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。

不同抗体羧基端（C端）的序列非常相似，称为恒定区（constant region, C）。

抗体的轻链、重链之间和两条重链之间由二硫键连接，形成一种四链（H2L2）结构的免疫球蛋白分子。

在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。

完整的重链基因由VH、D、J和C四个基因片断组合而成，完整的轻链基因由VL、J和C三3个片段组合而成。

人的第14号染色体上具有86个重链变异区片段（VH），30个多样区片段（diverse，D），9个连接区片段（jioning，J）以及11个恒定区片段（C）。

轻链基因分为3个片段，变异区（VL），连接区(J)和恒定区(C)。

人类的轻链分为2型：κ型（Kappa轻链，κ）和λ型（Lambda轻链，λ）。

κ轻链基因位于第2号染色体上，λ轻链基因位于第22号染色体随着B淋巴细胞的发育，基因组中的抗体基因在DNA水平发生重组，形成编码抗体的完整基因（图人类抗体重链基因结构）。

在每一个重链分子重排时，首先V区段与D区段连接，然后与J区段连接，最后与C区段连接，形成一个完整的抗体重链基因。

每一个淋巴细胞中只有一种重排的抗体基因。

轻链的重排方式与重链基本相似（图人类抗体κ链基因结构），所不同的是轻链由3个不同的片断组成。

重链和轻链基因重排后转录，再翻译成蛋白质，由二硫键连接，形成抗体分子。

产生免疫球蛋白分子多样性的遗传控制：重链和轻链的不同组合，κ、λ、H；在重链中，V、D、J和C片段的组合；κ轻链中V和C的组合；λ轻链中V、J和C的组合；此外，基因片段之间的连接点也可以在几个bp的范围内移动。

因此，可以从约300个抗体基因片段中产生109 数量级的免疫球蛋白分子。

3. DNA甲基化和去甲基化在真核生物DNA分子中，少数胞嘧啶碱基第5碳上的氢可以在甲基化酶的催化下被一个甲基取代，使胞嘧啶甲基化(methylation)。

甲基化多发生在5′－CG－3′二核苷酸对上。

有时CG二核苷酸对上的两个C 都甲基化，称为完全甲基化，只有一个C甲基化称为半甲基化。

甲基化酶可识别这种半甲基化DNA分子，使另一条链上的胞嘧啶也甲基化。

DNA的甲基化可以引起基因的失活。

活跃表达的基因都是甲基化不足的基因。

表达活性与甲基化程度呈负相关。

甲基化的程度可以在转录的充分激活和完全阻遏之间起调节作用。

把甲基化和未甲基化的病毒DNA或细胞核基因分别导入活细胞，已甲基化的基因不表达，而未甲基化的能够表达。

在大鼠个体发育过程中，核内DNA甲基化的水平失不断提高的，14d的胚胎肝脏只有8％的rDNA 甲基化，18d的胚胎肝脏有30％的rDNA甲基化，而成年大鼠肝组织中rDNA的甲基化程度高达60％。

某些玉米Ac转座因子在没有任何DNA序列变化的情况下，失去了转座酶基因活性，就是因为这个基因的富含CG区域发生了高度甲基化。

经化学处理去甲基化后，又可使转座酶基因活性恢复。

（二）转录水平的调控持家基因和奢侈基因在多细胞的高等真核生物中，各种类型的细胞中都有相同的一些基因在表达，这些基因的产物是维持细胞的正常结构、运动、以及参与新成代谢等生命活动所必须的，由于它们的功能对于每一个细胞开说都是必不可少的，所以将这些基因称为持家基因（house keeping gene）。

如组蛋白基因、核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶基因等。

在哺乳动物中，持家基因大约有10000个左右。

另一类基因是组织特异性基因（tissue-specific gene）,又称为奢侈基因(luxury gene)。

这类基因与细胞的特定功能有关，是在各种组织中选择性表达的基因。

如表皮的角蛋白基因、肌细胞中的肌动蛋白基因和肌球蛋白基因等。

据估计，各类细胞中的奢侈基因的总和大于持家基因的数目。

持家基因和奢侈基因的表达调控通常发生在转录水平。

前面介绍了细菌中的基因经诱导可使表达效率提高千倍以上。

这种极端的调控水平很难发生在真核生物基因表达中（酵母菌除外）。

大多数真核生物基因经诱导可提高几倍至数十倍的表达效率。

多数真核生物基因转录水平的调控是正调控。

1、真核基因表达调控的顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)是指DNA分子上对基因表达有调节活性的特定核苷酸序列。