基本介紹
簡介,簡史,研究方法,篩選突變型,激素誘導,離體生化方法,重組DNA技術,原核生物,真核生物,染色質丟失,基因擴增,DNA重排,染色質活化,修飾作用,基因誘導,RNA分工,翻譯控制,翻譯後控制,實用意義,
簡介
表達的主要過程是基因的轉錄和信使核糖核酸(mRNA）的翻譯。基因調控主要發生在三個水平上，即①DNA水平上的調控、轉錄控制和翻譯控制；②微生物通過基因調控可以改變代謝方式以適應環境的變化，這類基因調控一般是短暫的和可逆的；③多細胞生物的基因調控是細胞分化、形態發生和個體發育的基礎，這類調控一般是長期的，而且往往是不可逆的。基因調控的研究有廣泛的生物學意義，是發生遺傳學和分子遺傳學的重要研究領域。
通過基因調控，微生物可以避免過多地合成胺基酸、核苷酸之類物質。如果使它們的調節基因發生突變，就可以得到大量合成這些物質的菌種，把這些菌種用在發酵工業上，使產量大幅度增長。在遺傳工程的研究中套用基因調控的原理可使外源基因表達(見重組DNA技術），所以基因調控的理論探討還具有生產實踐意義。
簡史
1900年F.迪納特發現在含有乳糖和半乳糖的培養液中培養的酵母菌細胞中有分解半乳糖的酶，但是在葡萄糖的培養液中培養的酵母菌細胞中沒有相應的酶。1930年H.卡爾斯特倫在關於細菌的研究中也發現類似的現象，並把生物細胞中的酶區分為組成酶和適應酶（亦稱誘導酶）兩類，前者是在任何情況下都存在的酶，後者是只在誘導物（一般即作用底物）存在的情況下才出現的酶。1938年J.尤德金用質量作用定律解釋適應酶的出現。1946年法國分子生物學家J.莫諾開始研究與大腸桿菌的乳糖發酵有關的酶的誘導合成現象。同年美國微生物遺傳學家J.萊德伯格等發現細菌接合的現象，接著在1948年分離得到大量的不能利用乳糖的大腸桿菌的突變型，也分離到不接觸乳糖也能在細胞中出現分解乳糖的 β-半乳糖苷酶的類型，亦即失去基因調控能力的突變型。在對大腸桿菌遺傳學研究的基礎上，J.莫諾和F.雅各布等對大腸桿菌的乳糖發酵中的酶和一系列突變型繼續進行了廣泛深入的研究，終於在1960～1961年提出了乳糖操縱子模型，開創了基因調控機制的研究。1967年美國學者W.吉爾伯特等分離得到阻遏蛋白，1969年美國分子遺傳學家J.夏皮羅等分離得到乳糖操縱子，使基因調控的研究逐漸成為分子遺傳學的一個重要內容。
研究方法
篩選突變型
這是在原核生物中廣泛套用的方法，例如在乳糖操縱子的研究中篩選失去了基因調控能力的組成型，包括調節基因發生突變和操縱基因發生突變的突變型，以及篩選即使有乳糖或其他誘導物存在的情況下仍然不能合成β-半乳糖糖苷酶的超阻遏型等等。
激素誘導
離體生化方法
真核生物的染色體主要由 DNA和蛋白質組成。所以分別抽提這些成分然後逐一添加其他成分再進行離體轉錄或離體翻譯的測定，這也是真核生物基因調控研究中經常採用的研究手段。分子雜交、電鏡觀察以及各種一般的生物化學方法都是基因調控的重要研究手段。
重組DNA技術
原核生物
DNA水平上的基因調控鼠傷寒沙門氏菌(Salmoella typhimurium）有兩個編碼鞭毛蛋白的基因H1和H2，這兩個基因並不緊密連鎖。H2 的一邊有一個調節基因( H1 repressor gene,rh1），它所編碼的阻遏蛋白作用於 H1而使它不表達。H2基因的另一邊有一段經常發生倒位的長約970對核苷酸的DNA序列，它的一端包括一個啟動子（P）。如果這一序列的取向使P和H2、rh1鄰接，這兩個基因便得以轉錄，細胞中出現H2基因所編碼的一種鞭毛蛋白和rh1基因所編碼的阻遏蛋白，阻遏蛋白作用於 H1基因而使它不表達，細菌的鞭毛於是由H2蛋白構成。當這一序列發生倒位而呈另一種取向，使P遠離H2和rh1,於是H2所編碼的鞭毛蛋白和阻遏蛋白都停止合成，H1便得以表達，細菌的鞭毛便變為由H1蛋白所構成。鞭毛蛋白就是細菌的鞭毛抗原。這種抗原由一種狀態（稱為相）變為另一狀態的現象稱為相轉變。
