷貝基因的調(diào)控有一個(gè)輪廓性的了解。

2.3.1Britten-Davidso模型

1969年Britten和Davidso提出了真核生物單拷貝基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的模型（圖5-16）。他們認(rèn)為整合基因的5′端連接著一段具有高度專(zhuān)一性的DNA序列，稱(chēng)為傳感基因（sensorgene），當(dāng)它和某種信號(hào)分子（如激素-蛋白質(zhì)復(fù)合物等）相互作用時(shí)，就激活了整合基因的表達(dá)，產(chǎn)生具有生物活性的RNA或者蛋白質(zhì)分子。這個(gè)激活因子與受體基因（receptorgene）相互作用，啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。在這個(gè)模型中，所謂整合基因相當(dāng)于原核生物中的調(diào)節(jié)基因，受體基因類(lèi)似于操縱基因，傳感基因與大腸桿乳糖操縱子的cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)相似，而結(jié)構(gòu)基因則相當(dāng)于原核生物中的結(jié)構(gòu)基因。

如果許多結(jié)構(gòu)基因的鄰近位置上同時(shí)有相同的受體基因，那么這些基因就會(huì)受同一種激活因子的控制而表達(dá)，這些基因就歸屬于一個(gè)組。如果有幾個(gè)不同的受體基因與一個(gè)結(jié)構(gòu)基因鄰近，可被不同的激活因子所激活，那么這個(gè)結(jié)構(gòu)基因就會(huì)在不同的情況下表達(dá)。如果一個(gè)傳感基因可控制幾個(gè)整合基因，那么一種信號(hào)分子就可以通過(guò)一個(gè)相應(yīng)的傳感基因激活幾個(gè)組中的基因。這樣，就可以把一個(gè)傳感基因所控制的全部基因歸為一套。Britten-Davidso模型特點(diǎn)在于：許多基因可以同時(shí)被調(diào)控，它的調(diào)節(jié)單位（整合基因和受體基因）可能是一些重復(fù)性的DNA序列。但遺憾的是驗(yàn)證這個(gè)模型的正確性遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)這個(gè)模型要復(fù)雜、困難得多。但真核生物基因組中度重復(fù)序列和單拷貝序列的排布方式說(shuō)明Britten-Davidso模型有一定的合理性。例如，α和β血紅蛋白的結(jié)構(gòu)基因就是單拷貝DNA序列，鄰近這些結(jié)構(gòu)基因的一些中度重復(fù)的DNA序列，包含了各種不同的調(diào)節(jié)基因，如果按Britten和Davidso的設(shè)想，可能還會(huì)有傳感基因、整合基因或受體基因。2.3.2染色體結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響

真核基因的轉(zhuǎn)錄是在常染色體上進(jìn)行的。轉(zhuǎn)錄之前，染色質(zhì)常常會(huì)在特定的區(qū)域被解旋或松弛，形成自由的DNA。這些變化可能包括核小體結(jié)構(gòu)的消除或改變，DNA本身局部的變化，如雙螺旋的局部超旋或松弛，DNA從右旋型變?yōu)樽笮停╖-DNA）等。這些變化可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因暴露，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)區(qū)DNA的結(jié)合，從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。

2.3.2.1活躍狀態(tài)染色體對(duì)DNA酶Ⅰ敏感用DNA酶Ⅰ處理各種組織的染色體時(shí)，發(fā)現(xiàn)處于活躍狀態(tài)的基因比非活躍狀態(tài)的DNA更容易被DNA酶Ⅰ降解。例如，用DNA酶Ⅰ處理精制的染色質(zhì)時(shí)，DNA被降解為約200bp大小的均一片段，反映出了核小體的基本結(jié)構(gòu)單位；但若用DNA酶Ⅰ處理活躍區(qū)的染色質(zhì)，則降解后的片段較小，而且呈不均一性，說(shuō)明這些區(qū)域?qū)NA酶Ⅰ更為敏感，稱(chēng)為DNA酶Ⅰ的超敏感位點(diǎn)（hypersensitivesite）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，每個(gè)活躍轉(zhuǎn)錄的基因都有一個(gè)或幾個(gè)DNA酶Ⅰ的超敏感位點(diǎn)，它們大多位于基因的5′端啟動(dòng)子區(qū)，少數(shù)在其它位置，如轉(zhuǎn)錄單位的下游。每個(gè)超敏感位點(diǎn)是一段長(zhǎng)約100~200bp的DNA序列，而非活躍態(tài)基因的5′相應(yīng)位點(diǎn)卻不表現(xiàn)對(duì)DNA酶Ⅰ的敏感性。那么是什么原因使活躍狀態(tài)的DNA更容易受DNA酶的攻擊而降解呢？實(shí)驗(yàn)證明，非組蛋白HMG至少是造成活躍基因?qū)NA酶Ⅰ超敏感的因素之一，因?yàn)槿コ鼿MG的活化染色質(zhì)即失去對(duì)DNA酶Ⅰ的敏感性，而重新加入HMG后染色質(zhì)便可恢復(fù)對(duì)DNA酶Ⅰ敏感性。進(jìn)一步用專(zhuān)門(mén)切割單鏈的核酸酶處理超敏感位點(diǎn)，證明該位點(diǎn)至少有一部分啟動(dòng)子DNA解旋成單鏈，從而不能繼續(xù)纏繞在核小體上，使啟動(dòng)子“裸露”于組蛋白表面，形成了對(duì)DNA酶Ⅰ的超敏感現(xiàn)象。這就說(shuō)明正是由于HMG與啟動(dòng)子的結(jié)合導(dǎo)致了單鏈區(qū)的形成。超敏感位點(diǎn)的產(chǎn)生是染色體結(jié)構(gòu)規(guī)律性變化的結(jié)果，正是由于這種變化，使DNA易與RNA聚合酶和其它轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子相結(jié)合，從而啟動(dòng)基因表達(dá)。

