廣州市黃埔區(qū)學(xué)大道攬月路廣州企業(yè)孵化器B座402
電話：020-85625352
手機：18102256923、18102253682
Email：servers@gzscbio.com
Fax：020-85625352
QQ：386244141
基因調(diào)控是現(xiàn)代分子生物學(xué)研究的中心課題之一。因為要了解動植物生長發(fā)育規(guī)律。形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及生物學(xué)功能，就必須搞清楚基因表達調(diào)控的時間和空間概念，掌握了基因調(diào)控機制，就等于掌握了一把揭示生物學(xué)奧秘的鑰匙?；虮磉_調(diào)控(regulation of gene expression or gene control)是對從DNA到蛋白質(zhì)的過程叫基因表達(gene expression)過程的調(diào)節(jié)?；虮磉_調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控；②mRNA加工、成熟水平上的調(diào)控；③翻譯水平上的調(diào)控。
基因表達調(diào)控的指揮系統(tǒng)有很多種，不同生物使用不同的信號來指揮基因調(diào)控。原核生物和真核生物之間存在著相當(dāng)大差異。原核生物中，營養(yǎng)狀況、環(huán)境因素對基因表達起著十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、發(fā)育階段等是基因表達調(diào)控的主要手段，營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響則為次要因素。
1、原核基因表達調(diào)控
原核生物的基因表達調(diào)控雖然比真核生物簡單，然而也存在著復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)。在原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中，現(xiàn)已搞清楚了細菌的幾個操縱子模型，現(xiàn)以乳糖操縱子和色氨酸操縱子為例予以說明。
（1）乳糖操縱子
大腸桿菌乳糖操縱子包括4類基因：①結(jié)構(gòu)基因，能通過轉(zhuǎn)錄、翻譯使細胞產(chǎn)生一定的酶系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)蛋白，這是與生物性狀的發(fā)育和表型直接相關(guān)的基因。乳糖操縱子包含3個結(jié)構(gòu)基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成透過酶，lacA合成乙?；D(zhuǎn)移酶。②操縱基因O，控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄速度，位于結(jié)構(gòu)基因的附近，本身不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。③啟動基因P，位于操縱基因的附近，它的作用是發(fā)出信號，mRNA合成開始，該基因也不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。④調(diào)節(jié)基因i：可調(diào)節(jié)操縱基因的活動，調(diào)節(jié)基因能轉(zhuǎn)錄出mRNA，并合成一種蛋白，稱阻遏蛋白。操縱基因、啟動基因和結(jié)構(gòu)基因共同組成一個單位——操縱子（operon）。
乳糖操縱子其調(diào)控機制簡述如下：
抑制作用：調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其構(gòu)象能夠識別操縱基因并結(jié)合到操縱基因上，因此RNA聚合酶就不能與啟動基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因也被抑制，結(jié)果結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄出mRNA，不能翻譯酶蛋白。
誘導(dǎo)作用：乳糖的存在情況下，乳糖代謝產(chǎn)生別乳糖（alloLactose），別乳糖能和調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白改變構(gòu)象，不能在和操縱基因結(jié)合，失去阻遏作用，結(jié)果RNA聚合酶便與啟動基因結(jié)合，并使結(jié)構(gòu)基因活化，轉(zhuǎn)錄出mRNA，翻譯出酶蛋白。
負反饋：細胞質(zhì)中有了β—半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖為半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。
2）色氨酸操縱子
色氨酸操縱子負責(zé)調(diào)控色氨酸的生物合成，它的激活與否完全根據(jù)培養(yǎng)基中有無色氨酸而定。當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時，該操縱子自動關(guān)閉；缺乏色氨酸時，操縱子被打開。色氨酸在這里不是起誘導(dǎo)作用而是阻遏，因而被稱作輔阻遏分子，意指能幫助阻遏蛋白發(fā)生作用。色氨酸操縱子恰和乳糖操縱子相反。
2、真核基因表達調(diào)控
真核生物基因表達調(diào)控與原核生物有很大的差異。原核生物同一群體的每個細胞都和外界環(huán)境直接接觸，它們主要通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控，以開啟或關(guān)閉某些基因的表達來適應(yīng)環(huán)境條件（主要是營養(yǎng)水平的變化），故環(huán)境因子往往是調(diào)控的誘導(dǎo)物。而大多數(shù)真核生物，基因表達調(diào)控最明顯的特征時能在特定時間和特定的細胞中激活特定的基因，從而實現(xiàn)“預(yù)定”的，有序的，不可逆的分化和發(fā)育過程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常的生理功能。真核生物基因表達調(diào)控據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：第一類是瞬時調(diào)控或叫可逆調(diào)控，相當(dāng)于原核生物對環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時調(diào)控包括某種代謝底物濃度或激素水平升降時及細胞周期在不同階段中酶活性和濃度調(diào)節(jié)。第二類是發(fā)育調(diào)節(jié)或稱不可逆調(diào)控，這是真核生物基因表達調(diào)控的精髓，因為它決定了真核生物細胞分化，生長，和發(fā)育的全過程。按照基因調(diào)控發(fā)生的先后順序，可將其分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后的水平調(diào)控；轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控又可分為表觀修飾調(diào)控及由諸多轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶控制的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控；而轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控又可細分為轉(zhuǎn)錄后的水平調(diào)控，翻譯水平調(diào)控及蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控。研究基因調(diào)控應(yīng)回答下面三個主要問題：①什么是誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄的信號？ ②基因調(diào)控主要是在那個環(huán)節(jié)（模板DNA轉(zhuǎn)錄，mRNA的成熟或蛋白質(zhì)合成）實現(xiàn)的？③不同水平基因調(diào)控的分子機制是什么？而現(xiàn)階段大多數(shù)的分子機制的研究主要體現(xiàn)在表觀遺傳調(diào)控（代表DNA水平）、轉(zhuǎn)錄調(diào)控（代表RNA水平）和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（代表蛋白水平）。