類似的現象也出現在大腸桿菌的 Mu-1噬菌體中。Mu-1 噬菌體的染色體上有一段長約 3000對核苷酸的核苷酸序列（稱為 G），這一序列也經常發生倒位。它的一個取向使細胞中合成的噬菌體外殼蛋白是 U和 S，這種噬菌體能感染大腸桿菌，可是不能感染弗氏檸檬細菌（Citrobacter freundii）。它的另一取向則使細胞中合成的噬菌體的外殼蛋白是U′和S′，這種噬菌體能感染弗氏檸檬細菌，可是不能感染大腸桿菌。
操縱子模型：細菌和噬菌體的基因調控多數發生在轉錄水平上，操縱子是細菌的主要的基因調控單位，也就是轉錄單位。大腸桿菌的乳糖操縱子是第一個被發現的典型的操縱子，它包括依次排列著的啟動子（promoter,P）、操縱基因（operator,lac O）和三個結構基因。結構基因lac Z編碼分解乳糖的β-半乳糖苷酶、lac Y編碼吸收乳糖的β-半乳糖苷透性酶,lac A編碼β-半乳糖苷乙醯轉移酶。緊靠著lac Z是操縱基因lacO，它不編碼任何蛋白質，它是另一位置上的調節基因lac I所編碼的阻遏蛋白的結合部位。阻遏蛋白是一種變構蛋白，當細胞中有乳糖或其他誘導物的情況下阻遏蛋白便和它們相結合，這一結合使阻遏蛋白的構象變為不能結合在lac O上，於是轉錄便得以進行，吸收和分解乳糖的酶便得以產生（圖la）；如果細胞中沒有乳糖或其他誘導物則阻遏蛋白就結合在lac O上，從而阻止了結合在旁邊的啟動子P上的RNA多聚酶的前進道路，使轉錄不能進行（圖1b）。通過這種方式的基因調控能使細菌在有乳糖的環境中合成有關利用乳糖的酶，在沒有乳糖的環境中停止合成這些酶。一個操縱子是一個整體，因為：①從結構上看來，一個操縱子的全部基因都排列在一起；②一個操縱子雖然包括若干個結構基因，可是通過轉錄形成的卻是單個多基因mRNA；③屬於一個操縱子的結構基因所編碼的蛋白質總是按一定的比率合成；④一個操縱子中的靠近操縱基因的結構基因如果發生某些突變則後面的一系列基因所編碼的蛋白質的量便減少。這種現象稱為極性效應，這種突變型稱為極性突變型；⑤操縱基因和結構基因間有順反位置效應（見互補作用）。
乳糖操縱子的基因lacI所編碼的阻遏蛋白所起的是負控制作用，當它作用於操縱基因時轉錄的進行被阻止。另一個調節基因稱為環腺苷受體蛋白基因(cyclic AMP receptor protein gene,CRP），它所編碼的CRP蛋白質和環腺苷酸（cAMP）相結合併以結合狀態作用於啟動子時便能促進轉錄的進行。這種基因調控屬於正控制。葡萄糖的降解物能降低細胞中的cAMP的濃度，cAMP濃度降低後CRP蛋白便不再和它結合，從而改變構象並失去了促進轉錄的功能。這一效應稱為葡萄糖效應。因此 CRP蛋白又稱為降解物激活蛋白，CRP基因又稱為CAP基因。由此可見乳糖操縱子既受到負控制，也受到正控制。這種雙重的基因調控同樣符合於細菌的需要：在有乳糖的情況下細菌需要合成、吸收和分解乳糖的酶，可是在同時存在葡萄糖和乳糖的情況下細菌就沒有必要再去利用乳糖，所以也就沒有必要合成吸收和分解乳糖的酶。
