生物化學(xué)與分子生物學(xué)/真核基因表達調(diào)控的特點
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盡管我們現(xiàn)在對真核基因表達調(diào)控知道還不多，但與原核生物比較它具有一些明顯的特點。
(一)真核基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)更多
如前所述，基因表達是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯、產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的整個過程。同原核生物一樣，轉(zhuǎn)錄依然是真核生物基因表達調(diào)控的主要環(huán)節(jié)。但真核基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細胞核(線粒體基因的轉(zhuǎn)錄在線粒體內(nèi))，翻譯則多在胞漿，兩個過程是分開的，因此其調(diào)控增加了更多的環(huán)節(jié)和復(fù)雜性，轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控占有了更多的分量。圖19-13扼要地列出真核基因表達的各個可能的環(huán)節(jié)。
圖19－13 真核生物基因表達調(diào)控的可能環(huán)節(jié)
圖19－13總結(jié)了以前章節(jié)敘述過的基因表達過程，并作了一些新補充。圖中標出了真核細胞在分化過程中會發(fā)生基因重排(gene rearrangement)，即胚原性基因組中某些基因會再組合變化形成第二級基因。例如編碼完整抗體蛋白的基因是在淋巴細胞分化發(fā)育過程中，由原來分開的幾百個不同的可變區(qū)基因經(jīng)選擇、組合、變化，與恒定區(qū)基因一起構(gòu)成穩(wěn)定的、為特定的完整抗體蛋白編碼的可表達的基因。這種基因重排使細胞可能利用幾百個抗體基因的片段，組合變化而產(chǎn)生能編碼達108種不同抗體的基因，其中就有復(fù)雜的基因表達調(diào)控機理。
此外，真核細胞中還會發(fā)生基因擴增(geneamplification)，即基因組中的特定段落在某些情況下會復(fù)制產(chǎn)生許多拷貝。最早發(fā)現(xiàn)的是蛙的成熟卵細胞在受精后的發(fā)育過程中其rRNA基因(可稱為rDNA)可擴增2000倍，以后發(fā)現(xiàn)其他動物的卵細胞也有同樣的情況，這很顯然適合了受精后迅速發(fā)育分裂要合成大量蛋白質(zhì)，需要有大量核糖體。又如MTX(methotrexate)是葉酸的結(jié)構(gòu)類似物，一些哺乳類細胞會對含有利用葉酸所必需的二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase, DHFR)基因的DNA區(qū)段擴增40?00倍，使DHFR的表達量顯著增加，從而提高對MTX的抗性。基因的擴增無疑能夠大幅度提高基因表達產(chǎn)物的量，但這種調(diào)控機理至今還不清楚。
(二)真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)
真核基因組DNA絕大部分都在細胞核內(nèi)與組蛋白等結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)中NA和組蛋白的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都影響轉(zhuǎn)錄，至少有以下現(xiàn)象：
1.染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄 細胞分裂時染色體的大部分到間期時松開分散在核內(nèi)，稱為常染色質(zhì)(euchromatin)，松散的染色質(zhì)中的基因可以轉(zhuǎn)錄。染色體中的某些區(qū)段到分裂期后不像其他部分解旋松開，仍保持緊湊折疊的結(jié)構(gòu)，在間期核中可以看到其濃集的斑塊，稱為異染色質(zhì)(heterochromatin)，其中從未見有基因轉(zhuǎn)錄表達；原本在常染色質(zhì)中表達的基因如移到異染色質(zhì)內(nèi)也會停止表達；哺乳類雌體細胞2條X染色體，到間期一條變成異染色質(zhì)者，這條X染色體上的基因就全部失活?？梢娋o密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)阻止基因表達。
2.組蛋白的作用 早期體外實驗觀察到組蛋白與DNA結(jié)合阻止DNA上基因的轉(zhuǎn)錄，去除組蛋基因又能夠轉(zhuǎn)錄。組蛋白是堿性蛋白質(zhì)，帶正電荷，可與DNA鏈上帶負電荷的磷酸基相結(jié)合，從而遮蔽了DNA分子，妨礙了轉(zhuǎn)錄，可能扮演了非特異性阻遏蛋白的作用；染色質(zhì)中的非組蛋白成分具有組織細胞特異性，可能消除組蛋白的阻遏，起到特異性的去阻遏促轉(zhuǎn)錄作用。
發(fā)現(xiàn)核小體后，進一步觀察核小體結(jié)構(gòu)與基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)活躍轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)段，有富含賴氨酸的組蛋白(H1組蛋白)水平降低，H2A.H2B組蛋白二聚體不穩(wěn)定性增加、組蛋白乙酰化(acetylation)和泛素化(ubiquitination)，以及H3組蛋白巰基化等現(xiàn)象，這些都是核小體不穩(wěn)定或解體的因素或指征。轉(zhuǎn)錄活躍的區(qū)域也常缺乏核小體的結(jié)構(gòu)。這些都表明核小體結(jié)構(gòu)影響基因轉(zhuǎn)錄。
3.轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域?qū)?a href="/w/%E6%A0%B8%E9%85%B8%E9%85%B6" title="核酸酶">核酸酶作用敏感度增加 染色質(zhì)DNA受DNase Ⅰ作用通常會被降解成00、400……bp的片段，反映了完整的核小體規(guī)則的重復(fù)結(jié)構(gòu)。但活躍進行轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域受DNase Ⅰ消化常出現(xiàn)100－200bp的DNA片段，且長短不均一，說明其DNA受組蛋白掩蓋的結(jié)構(gòu)有變化，出現(xiàn)了對DNase Ⅰ高敏感點(hypersensitive site)。這種高敏感點常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄基因的5′側(cè)區(qū)(5′flanking region)、3′末端或在基因上，多在調(diào)控蛋白結(jié)合位點的附近，分析該區(qū)域核小體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能有利于調(diào)控蛋白結(jié)合而促進轉(zhuǎn)錄。
4.DNA拓撲結(jié)構(gòu)變化 天然雙鏈DNA的構(gòu)象大多是負性超螺旋。當(dāng)基因活躍轉(zhuǎn)錄時，RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄方向前方DNA的構(gòu)象是正性超螺旋，其后面的DNA為負性超螺旋。正性超螺旋會拆散核小體，有利于RNA聚合酶向前移動轉(zhuǎn)錄；而負性超螺旋則有利于核小體的再形成。
5.DNA堿基修飾變化 真核DNA中的胞嘧啶約有5%被甲基化為5甲基胞嘧啶(5methylcytidine,m5C)，而活躍轉(zhuǎn)錄的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常較低。這種甲基化最常發(fā)生在某些基因5′側(cè)區(qū)的CpG序列中，實驗表明這段序列甲基化可使其后的基因不能轉(zhuǎn)錄，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)錄。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常發(fā)育而死亡，可見DNA的甲基化對基因表達調(diào)控是重要的。
由此可見，染色質(zhì)中的基因轉(zhuǎn)錄前先要有一個被激活的過程，但目前對激活機制還缺乏認識。
(三)真核基因表達以正性調(diào)控為主
真核RNA聚合酶對啟動子的親和力很低，基本上不依靠自身來起始轉(zhuǎn)錄，需要依賴多種激活蛋白的協(xié)同作用。真核基因調(diào)控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負性調(diào)控組件，但其存在并不普遍；真核基因轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以激活蛋白的作用為主。即多數(shù)真核基因在沒有調(diào)控蛋白作用時是不轉(zhuǎn)錄的，需要表達時就要有激活的蛋白質(zhì)來促進轉(zhuǎn)錄。換言之：真核基因表達以正性調(diào)控為主導(dǎo)。
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