2.3.2.2組蛋白的乙?；瘜?duì)染色體結(jié)構(gòu)的影響

組蛋白是組成核小體單元的主要成分，包括H1、H2A、H2B、H3和H4。組蛋白是堿性蛋白質(zhì)，賴(lài)氨酸和精氨酸含量可達(dá)25%。組蛋白乙?；褪侵冈诎被┒吮Ｊ氐馁?lài)氨酸殘基的乙?；鏗4可在5、8、12或16位賴(lài)氨酸殘基上乙?；?，導(dǎo)致16種可能的異構(gòu)體。組蛋白乙酰化的意義在于：①組蛋白乙?？墒谷旧|(zhì)疏散，有利于轉(zhuǎn)錄因子的接近。組蛋白的高乙?；c染色質(zhì)的轉(zhuǎn)錄活性相一致，所以有促進(jìn)基因表達(dá)的作用。②在DNA復(fù)制過(guò)程中某些賴(lài)氨酸殘基的乙酰化與組蛋白的去位有關(guān)，有利于解開(kāi)核小體。組蛋白乙?；强赡娴倪^(guò)程，它被一組稱(chēng)為乙?；D(zhuǎn)移酶和脫乙?；缚刂?。2019年，人的乙酰基轉(zhuǎn)移酶HAT的基因被首次克隆出來(lái)，但發(fā)現(xiàn)它主要在復(fù)制中起作用。2019年，人的HAT蛋白P/CAF得以鑒定，它與酵母轉(zhuǎn)錄激活物蛋白Gcn5高度同源，體外有轉(zhuǎn)乙?；饔?。有趣的是P/CAF可以結(jié)合到兩個(gè)已知的密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄輔助激活物CBP（cAMP反應(yīng)因子結(jié)合蛋白CREB的結(jié)合蛋白）和P300上，而這兩種蛋白則可結(jié)合到轉(zhuǎn)錄因子如C-jun、Fos等上。這樣，CREB結(jié)合在增強(qiáng)子部位，CBP又結(jié)合在CREB上，就可把P/CAF帶到附近的核小體上，使核小乙?；?。核小體的乙?；瘎t使轉(zhuǎn)錄裝置較容易地形成，從而啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄。所以，組蛋白的乙酰化是一個(gè)重要的基因表達(dá)調(diào)控因素。真核生物DNA嚴(yán)密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及其在核小體上的超螺旋纏繞，決定了真核基因的表達(dá)與DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)變化之間的必然聯(lián)系。染色體結(jié)構(gòu)的疏散以及DNA鏈的解旋等是許多真核基因起始轉(zhuǎn)錄的先決條件。然后，才通過(guò)順式作用元件和反式作用因子的相互作用來(lái)激活轉(zhuǎn)錄。

2.3.3順式作用元件與基因調(diào)控

高等真核生物編碼mRNA的基因在轉(zhuǎn)錄調(diào)控上往往需要兩種順式作用元件，即啟動(dòng)子和增強(qiáng)子。下面我們分別討論啟動(dòng)子和增強(qiáng)子對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響。2.3.3.1啟動(dòng)子對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響

真核基因啟動(dòng)子是指RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合位點(diǎn)及其周?chē)霓D(zhuǎn)錄控制序列。絕大多數(shù)啟動(dòng)子都有共同的結(jié)構(gòu)模式（圖5-17）。在-25~-35區(qū)有一段保守序列TATAA（T）A，稱(chēng)為T(mén)ATA框（TATAbox）；在-70~-80區(qū)域有一段保守序列CCAAT，稱(chēng)為CAAT框（CAATbox）；在-80~-110含有GCCACACCC或GGGCGGG序列，稱(chēng)為GC框（GCbox）。習(xí)慣上，將TATA區(qū)上游的保守序列稱(chēng)為上游啟動(dòng)子元件（UPE）或上游激活序列（UAS）。

TATA區(qū)和其它兩個(gè)UPE的作用有所不同，前者的主要作用使轉(zhuǎn)錄精確地起始，如果除去TATA區(qū)或進(jìn)行堿基突變，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物下降的相對(duì)值不如CAAT區(qū)或GC區(qū)突變明顯，但發(fā)現(xiàn)所獲得的RNA產(chǎn)物起始點(diǎn)不固定。CAAT區(qū)和GC區(qū)主要控制轉(zhuǎn)錄的起始頻率，基本不參與起始位點(diǎn)的確定。CAAT區(qū)對(duì)轉(zhuǎn)錄起始頻率的影響最大，該區(qū)任意一個(gè)堿基的改變都將極大地影響靶基因的轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度，而啟動(dòng)區(qū)其它序列中一兩個(gè)堿基的置換則沒(méi)有太大的影響。TATA區(qū)和相鄰的UPE區(qū)之間的距離也影響著轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)度。在TATA區(qū)和相鄰的UPE區(qū)之間插入核苷酸會(huì)使轉(zhuǎn)錄減弱，在人類(lèi)β-血紅蛋白基因啟動(dòng)子區(qū)兩個(gè)UPE序列之間插入15個(gè)核苷酸，該啟動(dòng)子完全失去功能。CAAT區(qū)和GC區(qū)相對(duì)于TATA區(qū)的取向（5′→3′或3′→5′）則對(duì)轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度的影響不大。盡管啟動(dòng)子區(qū)這3個(gè)保守序列都具有重要的功能，但并不是每個(gè)基因的啟動(dòng)子區(qū)都包含這3個(gè)序列。有些啟動(dòng)子不具有TATA區(qū)，其轉(zhuǎn)錄可有不同的起始點(diǎn)；有些啟動(dòng)子即無(wú)TATA區(qū)，也沒(méi)有CAAT區(qū)，這類(lèi)啟動(dòng)子不僅具有不同的轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)錄活性也低；也有些啟動(dòng)子不具有GC區(qū)。一個(gè)啟動(dòng)子既然包括幾個(gè)保守序列，而它們伸展的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RNA聚合酶所能覆蓋的范圍，那么，它們是如何發(fā)揮作用，提高轉(zhuǎn)錄頻率的呢？對(duì)這個(gè)問(wèn)題有兩種解釋。第一種解釋認(rèn)為，RNA聚合酶首先與基因的5′上游較遠(yuǎn)端的作用位點(diǎn)相結(jié)合，然后移向起始區(qū)。與這種觀點(diǎn)相悖的是，到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶能夠有效地與除了起始區(qū)之外的其它DNA序列相結(jié)合。第二種解釋認(rèn)為，染色質(zhì)的次級(jí)結(jié)構(gòu)可能使某些線性DNA鏈上有一定距離的位點(diǎn)聚合在一起。持這種觀點(diǎn)的科學(xué)家認(rèn)為，RNA聚合酶結(jié)合區(qū)可以由那些不連續(xù)、但可以在DNA結(jié)合蛋白作用下收縮成團(tuán)的特殊序列組成。這個(gè)模式指出，對(duì)于轉(zhuǎn)錄起始起決定性作用的可能是各個(gè)保守序列之間的距離，而非單個(gè)的保守序列。2.3.3.2增強(qiáng)子對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響