相類似的基因調控也作用於合成代謝。例如在細菌自身合成或從外面供給了足夠量的色氨酸的情況下，色氨酸便和特定的調節基因所編碼的阻遏蛋白相結合，結合狀態的阻遏蛋白作用於操縱基因，從而轉錄被阻止，合成色氨酸所必需的酶便停止合成（圖1c）。在色氨酸用於合成蛋白質而減少的情況下，游離狀態的阻遏蛋白便不再作用於操縱基因，於是轉錄便能進行，酶便合成，色氨酸便又通過這些酶的作用而產生（圖1d）。色氨酸操縱子是色氨酸合成代謝中的基因調控單位，也是一個整體，具有和乳糖操縱子相同的特性。
細菌的基因調控還有其他形式，但是乳糖操縱子是它的基本模式。調控方式有正控制和負控制，且往往正負控制同時作用於一個操縱子。這種多重控制比單一控制更有效。在大腸桿菌中已知的操縱子已超過100。
真核生物
真核生物的基因調控比原核生物複雜得多。這是因為這兩類生物在三個不同水平上存在著重大的差別：①在遺傳物質的分子水平上，真核細胞基因組的DNA含量和基因的總數都遠高於原核生物，而且 DNA不是染色體中的唯一成分，DNA和蛋白質以及少量的RNA構成以核小體為基本單位的染色質；②在細胞水平上，真核細胞的染色體包在核膜裡面，轉錄和翻譯分別發生在細胞核和細胞質中，這兩個過程在時間上和空間上都是分開的，而且在轉錄和翻譯之間存在著一個相當複雜的 RNA加工過程；③在個體水平上，真核生物是由不同的組織細胞構成的，從受精卵到完整個體要經過複雜的分化發育過程，除了那些為了維持細胞的基本生命活動所必需的基因之外，其他不同組織的細胞中的基因總是在不同的時空序列中被活化或受阻遏。與分化發育有關的基因調控機制是發生遺傳學研究的主要內容。
染色體DNA水平上的基因調控 通過改變基因組中有關基因的數量和順序結構而實現的基因調控。
染色質丟失
在發育過程中一些體細胞失去了某些基因，這些基因便永不表達，這是一種極端形式的不可逆的基因調控。
在某些線蟲、原生動物、甲殼動物發育過程中的體細胞有遺傳物質丟失現象。在這些生物中，只有生殖細胞才保留著該種生物基因組的全套基因。例如在馬副蛔蟲(Ascaris megacephala)卵裂的早期就發現有染色體的丟失現象。蜜蜂的工蜂和蜂后是二倍體，而單倍體則發育成為雄蜂。這也可以認為是一種通過染色體丟失的基因調控。
基因擴增
DNA重排
改變基因組中有關基因順序結構的基因調控方式。哺乳動物的免疫球蛋白的可變區與恆定區的順序分別由不同的基因片段編碼。它們處於同一染色體上但是相距較遠，中間還有一些編碼連線區的DNA順序。在產生抗體的漿細胞成熟過程中，這三個序列通過染色體重排而成為一個完整的轉錄單位。由於可變區基因片段為數眾多，而且不同的連線方式又帶來相應的核苷酸順序的變化，所以通過這種形式的 DNA重排可以產生種類繁多的免疫球蛋白基因（見免疫遺傳學）。
在啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae）的細胞中有關接合型的兩個基因a和 α究竟哪一個表達取決於一種特殊的轉座因子的移位。但就大多數已經發現的真核生物的轉座因子來講，它們是否參與正常的基因調控還沒有定論。
染色質活化
染色質處在固縮的狀態稱為異染色質化。在異染色質化部位的基因的轉錄活性顯著降低。真核生物可以改變染色體某一區域的異染色質化的程度而控制基因的表達。雌性哺乳動物細胞中的一個 X染色體的失活便是高度異染色質化的結果（見劑量補償效應）。基因由於改變位置而處在異染色質區附近時，轉錄作用也會受到阻礙（見位置效應）。粉蚧科的一種介殼蟲有兩類個體，一類個體的細胞中的10個染色體都沒有異染色質化，因而都是有功能的；另一類個體細胞的 10個染色體中有5個高度異染色質化，因而是沒有功能的。這就造成了和蜜蜂相似的情況，蜜蜂的二倍體是雌性的，單倍體是雄性的；在這裡則前一類個體是雌性的，而後一類個體是雄性的。
