基因選擇性表達

生物體在個體發育的不同時期、不同部位，通過基因水平、轉錄水平等的調控，表達基因組中不同的部分，其結果是完成細胞分化和個體發育。 基因的選擇性表達是指在細胞分化中，基因在特定的時間和空間條件下有選擇表達的現象，其結果是形成了形態結構和生理功能不同的細胞。

基本介紹

• 中文名：基因選擇性表達
• 原理：細胞分化
• 特點：形態結構和生理功能不同
• 位置：單細胞原核

定義

由於細胞分化發生於生物體的整個生命進程中，所以基因的選擇性表達在生命過程各階段都在體現。不僅如此，基因的選擇性表達在單細胞原核、真核生物生長發育中，甚至病毒的生命活動中都明顯表現，這充分體現了基因的選擇性表達的普遍性。

原理

截至2014年底，科學界認為這是一種RNA抑制機制。

從大量的研究結果中我們可以推測，生物體內有一套RNA監視系統，可以通過多種異常RNA來激發。如果外來核酸是DNA（包括轉基因、重組基因、DNA病毒、擴增子等），靶標RNA需要在細胞核中完全成轉錄後運轉到細胞質中，而侵入細胞質的病毒RNA可以直接提供靶標RNA。各種不同的靶標RNA（包括與外源基因同源的內源基因和外來的DNA產生的RNA以及病毒的RNA）由寄主的RdRP或病毒自身的RdRP通過多種不同的途徑反靶標RNA轉變成為雙鏈RNA,從而通過RNAi引發的PTGS。PTGS被引發後就不再需要RdRP。關於雙鏈RNA介導的RNAi特異性靶標RNA的降解，Bass[5]提出了這樣一個假說：認為生物體記憶體在著一種複合酶：RNAi核酸酶，該酶具有雙鏈RNA結合、RNase和RNA解旋酶三個活性區。首先雙鏈RNA結合到該酶的雙鏈RNA結合區並引導該酶識別靶標RNA，接著該酶的解旋酶完成ATP依賴性的靶標RNA與該酶結合的雙鏈RNA的正義鏈的換位，RNase在靶標RNA結合位點附近完成切割，從而使靶標RNA能被進一步降解，產生大量的小片段RNA，包括序列特異性的-25nt RNA。載有序列特異性的雙鏈RNA的游離複合酶再去識別並降解其它的靶標RNA，產生更多-25nt RNA，從而使PTGS具有持久性系統性。

基因沉寂需要經歷不同的反應過程才能實現，包括組蛋白N端結構域的賴氨酸殘基的去乙醯基化加工、甲基化修飾（由甲基轉移酶催化，修飾可以是一價、二價和三價甲基化修飾，後者又被稱為'過度’甲基化修飾（Hypermethylation) ) 、以及和甲基化修飾的組蛋白結合的蛋白質（MBP）形成“異染色質”，在上述過程中，除了部分組蛋白的N端尾部結構域需要去乙醯化、甲基化修飾之外，有時也許要在其他的組蛋白N端尾部結構域的賴氨酸或精氨酸殘基上相應地進行乙醯化修飾，儘管各種修飾的最終結果會導致相應區段的基因“沉寂”失去轉錄活性。

細胞分裂

在多細胞生物的個體發育中，受精卵有絲分裂增加細胞數目，產生的細胞大多數不再分裂，細胞中特定的基因通過轉錄翻譯合成蛋白質，表現出特定的形態、結構和生理功能，形成不同的細胞和組織。

如：動物和人的紅細胞和心肌細胞都來自同一胚層，後來分化出的紅細胞合成出血紅蛋白，而心肌細胞則能夠合成肌動蛋白和肌球蛋白。

即使在細胞分裂過程中，基因的選擇性表達同樣存在。如在細胞分裂間期、分裂期，僅僅是部分基因在表達，合成了特定的蛋白質、酶用於分裂過程，絕大部分基因沒有表達。

成熟衰老

植物

在成熟期，參與細胞分裂的基因基本不表達，用於物質轉化的相關蛋白質等的基因在表達，合成相應的蛋白質、酶等。如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根形成後，細胞中用於合成葡萄糖轉化為乳酸的酶的基因進行了表達，故它們無氧呼吸時產物是乳酸，有利於減少物質能量浪費，還降低了對細胞的傷害程度。