增強(qiáng)子是通過(guò)啟動(dòng)子來(lái)增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄的一種遠(yuǎn)端基因表達(dá)調(diào)控元件，一般長(zhǎng)度大約為50bp，大多為重復(fù)序列，其核心序列常由8~12bp組成。增強(qiáng)子的增強(qiáng)效應(yīng)十分明顯，一般能使轉(zhuǎn)錄起始頻率增加10~200倍，有的可以增加上千倍，而且增強(qiáng)效應(yīng)與其位置的相對(duì)取向無(wú)關(guān)，不論它以什么方向排列（5′→3′或3′→5′），甚至和基因相距3000bp，或在基因的下游或內(nèi)部，均有增強(qiáng)效應(yīng)。SV40病毒的增強(qiáng)子是一個(gè)72bp的串聯(lián)重復(fù)序列，其核心序列為GGTGTGGAAG，將它移動(dòng)到此環(huán)狀病毒基因組（5.2kb）的任何位置上都有作用，而且增強(qiáng)子不論位于編碼鏈還是位于模板鏈上都有效。還有實(shí)驗(yàn)證明SV40病毒的增強(qiáng)子不僅促進(jìn)自身基因的轉(zhuǎn)錄，而且能促進(jìn)幾乎任何通過(guò)重組技術(shù)與它相連的其他基因的轉(zhuǎn)錄，包括哺乳類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)以及其它病毒的基因。目前在病毒、植物、動(dòng)物和人類(lèi)的基因組中均發(fā)現(xiàn)有增強(qiáng)子存在。增強(qiáng)子有組織細(xì)胞特異性，它往往優(yōu)先或只能在某種類(lèi)型的細(xì)胞中表現(xiàn)功能。例如，免疫球蛋白基因的增強(qiáng)子在B-淋巴細(xì)胞中有效，而在其它細(xì)胞中無(wú)效。這是由于增強(qiáng)子需要有特異的激活物蛋白與之結(jié)合后才能促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，而這種蛋白質(zhì)具有組織細(xì)胞特異性的緣故。在這方面了解最清楚的是媒介糖皮質(zhì)激素發(fā)揮激素效應(yīng)的增強(qiáng)子，糖皮質(zhì)激素在細(xì)胞質(zhì)中形成激素—受體復(fù)合物后再進(jìn)入細(xì)胞核，并結(jié)合在糖皮質(zhì)激素的增強(qiáng)子上，從而引發(fā)一套獨(dú)特的基因表達(dá)，其結(jié)果表現(xiàn)出糖皮質(zhì)激素的生理效應(yīng)?？梢?jiàn)糖皮質(zhì)激素增強(qiáng)子僅在具有糖皮質(zhì)激素受體的細(xì)胞中才能發(fā)揮作用。由此人們推測(cè)，感染真核細(xì)胞的病毒DNA中應(yīng)該含有能被宿主細(xì)胞特異蛋白質(zhì)活化的增強(qiáng)子。事實(shí)也是如此，例如小鼠乳腺腫瘤病毒（MMTV）的DNA中含有糖皮質(zhì)激素增強(qiáng)子，因此，MMTV僅在那些正常情況下受到有關(guān)類(lèi)固醇激素剌激的細(xì)胞（如乳腺上皮細(xì)胞）中才能茁壯成長(zhǎng)，因?yàn)檫@些細(xì)胞中含有能活化其增強(qiáng)子的激素—受體復(fù)合物。病毒寄主范圍有一定局限性的原因之一，也就是由于它們含有組織特異性和品種特異性的增強(qiáng)子。現(xiàn)在看來(lái)，通常是那些由于外部剌激或分化狀態(tài)所引起的誘導(dǎo)性基因才具有增強(qiáng)子，組成性基因一般不用增強(qiáng)子調(diào)控轉(zhuǎn)錄。增強(qiáng)子被用于表達(dá)組織特異性的基因，在很多情況下它是基因的組織特異性表達(dá)的原因。增強(qiáng)子為什么能在距離基因很遠(yuǎn)的地方就能發(fā)揮作用呢？目前已提出兩個(gè)一般的模式：①增強(qiáng)子序列提供了增強(qiáng)子結(jié)合蛋白進(jìn)行結(jié)合的位點(diǎn)，一旦結(jié)合后，此蛋白沿DNA分子移動(dòng)至轉(zhuǎn)錄因子以及RNA聚合酶結(jié)合的位點(diǎn)上以增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。支持這一模型的事實(shí)是：增強(qiáng)子在距離啟動(dòng)子很遠(yuǎn)時(shí)，其促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的作用下降。②增強(qiáng)子與增強(qiáng)子結(jié)合蛋白結(jié)合后，增強(qiáng)子與啟動(dòng)子之間的DNA打圈，這樣就使得增強(qiáng)子結(jié)合蛋白可結(jié)合到啟動(dòng)子上（或與結(jié)合在啟動(dòng)子上的蛋白質(zhì)相結(jié)合），但它仍然與增強(qiáng)子序列結(jié)合，從而促進(jìn)了轉(zhuǎn)錄。支持此模型的證據(jù)是增強(qiáng)子可與被它促進(jìn)的基因不在同一DNA分子上，僅通過(guò)蛋白質(zhì)橋聯(lián)在一起就能起到促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的作用。關(guān)于增強(qiáng)子作用的模式還有：①通過(guò)激活一個(gè)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶發(fā)揮遠(yuǎn)距離作用，此異構(gòu)酶利用水解ATP獲得的能量在大的DNA環(huán)中引入彎曲張力。②增強(qiáng)子可能結(jié)合到一些蛋白質(zhì)上，使附近基因趨向核的某一特定區(qū)域，此區(qū)域集中了大量的轉(zhuǎn)錄因子。也許這幾種可能性都有，而不是僅僅采用某一種模式。