與異染色質化相反的情況是染色質的活化。在活化的染色質中，基因DNA以某種不同的方式裝配到染色質的核小體中，使RNA多聚酶能夠轉錄染色質中的DNA。研究結果表明凡有基因表達活性的染色質 DNA對核酸內切限制酶的降解作用比沒有轉錄活性的染色質要敏感得多。例如雞的網織細胞能大量合成珠蛋白，從這種細胞中分離的含珠蛋白基因的染色質DNA易遭受DNA酶I的降解作用，而大多數其他的染色質DNA則不被降解，在不合成珠蛋白的雞輸卵管細胞中含珠蛋白基因的染色質 DNA也不被這種酶降解。在活化的染色質中 DNA的超螺旋狀態有所改變，這是基因活化的前提。
修飾作用
基因誘導
在搖蚊(Chironomus）和果蠅(Drosophila）等雙翅目昆蟲的唾腺中的巨大的多線染色體上可以看到一條條各有特徵的橫紋。在幼蟲和蛹期的各個發育時期可以看到某些橫紋變得疏鬆膨大，這膨大處稱為疏鬆區。疏鬆區的出現有一定的時間表，而且各個疏鬆區出現以後隔一定時間又消失。這些部位是合成大量RNA的部位，而且通過分子雜交可以證明疏鬆區的成分具有mRNA的性質。用蛻皮激素處理幼蟲或離體的唾腺細胞，可以誘發某些橫紋形成疏鬆區，意味著某些基因被激活。這是激素誘發特定基因的轉錄的最為直觀的證據。
在高等動物中，注射雌性激素能促使公雞或小雞的肝臟細胞中產生卵黃蛋白原mRNA併合成卵黃蛋白原；注射孕酮能促使爬行動物或鳥類的輸卵管細胞產生卵清蛋白mRNA併合成卵清蛋白；腦垂體前葉的促乳腺激素能促使哺乳動物的乳腺細胞合成酪蛋白。
甾體激素作用的機制一般認為是這樣的，它首先和靶細胞的細胞質中的受體蛋白結合成為激素和受體的複合物，然後這一複合物進入細胞核，在染色體上有某些非組蛋白存在的情況下，複合物便能結合在染色體的特定位置上，從而促使特定基因轉錄。
RNA分工
與原核生物不同，真核生物有三種不同的 RNA多聚酶，它們各自負責不同類型的基因的轉錄。從表中不難看出由RNA多聚酶Ⅰ和Ⅲ轉錄的RNA都與所有細胞的生命活動的基本功能──翻譯有關，而只有 RNA多聚酶Ⅱ才能轉錄結構基因而進一步產生蛋白質。顯然這種分工反映了這三類基因在表達機制上的重大差別（見表）。在轉錄啟動時，不同的RNA多聚酶能識別不同類型的基因，識別的機制在於每種類型的基因都有共同或類似的調控順序。在活體和離體的實驗中已經證明在 RNA多聚酶Ⅱ的離轉錄起點的上游（5′方向）約 25～30個核苷酸處，有一段長約 8～10個核苷酸的相當保守的、富含A（腺嘌呤核苷酸）和T（胸腺嘧啶核苷酸）的核苷酸順序，稱為TATA框。有證據表明在轉錄起始的上游更遠的部位，還有其他核苷酸順序也與 RNA多聚酶Ⅱ的正常活動有關。
在由RNA多聚酶Ⅲ轉錄的5SRNA基因的內部（而不是在它的轉錄起點的上游）有一段與轉錄控制有關的順序，長約30鹼基對，它的存在對該基因轉錄的起始起著控制作用。已經證明這段順序能專一性地結合一種蛋白質因子，後者可以指導 RNA多聚酶Ⅲ從它的結合位置的上游約50鹼基對處開始轉錄。
RNA加工過程中的調控 真核生物的RNA加工過程主要包括三個步驟：①在新生RNA的5′端加上一個甲基化的鳥嘌呤核苷酸，形成一個所謂的帽子（cap）即m7GpppN（m7G是7-甲基鳥嘌呤核苷，P是磷酸,N是 RNA的5′端第一個核苷酸）這一過程通常發生在新生鏈完成之前。②在轉錄後的RNA3′部位上加上多聚腺嘌呤核苷酸（多聚A）尾部。這種加尾作用一般不直接發生在轉錄初產物的3′末端上，而另外需要核酸內切酶的作用產生一個新的3′末端，然後再加上多聚A。③對於具有內含子的那部分RNA順序必須被切除，接著兩邊的外顯子再重新連起來，這一過程稱為拼接。拼接是個十分精確的過程，它的機制還沒有闡明，但幾乎所有的內含子在5′邊界處都有CT順序，在3′邊界處都有AG順序。多聚A加尾作用一般發生在拼接之前，但不總是如此。還不清楚影響這個過程的各種因素，但已經知道同一種基因的轉錄產物前體mRNA可以被加工成幾種不同的mRNA。