（1）表觀遺傳調(diào)控
現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，異常的表觀遺傳可能導(dǎo)致發(fā)生腫瘤、自身免疫病、衰老、神經(jīng)精神異常和多種兒科綜合征。表觀遺傳學(xué)主要是對染色質(zhì)重塑、DNA甲基化及組蛋白修飾、X染色體失活、非編碼RNA調(diào)控等多方面進行研究。對表觀遺傳中各種因子的突變導(dǎo)致疾病的研究，將有助我們了解表觀遺傳機制、基因表達和環(huán)境之間的關(guān)系，并期望能糾正或降低那些能夠?qū)е录膊〉谋碛^基因的不穩(wěn)定性，指導(dǎo)疾病的診治和新藥的研制。表觀遺傳學(xué)是研究基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達的可遺傳的變化的一門遺傳學(xué)分支學(xué)科。表觀遺傳的現(xiàn)象很多，已知的有DNA甲基化（DNA methylation），基因組印記（genomic imprinting），母體效應(yīng)（maternal effects），基因沉默（gene silencing）等。表觀遺傳調(diào)控主要通過DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA調(diào)控4種控制表觀遺傳的沉默或激活。而表觀遺傳調(diào)控在DNA水平上調(diào)控，主要體現(xiàn)在DNA甲基化、組蛋白甲基化以及組蛋白乙酰化。
（2）轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控
真核生物在轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控主要是通過反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子）、順式作用元件（啟動子）和RNA聚合酶的相互作用來完成的,主要是反式作用因子結(jié)合順式作用元件后影響轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成過程。轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成：真核生物RNA聚合酶識別的是由通用轉(zhuǎn)錄因子與DNA形成的蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物,只有當(dāng)一個或多個轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DNA上,形成有功能的啟動子,才能被RNA聚合酶所識別并結(jié)合.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成過程為：TFⅡD結(jié)合TATA盒；RNA聚合酶識別并結(jié)合TFⅡD-DNA復(fù)合物形成一個閉合的復(fù)合物；其他轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶結(jié)合形成一個開放復(fù)合物.在這個過程中,反式作用因子的作用是：促進或抑制TFⅡD與TATA盒結(jié)合；促進或抑制RNA聚合酶與TFⅡD-DNA復(fù)合物的結(jié)合；促進或抑制轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成。反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子）：一般具有三個功能域（DNA識別結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄活性域和結(jié)合其他蛋白結(jié)合域）；能識別并結(jié)合上游調(diào)控區(qū)中的順式作用元件（啟動子）；對基因的表達有正性或負性調(diào)控作用。
（3）轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控
真核生物基因轉(zhuǎn)錄在細胞核內(nèi)進行，而翻譯則在細胞質(zhì)中進行。在轉(zhuǎn)錄過程中真核基因有插入序列，結(jié)構(gòu)基因被分割成不同的片段，因此轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控是真核生物基因表達調(diào)控的一個重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各種基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA，無論rRNA、tRNA還是mRNA，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后的加工才能成為有活性的分子。
（4）翻譯水平的調(diào)控
蛋白質(zhì)合成翻譯階段的基因調(diào)控有三個方面：① 蛋白質(zhì)合成起始速率的調(diào)控；② MRNA的識別；③ 激素等外界因素的影響。蛋白質(zhì)合成起始反應(yīng)中要涉及到核糖體、mRNA蛋白質(zhì)合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，這些結(jié)構(gòu)和諧統(tǒng)一才能完成蛋白質(zhì)的生物合成。mRNA則起著重要的調(diào)控功能。
真核生物mRNA的“掃描模式”與蛋白質(zhì)合成的起始。真核生物蛋白合成起始時，40S核糖體亞基及有關(guān)合成起始因子首先與mRNA模板近5’端處結(jié)合，然后向3’方向移行，發(fā)現(xiàn)AUG起始密碼時，與60S亞基形成80S起始復(fù)合物，即真核生物蛋白質(zhì)合成的“掃描模式”。
mRNA5’末端的帽子與蛋白質(zhì)合成的關(guān)系。真核生物5’末端可以有3種不同帽子：0型、I 型和 II 型。不同生物的mRAN可有不同的帽子，其差異在于帽子的堿基甲基化程度不同。帽子的結(jié)構(gòu)與mRNA的蛋白質(zhì)合成速率之間關(guān)系密切：① 帽子結(jié)構(gòu)是mRNA前體在細胞核內(nèi)的穩(wěn)定因素，也是mRNA在細胞質(zhì)內(nèi)的穩(wěn)定因素，沒有帽子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物會很快被核酸酶降解；② 帽子可以促進蛋白質(zhì)生物合成過程中起始復(fù)合物的形成，因此提高了翻譯強度；③ 沒有甲基化(m7G)的帽子(如GPPPN-)以及用化學(xué)或酶學(xué)方法脫去帽子的mRNA，其翻譯活性明顯下降。