2.3.4反式作用因子與基因調(diào)控

反式作用因子是指能直接或間接地識(shí)別并結(jié)合在各順式作用元件上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的的一組蛋白質(zhì)，即轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件（啟動(dòng)、增強(qiáng)子）結(jié)合后，通過(guò)改變DNA分子的構(gòu)象來(lái)影響轉(zhuǎn)錄。按功能特性可將轉(zhuǎn)錄因子分為三類(lèi)：基本轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄激活因子和轉(zhuǎn)錄抑制因子。

基本轉(zhuǎn)錄因子是RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合啟動(dòng)子所必需的一組因子，為所有的mRNA轉(zhuǎn)錄起始所共有，包括TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡF和TFⅡH。這些因子對(duì)TATA框的識(shí)別及轉(zhuǎn)錄的起始是必需的。一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄裝置所包括的元件示意圖真核基因的基本轉(zhuǎn)錄因子可能和原核基因RNA聚合酶的σ因子一樣，賦予RNA聚合酶識(shí)別特異DNA序列并與之結(jié)合的能力。沒(méi)有大量的轉(zhuǎn)錄因子，RNA聚合酶Ⅱ不可能識(shí)別真核生物數(shù)量巨大的啟動(dòng)子。2.3.4.2轉(zhuǎn)錄激活因子

凡是通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-DNA相互作用而起正調(diào)節(jié)作用的因子均是轉(zhuǎn)錄激活因子。例如，增強(qiáng)子結(jié)合因子就是典型的轉(zhuǎn)錄激活因子。轉(zhuǎn)錄激活因子通常有一個(gè)DNA特異結(jié)合結(jié)構(gòu)域和一個(gè)或多個(gè)與其它調(diào)控蛋白相互作用的激活功能域，即DNA結(jié)合區(qū)和轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。此外，很多轉(zhuǎn)錄因子還包含一個(gè)介導(dǎo)蛋白-蛋白相互作用（即二聚體化）的結(jié)構(gòu)域-Leu拉鏈或螺旋-環(huán)-螺旋。按照激活功能域的特點(diǎn)，可將轉(zhuǎn)錄激活因子分為三類(lèi)。①富含Gln的激活功能域的因子

結(jié)合在真核基因啟動(dòng)子區(qū)GC框的因子spl蛋白屬于這一類(lèi)。spl蛋白的DNA結(jié)合域靠近羧基端，含有3個(gè)鋅指。另外2個(gè)功能域負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄激活，激活的機(jī)制尚不清楚，但這些功能域的顯著特點(diǎn)是25%的氨基酸殘基是Gln。②富含Pro的激活功能域因子

結(jié)合在CAAT框上的因子屬于此類(lèi)，其中之一是CTF1，它的DNA結(jié)合域含有許多堿性氨基酸殘基組成的α-螺旋，但沒(méi)有螺旋-環(huán)-螺旋或鋅指環(huán)結(jié)構(gòu)，所以它與DNA結(jié)合的機(jī)制還有待于進(jìn)一步搞清楚。它的激活功能域含量有20%以上的Pro殘基。結(jié)合在CAAT框的另外一個(gè)蛋白質(zhì)因子是C/EBP，含有2個(gè)激活功能域其中一個(gè)富含Pro殘基，另一個(gè)則不屬于我們所敘述過(guò)的功能域特征。C/EBP以二聚體的形式結(jié)合到DNA上，它是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)以Leu拉鏈形式實(shí)現(xiàn)二聚體化的蛋白質(zhì)。③富含酸性氨基酸殘基的激活功能域因子

結(jié)合在UASG的激活序列上的GAL4屬于此類(lèi)。UASG是靠近酵母代謝半乳糖的酶基因的上游序列激活位點(diǎn)。GAL4在其DNA結(jié)合域靠近羧基端，有幾個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)。它的激活功能域的特點(diǎn)是含有許多酸性氨基酸殘基，對(duì)GAL4的酸性激活功能域的肽序列進(jìn)行置換實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)功能域的酸性性質(zhì)是活化功能的關(guān)鍵。GAL4也以二聚體形式結(jié)合到DNA調(diào)控序列上，但其二聚體化并不是由Leu拉鏈或螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)介導(dǎo)的。這些調(diào)節(jié)蛋白的激活功能域和DNA結(jié)合域常常完全獨(dú)立地起作用。轉(zhuǎn)錄激活蛋白某個(gè)功能域的功能通常用一種稱(chēng)為功能域置換的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。例如，CTF1富含Pro的激活功能域用基因工程手段連接到spl的DNA結(jié)合域上，就可以得到一種與GC框結(jié)合并能激活轉(zhuǎn)錄的雜合蛋白。GAL4的DNA結(jié)合功能域用類(lèi)似方法被原核生物的LexA阻遏物的DNA結(jié)合域替代后，雜合蛋白則既不結(jié)合UASG，也不激活酵母的gal基因；但當(dāng)UASG序列被LexA識(shí)別序列替代后，雜合蛋白可以正常地結(jié)合DNA并激活酵母的轉(zhuǎn)錄。通過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)人們已經(jīng)定位了許多調(diào)控蛋白的DNA結(jié)合功能域和激活功能域。那么，轉(zhuǎn)錄激活因子是如何激活轉(zhuǎn)錄的呢？激活機(jī)制比較復(fù)雜，可能有以下幾個(gè)方面：①與其它因子或蛋白質(zhì)相互作用。如GAL4的酸性激活功能域可與任一RNA聚合酶Ⅱ或TFⅡD相互作用，提高RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄的活性。②競(jìng)爭(zhēng)性的排阻組蛋白。轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成與穩(wěn)定可競(jìng)爭(zhēng)性的排阻組蛋白。③與核骨架蛋白質(zhì)作用。與增強(qiáng)子的作用機(jī)制一樣，轉(zhuǎn)錄因子的激活功能域與核基質(zhì)結(jié)合后，可能將基因栓到核中那些具高濃度其它轉(zhuǎn)錄因子及其必需因子的區(qū)域，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。2.3.4.3轉(zhuǎn)錄抑制因子