幾乎所有的真核生物的 mRNA都有一個5′帽端，但並不是所有基因的mRNA都有3′多聚A尾部，也不是所有基因的mRNA都必須經過拼接。根據這後兩種加工過程的有無和複雜程度，可將真核基因的轉錄單位分為兩大類型：一類是簡單的只編碼產生一種蛋白質的基因，另一類是複雜的編碼兩種或更多種蛋白質的轉錄單位（圖2）。在3′端加尾部位或拼接部位上的變化都會使同一基因最終形成不同的蛋白質產物。圖2a是表示多聚 A加尾部位不同而使基因終產物不同的模式，屬於這種情況的有腺病毒的晚期基因、小鼠免疫球蛋白的重鏈基因和一種多肽激素降血鈣素基因。圖2b是表示拼接部位不同而使基因終末產物不同的模式，迄今為止僅在哺乳動物細胞的病毒（如腺病毒、SV40病毒、多瘤病毒和反轉錄病毒等）中發現有這種形式的加工調控。
翻譯控制
真核生物的翻譯控制的主要形式是控制mRNA的穩定性。mRNA5′端的加帽作用以及它的3′端的多聚A的加尾作用都有助於 mRNA分子的穩定。在某些真核生物中mRNA進入細胞質以後並不立即作為模板進行蛋白質合成，而是與一些蛋白質結合形成RNA蛋白質（RNP）顆粒，在這種狀態的mRNA半衰期可以延長。家蠶的絲芯蛋白基因是單拷貝的，可是在幾天內一個細胞中可以合成多至1010個絲芯蛋白分子。這便是因為它的mRNA分子和蛋白質結合成為RNP顆粒而延長了壽命的結果。據估計，一個絲芯蛋白基因在幾天內可產生105個mRNA分子，因此每個mRNA分子作為模板可以合成105個蛋白質分子。 某些激素對mRNA也能起穩定作用。例如在離體培養的乳腺組織中添加催乳激素能使酪蛋白的mRNA分子在24小時內積累到25000個拷貝。在這期間mRNA的半衰期增加了20倍，但新的mRNA合成只增加2～3倍。如果在培養液中再除去催乳激素，48小時內酪蛋白mRNA便喪失了95%，可見該激素的主要作用在於維持酪蛋白mRNA的穩定性。翻譯控制的另外兩種形式是對翻譯速度的控制和進行有選擇的翻譯，例如，海膽未受精的卵與受精的卵在mRNA的含量和組成上都相同，但是受精卵的翻譯活性至少高出50倍。和這情況不相同的是蚶的卵，受精卵蛋白質合成的總量並沒有提高，可是對於未受精和受精卵進行離體翻譯的雙相電泳分析結果說明雖然兩者的mRNA在含量和種類上都是相同的，但某些蛋白質是受精前的卵所特有的，而另一些蛋白質則是受精後特有的。
翻譯後控制
翻譯後控制的事例不多。一般認為腦垂體後葉細胞產生的促腎上腺皮質激素和脂肪酸釋放激素是由同一原始翻譯產物經不同的加工而形成的。迄今為止對於真核生物基因調控作用的了解仍然處在探索的階段，特別是對於高等動植物的基因調控過程了解得更少，還不能形成一個完整的模式。1972年美國學者E.戴維森和R.J.布里頓在實驗事實還不充分的情況下提出了一個真核生物的基因調控模型，這一模型也可以用來解釋真核生物中大量的脫氧核糖核酸重複順序的功用。
曾經發現在真核生物的細胞核中存在著大量與結構基因無關的RNA，這一事實是和這一模型符合的。這一模型還是一個有待充分驗證的假說。這一模型提出以後，又出現了一些修改這一模型的假說，它們都可以作為進一步研究的出發點。
