19第十八章基因表达调控.doc

第十八章 基因表达调控 20世纪50年代末，生物科学家们揭示了遗传信息从DNA传递到蛋白质的规律—中心法则。此后，科学家们一直在探索着究竟是何种机制调控着遗传信息的传递。1961年，F. Jacob和J. Monod提出了著名的操纵子学说，开创了基因表达调控研究的新纪元。 基因表达调控的研究使得人们了解到多细胞生物是如何从一个受精卵及所具有的一套遗传基因组，最终形成了具有不同形态和功能的多组织、多器官的个体；也使得人们初步知晓：为何同一个体中不同的组织细胞拥有相同的遗传信息，却可以产生各自专一的蛋白质产物，因而具有完全不同的生物学功能。因此，对基因表达调控的了解是认识生命体不可或缺的重要内容。 框18-1操纵子的发现 1961年，法国科学家F. Jacob和J. L. Monod在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现有些基因不是作为合成蛋白质的模板发挥作用，而只是起到调节或操纵作用，故提出操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。1965年，F. Jacob和J. Monod荣获诺贝尔生理学／医学奖。1969年，J. R. Beckwith从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子，证实了F. Jacob ;fv J. L. Monod的模型及理论。 第一节基因表达与基因表达调控的基本概念与特点 原核生物体系和真核生物体系在基因组结构以及细胞结构上的差异使得它们的基因表达方式有所不同。原核细胞没有细胞核，遗传信息的转录和翻译发生在同一空间，并以偶联的方式进行。真核细胞具有细胞核，’使得转录和翻译不仅具有空间分布的特征，而且还有时间上的先后顺序。尽管如此，原核生物体系和真核生物体系在基因表达调控上都遵循一些共同的基本规律。 一、基因表达是基因转录和翻译的过程 基因表达（gene expression）就是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码基因，mRNA继而翻译成多肤链，并装配加工成最终的蛋白质产物。在一定调节机制控制下，大多数基因经历、转录和翻译过程，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。 rRNA, tRNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。 不同生物的基因组含有不同数量的基因。细菌的基因组约含4000个基因；多细胞生物的基因达数万个，人类基因组含约2万一2.5万个基因（见第十三章）。在某一特定时期或生长阶段，基因组中只有小部分基因处于表达状态。例如，大肠杆菌通常只有约5%的基因处于高水平，转录活性状态，其余大多数基因不表达或表达水平极低，即：生成很少的RNA或蛋白质。基因｛表达水平的高低不是固定不变的。例如，平时与细菌蛋白质生物合成有关的延长因子编码基因 356  第十八章 基因表达调控 357 表达十分活跃，而参与DNA损伤修复有关的酶分子编码基因却极少表达；当有紫外线照射引起DNA损伤时，这些修复酶编码基因的表达就变得异常活跃。可见，生物体中具有某种功能的基因产物在细胞中的数量会随时间、环境而变化。 二、基因表达具有时间特异性和空间特异性 所有生物的基因表达都具有严格的规律性，即表现为时间特异性和空间特异性。生物物种愈高级，基因表达规律愈复杂、愈精细，这是生物进化的需要。基因表达的时间、空间特异性由特异的基因启动子（序列）和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定。 （一）时间特异性是指墓因表达按一定的时间顺序发生 按功能需要，某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性（temporal specificity)。如噬菌体、病毒或细菌侵人宿主后，呈现一定的感染阶段。随感染阶段发展、生长环境变化，这些病原体以及宿主的基因表达都有可能发生改变。有些基因开启，有些基因关闭。例如霍乱弧菌在感染宿主后，44种基因的表达上调，193种基因表达受到抑制，而相伴随的是这些细菌呈现出高传染状态。编码甲胎蛋白( alpha fetal protein,AFP )的基因在胎儿肝细胞中活跃表达，因此合成大量的甲胎蛋白；在成年后这一基因的表达水平很低，几乎检测不到AFP。但是，当肝细胞发生转化形成肝癌细胞时，编码AFP的基因又重新被激活，大量的AFP被合成。因此，血浆中AFP的水平可以作为肝癌早期诊断的一个重要指标。 多细胞生物从受精卵发育成为一个成熟个体，经历很多不同的发育阶段。在每个不同的发育阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时