有些轉(zhuǎn)錄因子與基因調(diào)控序列結(jié)合后可以抑制轉(zhuǎn)錄,稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄抑制因子。例如，線蟲(chóng)基因的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子ces-2就屬于此類(lèi)。線蟲(chóng)的發(fā)育過(guò)程中，1090個(gè)細(xì)胞中的131個(gè)在遺傳上是必然要死亡的（programedcelldeath，PCD，凋亡），這個(gè)過(guò)程在轉(zhuǎn)錄水平上受許多蛋白質(zhì)因子的調(diào)控，其中ces-2控制著細(xì)胞的凋亡。ces-2屬于bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族，含有一個(gè)DNA結(jié)合域和一個(gè)活化域。其DNA結(jié)合域富含Pro殘基和酸性氨基酸殘基，被稱(chēng)為PAR功能域，而活化域則有Leu拉鏈結(jié)構(gòu)單元。ces-2與基因調(diào)控序列PAR/ces-2位點(diǎn)的結(jié)合抑制了ces-1的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，而ces-1則被認(rèn)為是一個(gè)直接或間接抑制凋亡基因活性的轉(zhuǎn)錄因子，這樣，ces-2與調(diào)控序列的結(jié)合便通過(guò)抑制ces-1的表達(dá)而使細(xì)胞進(jìn)入凋亡，線蟲(chóng)得以正常發(fā)育。如果ces-2突變，則線蟲(chóng)在發(fā)育過(guò)程中本應(yīng)凋亡的細(xì)胞被保留下來(lái)，發(fā)育成變態(tài)的神經(jīng)元，這對(duì)于線蟲(chóng)來(lái)說(shuō)是一件“痛苦”的事情。2.4轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控

由于真核細(xì)胞有細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之分，基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯有時(shí)空上的差別，而且真核基因是斷裂基因，有外顯子和內(nèi)含子之分，所以其初始轉(zhuǎn)錄物要經(jīng)過(guò)多種方式的加工后才能成為蛋白質(zhì)生物合成的模板mRNA。同一基因的原初轉(zhuǎn)錄物經(jīng)過(guò)不同的加工可生成不同的成熟mRNA，從而翻譯出功能不同的蛋白質(zhì)。因此，基因轉(zhuǎn)錄后的加工等調(diào)控方式也是基因表達(dá)調(diào)控的一個(gè)重要方面。這種調(diào)控方式主要包括不同方式的拼接、RNA編輯以及mRNA的有效性?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這種不同方式的加工通常是發(fā)生在不同組織中的，這是基因的組織特異性表達(dá)的重要方式之一。

2.4.1不同方式的拼接

同一基因的產(chǎn)物在不同的組織中進(jìn)行不同的拼接，從而表達(dá)出不同的蛋白質(zhì)。已知的有三種情況。①由不同的啟動(dòng)子啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄引起不同的拼接

例如，雞肌球蛋白的輕鏈基因是單一的基因，但在心肌中表達(dá)出來(lái)的是一種類(lèi)型的輕鏈，稱(chēng)為L(zhǎng)C1，在砂囊肌中則表達(dá)出另一類(lèi)型的輕鏈LC3，在骨骼肌中則兩種類(lèi)型都有?？疾炱湓蚴怯捎诖嘶蛴袃蓚€(gè)TATA框，在心肌和砂囊肌中分別從不同的TATA框后開(kāi)始轉(zhuǎn)錄，生成兩種長(zhǎng)度不同的轉(zhuǎn)錄物，然后由不同的拼接方式產(chǎn)生兩種不同的成熟mRNA，從而表達(dá)出兩種不同的輕鏈。由此可見(jiàn)，這兩種輕鏈的不同在N端。②不同加尾點(diǎn)的利用

例如，降鈣素基因有兩個(gè)加尾信號(hào)AATAAA，此基因的產(chǎn)物通過(guò)不同的拼接在甲狀腺中表達(dá)為降鈣素，在下丘腦中則表達(dá)為另一種蛋白質(zhì)，由于此蛋白質(zhì)的功能迄今還不明了，故稱(chēng)為降鈣素基因有關(guān)蛋白（CGRP）?，F(xiàn)在還不清楚是如何發(fā)生不同拼接的，但由于有兩個(gè)加尾信號(hào)，因而很可能是選擇不同的加尾信號(hào)引起的。所以，降鈣素和CGRP的差異在C端。③內(nèi)部外顯子的不同選擇

例如，鼠肌鈣蛋白T的基因的原初轉(zhuǎn)錄物在加工成熟的兩個(gè)mRNA分子中，5′和3′端都是相同的，但拼接時(shí)不同的細(xì)胞利用了不同的內(nèi)部外顯子（α或β），從而表達(dá)出不同的蛋白質(zhì)。所以，這兩種蛋白質(zhì)的差別在內(nèi)部。2.4.2RNA編輯