人和動物

人和動物的第二特徵的表現，是生長發育到一定階段基因選擇性表達的結果。而在衰老過程中，用於正常代謝的酶合成受到抑制或數量減少，加速了衰老的程度，也是基因的選擇性表達的結果。

程式性死亡（apoptosis）的理論假說也認為死亡的細胞是通過基因的選擇性表達實現的。

單細胞生物

作為單細胞生物，產生新個體常常通過細胞分裂的方式，細胞分裂中的仍有部分基因在表達。新細胞（或新個體）生長發育中過程中，特定的基因在不同階段表達，細胞完成相應的生理活動適應了特定的環境。

例1：草履蟲

通過實驗比較雙小核草履蟲單獨培養和與大草履蟲混合培養發現其細胞內的基因表達有顯著不同：混合培養時產生的蛋白質種類和數量遠遠超過單獨培養的情況，增強了其競爭力。

例2：細菌

細菌在環境條件適應時，基因選擇性表達保證正常的生長繁殖與生存，一旦環境惡化，細菌體內特定的基因進行表達，使其形態結構改變，出現莢膜、芽孢等特殊結構助其度過危機。

非細胞結構病毒

病毒寄生在宿主細胞內，基因表達也有選擇性，使其衣殼有不同的形態或使其表現出不同的抗原性（或致病性）。如禽流感病毒中基因表達不同的蛋白質類物質，致病性相差較大。對人和鳥類都有致病作用的是H5N1，其他類型致病作用小得多。原因是前者基因選擇性表達出了一種被稱為“細胞因子”的蛋白質迅速進入被感染的肺部組織，進而免疫系統過度反應造成死亡。

特殊性

特殊性表現在基因能否在特定的空間、時間表達，以及表達量的各異性上。

環境因素

基因選擇性表達可由環境因素（時間、空間）影響而調節，也可增強機體適應環境的能力。

例1：癌基因（oncogene）

在外界環境因素（如物理、化學、生物方面）的影響下，生物體內原癌基因由抑制狀態轉變為激活狀態，能夠進行正常表達導致出現癌症，而正常生物體內的原癌基因就不能表達。

例2：微生物體內酶合成的調節

常見的大腸桿菌在用葡萄糖和乳糖作碳源的培養基進行培養，開始，大腸桿菌只能利用葡萄糖而不能利用乳糖，只有當葡萄糖消耗完畢後，大腸桿菌細胞內控制合成分解乳糖的半乳糖苷酶的基因才開始表達。有了半乳糖苷酶，才能利用乳糖作碳源。這種調節既保證了代謝的需要，又避免了細胞內物質能量的浪費，增強了微生物對環境的適應能力。

例3：兼性營養型的食蟲植物

當土壤中缺乏氮元素，食蟲植物通過捕食昆蟲獲取營養，此時植物體內某些基因進行表達，產生酶分解利用昆蟲的營養物質，保證自身營養需要。

例4：紅螺菌

紅螺菌在沒有光照有有機物的條件下，它又可以利用有機物進行生長，同樣有特定基因在這特定條件下表達。

量調控

高等動物體內激素分泌量的反饋調節，水平衡調節中抗利尿激素分泌量的變化，血糖平衡調節中胰島素和胰高血糖素分泌量的高低等方面，都要通過基因的選擇性表達來實現。

由此可知，基因的選擇性表達是很複雜的，其影響因素既有外因，又有內因。現在人們已經可通過改變外界條件使生物體的有利的基因表達，抑制有害的基因的表達，為人類自身造福。如通過特定的 化療方法使癌基因處於抑制狀態，從而治療癌症。那么，基因的選擇性表達的內部機制是什麼呢？2006年諾貝爾獎獲得者美國兩名科學家安德魯?法爾和克雷格?梅洛作出了科學的解釋。他們經過多年的潛心研究，發現基因的選擇性表達是體記憶體在RNA干擾機制。RNA干擾現象普遍存在於動植物體和人體中，這對於基因的選擇性表達的管理，參與對病毒感染的防護，控制活躍基因，激活抑制基因都具有重要意義。