真核基因不同水平上的表达调控

真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次（图真核生物基因表达中可能的调控环节）。但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。（一）DNA水平的调控

DNA水平上的调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。这一类的调控机制包括基因的扩增、重排或化学修饰。其中有些改变是可逆的。

1、基因剂量与基因扩增

细胞中有些基因产物的需要量比另一些大得多，细胞保持这种特定比例的方式之一是基因组中不同基因的剂量不同。例如，有A、B两个基因，假如他们的转录、翻译效率相同，若A基因拷贝数比B基因多20 倍，则A基因产物也多20倍。组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型实例。为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数物种的基因组含有数百个组蛋白基因拷贝。

基因剂量也可经基因扩增临时增加。两栖动物如蟾蜍的卵母细胞很大，是正常体细胞的一百倍，需要合成大量核糖体。核糖体含有rRNA分子，基因组中的rRNA基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。所以在卵母细胞发育过程中，rRNA基因数目临时增加了4000倍。卵母细胞的前体同其他体细胞一样，含有约500个rRNA基因（rDNA）。在基因扩增后，rRNA基因拷贝数高达2×106。这个数目可使得卵母细胞形成1012个核糖体，以满足胚胎发育早期蛋白质大量合成的需要。

在基因扩增之前，这500个rRNA基因以串联方式排列。在发生扩增的3

周时间里，rDNA不再是一个单一连续DNA片段，而是形成大量小环即复制环，以增加基因拷贝数目。这种rRNA基因扩增发生在许多生物的卵母细胞发育过程中，包括鱼、昆虫和两栖类动物。目前对这种基因扩增的机制并不清楚。

在某些情况下，基因扩增发生在异常的细胞中。例如，人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞繁殖和生长失控。有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。

2．基因丢失

在一些低等真核生物的细胞分化过程中，有些体细胞可以通过丢失某些基因，从而达到调控基因表达的目的，这是一种极端形式的不可逆的基因调控方式。如某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育到一定阶段后，许多体细胞常常丢失整条染色体或部分染色体，而只有在将来分化生殖细胞的那些细胞中保留着整套的染色体。在马蛔虫中，个体发育到一定阶段后，体细胞中的染色体破碎，形成许多小的染色体，其中有些小染色体没有着丝粒，它们因不能在细胞分裂中正常分配而丢失，在将来形成生殖细胞的细胞中不存在染色体破碎现象。但是，基因丢失现象在高等真核生物中还未发现。

3．DNA重排（基因重排）

基因重排(gene rearrangement)是指DNA分子中核苷酸序列的重新排列。这些序列的重排可以形成新的基因，也可以调节基因的表达。这种重排是由基因组中特定的遗传信息决定的，重排后的基因序列转录成mRNA，翻译成蛋白质。

尽管基因组中的DNA序列重排并不是一种普通方式，但它是有些基因调控的重要机制，在真核生物细胞生长发育中起关键作用。

⑴酵母交配型转换。

啤酒酵母交配型转换是DNA重排的结果。酵母菌有两种交换型，分别a和α。单倍体a和α之间配合才能产生二倍体a/α，经减数分裂及产孢过程形成单倍体四分子，其中a和α的孢子的比例为2：2。如果单独培养基因型a和α的孢子，由于仅有与亲代相同的交配型基因型，所以形成的孢子之间不能发生交配。但酵母菌中有一种同宗配合交配类型，其细胞可转换成对应的交配类型，使细胞之间可发生配合。

起始的单倍体孢子（这里是α）发育成一个母细胞及一个芽细胞，芽细胞再长成子细胞。在下一次分裂后，这个母细胞及新形成的子细胞转换成对应的交配型a，结果是两个α 和两个a型细胞。相对应交配型细胞融合形成a/α二倍体合子（交配）。再经有丝分裂及产孢过程又形成单倍体孢子。这种交配型转换的基础是遗传物质的重排。控制交配型的MAT基因位于酵母菌第3染色体上，MATa 和MATα互为等位基因。含有MATa单倍体细胞为a交配型，具有MATα基因型的细胞为α交配型。MAT位点的两端，还有类似MAT基因的HMLa和HMRa 基因，他们分别位于第3染色体左臂和右臂上。这两个基因分别具有与MATα和MATa 相同的序列，但在其基因上游各有一个抑制转录起始的沉默子，所以不表达。

交换型转换是由HO内切核酸酶(HO endonuclease)的作用开始的(图8－19)。这个内切酶将MATa基因内的一段24bp的双链DNA切开，另一种核酸外切酶在双链DNA的切口，从5′到3′加工产生一段突出的3′单链尾端序列（约500个核苷酸），MATa基因用这一段单链系列插入到MATα基因的同源序列中，以HMLα序列为模板，合成一段新的HMLα基因序列，再通过重组使HMLα整合到MATa序列中，导致基因转换，由MATa转换成MATα。在这个重组过程中，有一段244bp的重组强化子(recombinant enhancer, RE)对重组起顺式调控作用，是基因转换所必须的，RE缺失则不能发生基因转换。这段RE序列也位于第3染色体左臂上，靠近HMLα位点。

MAT基因编码一种与MCM1转录因子互作的调控蛋白，控制其它基因转录。MATa和MATα基因产物对MCM1具有不同的影响，因而表现出不同的等位基因特异表达模式。在红色面包霉及其它真菌中出现的四分孢子异常比例，也是重组后产成的基因转换形成的。

（2）动物抗体基因重排

一个正常哺乳动物可产生108以上不同的抗体分子，每一种抗体具有与特定抗原结合的能力。抗体是蛋白质，每一种特异抗体具有不同的氨基酸序列。如果抗体的遗传表达是一个基因编码一条多肽链，那么一个哺乳动物就需要108

以上的基因来编码抗体，这个数目至少是整个基因组中基因数目（现在估计人类基因组中编码蛋白质的基因大概只有30000个左右）的1000倍。这是不可能实现的!

那么哺乳动物是采用什么机制形成如此众多的不同抗体分子的呢？

首先我们看一下抗体分子的结构（图抗体分子结构）。抗体包括两条分别约440个氨基酸的重链（heavy chain, H）和两条分别约214个氨基酸的轻链（light chain, L）。不同抗体分子的差别主要在重链和轻链的氨基端（N端），故将N端称为变异区（variable region, V），N端的长度约为110个氨基酸。