RNA的編輯是指在mRNA中含有了不是其相應(yīng)基因編碼的核苷酸。由于這種編輯常常發(fā)生在編碼一個(gè)蛋白質(zhì)的開(kāi)放讀框內(nèi)，因而翻譯產(chǎn)生的蛋白質(zhì)與其基因（DNA）編碼的氨基酸順序不完全符合，所以這種編輯一定是很特異和精確的，這樣才能生產(chǎn)出特定功能的蛋白質(zhì)。目前對(duì)編輯的機(jī)制還不清楚，它的生理意義也不了解。例如：載脂蛋白B是脊椎動(dòng)物血液中低密度脂蛋白的一種多肽成分，它有兩種形式，在肝中合成的載脂蛋白B稱(chēng)為apoB-100（相對(duì)分子質(zhì)量為513000），在小腸中合成的稱(chēng)為apoB-48（相對(duì)分子質(zhì)量為250000）。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這兩種蛋白質(zhì)的mRNA都是14kb長(zhǎng)，是由同一基因產(chǎn)生的，但只有apoB-100mRNA的序列與基因相同，而在apoB-48mRNA中有一個(gè)C變成了U，從而使在apoB-100mRNA中本來(lái)是谷氨酰胺的密碼子變成了apoB-48mRNA中的一個(gè)終止密碼子，使apoB-48的翻譯在此終止，所以其相對(duì)分子質(zhì)量比apoB-100小多了。

由于已經(jīng)證明，apoB-48和apoB-100的mRNA是由相同的基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的，但在小腸中apoB-48mRNA的核苷酸序列與基因不同，所以是編輯的結(jié)果。已有實(shí)驗(yàn)證明這種編輯發(fā)生在轉(zhuǎn)錄之后?？梢?jiàn)這種編輯是有組織特異性的，編輯的結(jié)果可使同一基因在不同的組織中表達(dá)出不同的蛋白質(zhì)。2.4.3mRNA有效性的調(diào)控

真核生物能否長(zhǎng)時(shí)間及時(shí)地利用成熟的mRNA分子翻譯出蛋白質(zhì)以供生長(zhǎng)發(fā)育的需要，是和mRNA的穩(wěn)定性以及屏蔽狀態(tài)的解除有關(guān)的。所謂mRNA的穩(wěn)定性，實(shí)際上就是mRNA的壽命。原核生物mRNA的半衰期很短，平均大約3min。高等真核生物迅速生長(zhǎng)的細(xì)胞中mRNA的半衰退期平均3h。在高度分化的終端細(xì)胞中許多mRNA極其穩(wěn)定，有的壽命長(zhǎng)達(dá)幾天，加上強(qiáng)啟動(dòng)了的轉(zhuǎn)錄，使一些終端細(xì)胞特有的蛋白質(zhì)合成達(dá)到驚人的水平。例如，家蠶絲心蛋白基因具有很強(qiáng)的啟動(dòng)子，幾天內(nèi)即可轉(zhuǎn)錄出105個(gè)絲心蛋白mRNA，而它的壽命長(zhǎng)達(dá)4d，每個(gè)mRNA能重復(fù)翻譯出105個(gè)絲心蛋白，這說(shuō)明mRNA壽命的延長(zhǎng)是mRNA有效性的一個(gè)重要方面。此外，mRNA屏蔽狀態(tài)的解除與否，也直接影響mRNA作為蛋白質(zhì)合成模板的功能。高等真核生物卵細(xì)胞中有許多mRNA以核糖核蛋白顆粒（RNP）的形式存在，這種狀態(tài)下的mRNA不能被翻譯。這些不活躍的mRNA稱(chēng)為屏蔽mRNA（maskedmRNA）。受精幾分鐘后，屏蔽mRNA被激活而開(kāi)始翻譯。因此，RNP中的蛋白質(zhì)是否屏蔽著與它結(jié)合的mRNA，也在很大程度上影響了mRNA的模板活性。有科學(xué)家把海膽卵細(xì)胞懸浮在0.35mmol/LNa+緩沖液中，發(fā)現(xiàn)所分離的RNP具有mRNA的活性。研究認(rèn)為，受精時(shí)Na+離子濃度影響了RNP的穩(wěn)定性，使其中的mRNA解離或脫屏蔽，從而發(fā)揮其生物學(xué)功能。

2.5翻譯水平的調(diào)控

在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中都存在著基因表達(dá)翻譯水平的調(diào)節(jié)，而且由于真核生物的mRNA壽命比較長(zhǎng)，因而其翻譯水平的調(diào)控更為重要。真核基因翻譯水平的調(diào)控主要表現(xiàn)在蛋白質(zhì)合成起始速率的調(diào)節(jié)、mRNA的識(shí)別等方面。

2.5.15′端帽子結(jié)構(gòu)的識(shí)別

真核生物mRNA的5′端都有帽子結(jié)構(gòu)，帽子結(jié)構(gòu)與mRNA的蛋白質(zhì)合成效率之間關(guān)系密切。例如，大鼠有兩個(gè)等量表達(dá)的胰島素基因1和2，但在β腫瘤細(xì)胞中，這一平衡被打破，胰島素1的產(chǎn)量是胰島素2的10倍左右。研究表明，這是由于胰島素2的mRNA失去了5′端帽子結(jié)構(gòu)，因此抑制了它作為模板合成蛋白質(zhì)的過(guò)程。那么，蛋白質(zhì)合成起始時(shí)如何識(shí)別5′端帽子結(jié)構(gòu)呢？研究表明，細(xì)胞內(nèi)存在著能與mRNA5′端帽子結(jié)構(gòu)相互作用、專(zhuān)一性識(shí)別帽子結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，稱(chēng)之為帽子結(jié)合蛋白（CBP）。其中，CBPⅠ能促進(jìn)有帽子結(jié)構(gòu)的mRNA翻譯，但對(duì)沒(méi)有帽子結(jié)構(gòu)的mRNA無(wú)效；CBPⅡ是能在高鹽濃度下穩(wěn)定存在的復(fù)合物，它由三種多肽成分組成，其中第一種是CBPⅠ，第二種是相對(duì)分子質(zhì)量為2.2×105的未知功能多肽，它可能就是eIF-4A。CBPⅡ又稱(chēng)為eIF-4F，它也有促進(jìn)有帽子mRNA翻譯的功能，在體外能使球蛋白mRNA的翻譯達(dá)到最高峰。2.5.2非翻譯區(qū)的結(jié)構(gòu)功能單元對(duì)翻譯的影響

