生物化學與分子生物學/基因表達調控的現象和概念

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生物化學與分子生物學

基因表達調控
- 基因表達調控的現象和概念
- 原核基因表達調控
- 真核基因表達調控
- 基因表達調控提要

一、基因表達調控是生命的必需

基因表達(gene expression)是指儲存遺傳信息的基因經過一系列步驟表現出其生物功能的整個過程。典型的基因表達是基因經過轉錄、翻譯，產生有生物活性的蛋白質的過程。rRNA或tRNA的基因經轉錄和轉錄后加工產生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表達，因為rRNA或tRNA就具有在蛋白質翻譯方面的功能。

基因組(genome)是指含有一個生物體生存、發育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。但生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的，即使極簡單的生物(如最簡單的病毒)，其基因組所含的全部基因也不是以同樣的強度同時表達的。大腸桿菌基因組含有約4000個基因，一般情況下只有5-10%在高水平轉錄狀態，其它基因有的處于較低水平的表達，有的就暫時不表達。哺乳類基因組更復雜，人的基因組約含有10萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數基因處在沉靜狀態，典型的哺乳類細胞中開放轉錄的基因約在1萬個上下，即使蛋白質合成量比較多、基因開放比例較高的肝細胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達狀態。

生物個體的各種組織細胞一般都有相同的染色體數目，每個細胞含的DNA量基本相近。最初經典的遺傳學認為只有生殖細胞能夠繁衍后代，隨著科學的發展，能將植物的一些體細胞(如葉細胞)培育成為完整的植株，成年山羊的乳腺細胞在適當的條件下也能分化發育成山羊個體(克隆羊)，表明這些體細胞也像生殖細胞一樣含有個體發育、生存和繁殖的全部遺傳信息。但這些遺傳信息的表達是受到嚴格調控的，通常各組織細胞只合成其自身結構和功能所需要的蛋白質。不同組織細胞中不僅表達的基因數量不相同，而且基因表達的強度和種類也各不相同，這就是基因表達的組織特異性(tissue specificity)。例如肝細胞中涉及編碼鳥氨酸循環酶類的基因表達水平高于其它組織細胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)為肝臟所特有；胰島β細胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細胞(C細胞)專一分泌降血鈣素等。細胞特定的基因表達狀態，就決定了這個組織細胞特有的形態和功能。如果基因表達調控發生變化，細胞的形態與功能也會隨之改變，例如正常組織細胞轉化為癌瘤細胞的過程，就首先有基因表達方面的改變；人肝細胞在胚胎時期合成甲胎蛋白(alfafetal protein, AFP)，成年后就很少合成AFP了，但當肝細胞轉化成肝癌細胞時編碼AFP的基因又會開放，合成AFP的量會大幅度提高，成為肝癌早期診斷的一個重要指標；人肺組織并不合成降血鈣素，但某些肺組織細胞癌變時，合成降血鈣素的基因會開放，能分泌降血鈣素，引起血鈣降低的癥狀。

細胞分化發育的不同時期，基因表達的情況是不相同的，這就是基因表達的階段特異性(stagespecificity)。一個受精卵含有發育成一個成熟個體的全部遺傳信息，在個體發育分化的各個階段，各種基因極為有序地表達，一般在胚胎時期基因開放的數量最多，隨著分化發展，細胞中某些基因關閉(turn off)、某些基因轉向開放(turn on)，胚胎發育不同階段、不同部位的細胞中開放的基因及其開放的程度不一樣，合成蛋白質的種類和數量都不相同，顯示出基因表達調控在空間和時間上極高的有序性，從而逐步生成形態與功能各不相同、極為協調、巧妙有序的組織臟器。即使是同一個細胞，處在不同的細胞周期狀態，其基因的表達和蛋白質合成的情況也不盡相同，這種細胞生長過程中基因表達調控的變化，正是細胞生長繁殖的基礎。

從上所述，不難看出：生物的基因表達不是雜亂無章的，而是受著嚴密、精確調控的，盡我們現在對調控機理的奧妙所知還不多，但已經可以認識到，不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的，而且遺傳信息的表達調控也是生命本質所在。

二、基因表達適應環境的變化

生物只有適應環境才能生存。當周圍的營養、溫度、濕度、酸度等條件變化時，生物體就要改變自身基因表達狀況，以調整體內執行相應功能蛋白質的種類和數量，從而改變自身的代謝、活動等以適應環境。生物體內的基因調控各不相同，仔細觀察基因表達隨環境變化的情況，可以大致把基因表達分成兩類：

①組成性表達(constitutiveexpression)指不大受環境變動而變化的一類基因表達。其中某些基因表達產物是細胞或生物體整個生命過程中都持續需要而必不可少的，這類基因可稱為看家基因(housekeeping gene)，這些基因中不少是在生物個體其它組織細胞、甚至在同一物種的細胞中都是持續表達的，可以看成是細胞基本的基因表達。組成性基因表達也不是一成不變的，其表達強弱也是受一定機制調控的。

②適應性表達(adaptiveexpression)指環境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。應環境條件變化基因表達水平增高的現象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因(inducible gene)；相反，隨環境條件變化而基因表達水平降低的現象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressible gene)。

改變基因表達的情況以適應環境，在原核生物、單細胞生物中尤其顯得突出和重要，因為細胞的生存環境經常會有劇烈的變化。例如：周圍有充足的葡萄糖，細菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，當外界沒有葡萄糖時，細菌就要適應環境中存在的其它糖類(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，開放能利用這些糖的酶類基因，以滿足生長的需要。即使是內環境保持穩定的高等哺乳類，也經常要變動基因的表達來適應環境，例如與適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環境下適應生活的動物，其肝臟合成的蛋白質圖譜就有明顯的不同；長期攝取不同的食物，體內合成代謝酶類的情況也會有所不同。所以，基因表達調控是生物適應環境生存的必需。