在mRNA非翻譯區(qū)存在著一些結(jié)構(gòu)和功能單元序列，對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控起著重要的作用。如高等生物中的負(fù)責(zé)鐵吸收和鐵解毒的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TfR）和鐵蛋白的mRNA上存在的順式作用元件，稱(chēng)為鐵應(yīng)答元件（IRE），IRE與IRE結(jié)合蛋白（IREBP）的相互作用就控制了這兩個(gè)mRNA的翻譯效率。當(dāng)細(xì)胞處于缺鐵或高鐵水平時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)量級(jí)的蛋白質(zhì)水平差異。位于5′端非翻譯區(qū)的IRE控制了鐵蛋白mRNA的翻譯，去掉這個(gè)IRE可造成鐵蛋白的永久性高水平翻譯。當(dāng)細(xì)胞缺鐵時(shí)，IREBP與IRE具有高親合力，兩者的結(jié)合有效地阻止了鐵蛋白mRNA的翻譯，與此同時(shí)，TfRmRNA上的3′端非編碼區(qū)中的5份不完全一樣的IRE也與IREBP特異結(jié)合，有效地阻止了TfRmRNA地降解，使mRNA趨于穩(wěn)定，促進(jìn)了TfR蛋白的合成，可有效地轉(zhuǎn)運(yùn)鐵。反之，當(dāng)鐵水平高時(shí)，則翻譯出鐵蛋白，且轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的mRNA易于降解。2.5.3可溶性蛋白質(zhì)因子對(duì)翻譯的調(diào)控

許多可溶液性蛋白質(zhì)因子，即起始因子，對(duì)蛋白質(zhì)合成的起始有著重要的作用?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)因子的修飾影響著翻譯的起始。①eIF-2磷酸化對(duì)翻譯起始的影響

人們?cè)谘芯烤W(wǎng)織紅細(xì)胞抽提物的蛋白質(zhì)合成時(shí)發(fā)現(xiàn)，在有血紅素時(shí)，網(wǎng)織紅細(xì)胞的抽提物能夠迅速合成血紅蛋白的蛋白質(zhì)部分—珠蛋白，但當(dāng)血紅素耗盡時(shí)，珠蛋白的合成便停止。此調(diào)控作用的生理意義在于協(xié)調(diào)血紅素和珠蛋白的合成，有效地避免多余的珠蛋白存在，因?yàn)槲磁c血紅素結(jié)合的珠蛋白是極易變性的。為什么缺乏血紅素時(shí)珠蛋白的合成便停止呢？研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏血紅素時(shí)突然產(chǎn)生一個(gè)蛋白質(zhì)合成的抑制物，稱(chēng)為血紅素控制的抑制物（HCI）。后來(lái)證明此抑制物是一個(gè)蛋白激酶，在有血紅素時(shí)HCI處于無(wú)活性狀態(tài)，在沒(méi)有血紅素時(shí)HCI活化，的HCI能催化eIF2磷酸化。eIF2可與GDP結(jié)合成GDP型，也可與GTP結(jié)合成GTP型。在形成80S起始復(fù)合物時(shí)，eIF2是以GDP型從40S亞基上釋放出來(lái)的，只有當(dāng)它轉(zhuǎn)變成GTP型時(shí)，才能結(jié)合上met-tRNAMet以起始另一輪蛋白質(zhì)的合成。用GTP交換eIF2上GDP的反應(yīng)是由鳥(niǎo)苷酸交換因子（GEF）催化的，然而，如果eIF2被血紅素控制的蛋白激酶磷酸化后，它與GEF的親合力就非常高，以致形成一個(gè)不可逆的復(fù)合物，因此磷酸化的eIF2分子就再也不能起始蛋白質(zhì)合成了。而且此復(fù)合物又束縛住了GEF，GEF的含量比eIF2少得多。所以，僅有30%的eIF2磷酸化后，就足以引起蛋白質(zhì)合成的完全停止。磷酸化的eIF2可在特異的磷酸酶作用下去掉磷酸基而恢復(fù)其功能。已有證據(jù)表明，在其它細(xì)胞中也有利用不同的激酶使eIF2磷酸化以調(diào)控蛋白質(zhì)合成的事實(shí)。②CBPⅡ活性與翻譯的起始在脊髓灰質(zhì)炎病毒感染的HeLa細(xì)胞中，有帽子結(jié)構(gòu)的宿主mRNA的翻譯受阻，宿主蛋白質(zhì)合成迅速停止，但沒(méi)有帽子結(jié)構(gòu)的脊髓灰質(zhì)炎病毒mRNA的翻譯卻不受影響。研究表明，宿主細(xì)胞CBPⅡ的失活是導(dǎo)致這種mRNA選擇性翻譯的主要原因。如果在這種感染細(xì)胞抽提液的蛋白質(zhì)合成體系中加入由兔網(wǎng)織紅細(xì)胞提取的CBPⅡ，則可恢復(fù)的帽子mRNA的翻譯活性。但是添加CBPⅡ?qū)顾杌屹|(zhì)炎病毒mRNA的翻譯沒(méi)有影響。目前還不了解脊髓灰質(zhì)炎病毒感染后CBPⅡ失活的機(jī)制，一般認(rèn)為CBPⅡ中功能不明的2.2×105的多肽分解為1.0×105~1.3×105片段是一個(gè)主要原因。與脊髓灰質(zhì)炎病毒同屬細(xì)小核糖核酸病毒群的鼻病毒14也有使CBPⅡ失活的功能，但是卻沒(méi)有引起CBPⅡ中2.2×105蛋白質(zhì)組分的分解，所以認(rèn)為這一病毒關(guān)閉宿主蛋白質(zhì)合成的機(jī)制是與脊髓灰質(zhì)炎病毒不同的。在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中，特別是在起始反應(yīng)中，mRNA的可翻譯性起著決定性作用，其5′端的帽子結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、與核糖體RNA的互補(bǔ)性、起始密碼子附近的核苷酸序列以及非編碼區(qū)的結(jié)構(gòu)域單元等都是蛋白質(zhì)翻譯的信號(hào)系統(tǒng)。蛋白質(zhì)的生物合成調(diào)控，就是通過(guò)mRNA所固有的這些信號(hào)與一些可溶性的蛋白因子（如起始因子、延伸因子等）或者與核糖體之間的相互作用而實(shí)現(xiàn)的。2.5.4反義RNA對(duì)翻譯的影響

真核細(xì)胞中也存在反義RNA調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如有些mRNA自身可形成分子內(nèi)的堿基配對(duì)，從而控制自身的翻譯，這也屬于廣義上的反義RNA調(diào)節(jié)。一外較好的例證是c-myc基因。這是一個(gè)細(xì)胞癌基因，它活化后可導(dǎo)致柏基特（Burkitt）淋巴瘤，但正常情況下它處于非活化狀態(tài)。這個(gè)基因有3個(gè)外顯子，它的第一個(gè)外顯子不編碼肽鏈，c-MYC蛋白質(zhì)的第一個(gè)起始密碼子位于基因的第二個(gè)外顯子中，而且第一個(gè)外顯子中有一段序列與第二個(gè)外顯子中的部分序列互補(bǔ)，這樣，第一個(gè)外顯子與第二個(gè)外顯子就通過(guò)分子內(nèi)堿基配對(duì)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在正常生理?xiàng)l件下就存在。由于蛋白質(zhì)的生物合成必需起始于此處，因而這個(gè)結(jié)構(gòu)就阻斷了蛋白質(zhì)的合成。當(dāng)基因發(fā)生轉(zhuǎn)位時(shí)，第一個(gè)外顯子失丟，就不能再與第二個(gè)外顯子形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)合成得以進(jìn)行，基因被活化，從而導(dǎo)致柏基特淋巴瘤。此外，鼠漿細(xì)胞瘤中也有這樣的癌基因活化現(xiàn)象。真核細(xì)胞中也有一些小分子質(zhì)量的寡聚核苷酸充當(dāng)反義RNA的作用。例如，有一些小分子質(zhì)量的核RNA是從小鼠二氫葉酸還原酶基因的5′端轉(zhuǎn)錄出來(lái)的，但是它的轉(zhuǎn)錄方向與二氫葉酸還原酶基因的轉(zhuǎn)錄方向相反，這些RNA的開(kāi)頭順序與二氫葉酸還原酶基因開(kāi)頭的10個(gè)核苷酸互補(bǔ)，所以可能是通過(guò)反義RNA的作用方式來(lái)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成。反義RNA主要是與mRNA之間形成雜合分子，雜交位點(diǎn)常常包括mRNA分子與核糖體的結(jié)合位點(diǎn)和翻譯起始密碼子等部位，因而阻止了mRNA與核糖體的結(jié)合或使核糖體在mRNA分子上的遷移受阻，從而阻止蛋白質(zhì)的翻譯。反義RNA調(diào)控機(jī)制的研究不僅具有重要的理論意義，而且還具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，在目前成為研究熱點(diǎn)的基因治療研究中，就有許多應(yīng)用反義RNA的例子。其中一個(gè)比較成功的例子是IGFⅡ的反義RNA治療腦膠質(zhì)瘤。在腦膠質(zhì)瘤組織中，存在IGFⅡ的過(guò)高表達(dá)，而且證明這種過(guò)高的自分泌表達(dá)與腫瘤的發(fā)生及發(fā)展有密切關(guān)系。1992年，Ilan研究小組利用基因體外重組技術(shù)構(gòu)建了IGFⅡ的反義基因載體，并導(dǎo)入膠質(zhì)瘤細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)可以有效地抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)及成瘤性。用IGFⅡ反義基因技術(shù)治療腦膠質(zhì)瘤已通過(guò)了美國(guó)FDA的批準(zhǔn)，進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段。反義RNA在植物新品種的選育中也有廣泛應(yīng)用。例如，將控制乙烯合成的ACC氧化酶基因的反義RNA導(dǎo)入甜瓜的基因組中，這種改良的甜瓜中乙烯產(chǎn)量便會(huì)大大降低（為對(duì)照水平的1%），而乙烯是植物成熟劑，所以這種甜瓜果皮呈現(xiàn)綠色，25℃存放10天后，果皮仍是綠色且形狀保持良好。

2.6蛋白質(zhì)的加工成熟真核生物的基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后加工、mRNA的修飾、蛋白質(zhì)合成等生物化學(xué)過(guò)程后，終于生成基因產(chǎn)物。但是，基因表達(dá)的任務(wù)至此還不能算是完成了，因?yàn)槌跎傻脑紶顟B(tài)的蛋白質(zhì)大多數(shù)是沒(méi)有生物學(xué)活性的，必須經(jīng)過(guò)一系列加工才能成為有活性的蛋白質(zhì)。

2.6.1多肽的切割加工多肽的切割加工主要有兩個(gè)內(nèi)容，一是與蛋白質(zhì)分泌有關(guān)的切割，二是與蛋白質(zhì)活化有關(guān)的切割。真核細(xì)胞中，負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)合成的核糖體是與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連接的。在許多負(fù)有特殊使命的細(xì)胞如胰腺、肝臟等組織細(xì)胞中，核糖體上所合成的蛋白質(zhì)要從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)入高爾基體，在高爾基體中濃縮成酶原小粒，貯藏到分泌出去為止。這一類(lèi)分泌蛋白都有一個(gè)特點(diǎn)，在其N(xiāo)端都有一段被稱(chēng)為信號(hào)肽的小肽，一般由15~30個(gè)疏水氨基酸組成。帶有信號(hào)肽的蛋白質(zhì)稱(chēng)為前蛋白，例如乳球蛋白在帶有信號(hào)肽時(shí)被稱(chēng)為前乳球蛋白。信號(hào)肽的特點(diǎn)是它的疏水性，它的作用使蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。一旦蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，信號(hào)肽即被信號(hào)肽酶水解掉。