第7章 基因表达的调控_课本文本

基因表达(gene expression)是指基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录
后直接产生其RNA产物(如tRNA，rRNA等)的过程。

在不同时期和不同条件下基因表达的开启或关闭以及基因活性的增加或减弱等，是受到调节控制的，这种控制被称为
基因表达的调控。

调控可以发生在基因表达的任何阶段，其中包括转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段等。

基因调控是当前分子生物学研究的中心课题，掌握了基因表达调控规律，我们手中就握有一把揭示生命奥秘的金钥匙。




基因表达的调控是通过各种元件来实现的。

顺式作用元件是指与相关基因处在同一DNA分子上，能起调控作用的DNA序列，它们一般不转录任何产物，位于基因的5’上游区、3，下游区或基因内部。顺式作用元件包括启动子、终止子、增强子、衰减子、
沉默子和各种应答元件等，它们都有顺式调控作用。

一个基因的产物，如蛋白质或RNA(tRNA、rRNA等)如果对另一个基因的表达具有调控作用，
则被称为反式作用因子。编码反式作用因子的基因与受调控的基因可在同一DNA分子上，也可不在同一
DNA分子上。

反式作用因子可通过扩散结合于细胞内不同染色体上的靶位点，因此它
们具有反式调控作用。反式作用因子的种类很多，例如转录因子(transcriptionfactor)
就是其中之一，是转录起始过程中RNA聚合酶所需的辅助因子。真核生物基因在无转
录因子存在时处于不表达状态，因为RNA聚合酶自身无法直接启动基因转录，只有当
转录因子与启动子结合后，基因才能开始转录。

基因表达调控的作用方式除了上述的顺式调控和反式调控外，还有正调控和负调
控等。例如细菌操纵子转录的负控制机制是指阻遏蛋白(repressor protein)与操纵基因
的结合，阻碍了RNA聚合酶对操纵子结构基因的转录；而当阻遏蛋白从操纵基因上脱
离后，激活蛋白(activator protein)与启动子结合以及和RNA聚合酶的相互作用则帮助
结构基因的转录起始，这就是正调控。阻遏蛋白是一种起负调控作用的反式作用因子，
而激活蛋白是一种起正调控作用的反式作用因子。


二、原核生物与真核生物的基因调控策略

原核生物的基因表达主要取决于环境因素的诱导及细胞对环境条件的适应。原核
生物是单细胞生物，直接生活在复杂多变的环境中，食物供应毫无保障，为了维持自身
的生存和繁衍，必须不断地通过对自身基因的表达调节以适应环境中的营养条件和应
付各种不利的理化因素。


相比之下，真核生物的基因表达则十分复杂，其调控系统也更
为完善。真核生物的代谢途径和食物来源都是比较

稳定的，但由于它们的绝大多数都
是多细胞的复杂有机体，在个体发育过程中出现细胞分化，形成各种组织和器官，因此
在真核生物中基因表达调控的明显特征是能在特定时间和特定细胞中激活特定基因的
表达，实现分化和发育，并使组织和器官保持正常功能。尽管许多主要的基因调控方式
是原核生物和真核生物共同具有的，但它们在调控策略上有明显的不同，在调控方式上
也存在区别。

原核生物的基因表达调控可以在DNA、转录和翻译三个不同的层次上进行，但
转录水平上的调控是最主要的，尤其是转录起始的调控，这是最经济最有效的调节
方式。环境因子往往是调控的诱导物，每个细胞对环境变化的反应都是直接和基本
一致的。例如在一般情况下，一个E. coli细胞中只有1～5个分子的β－半乳糖苷酶，
但在含有乳糖的培养液中，每个细胞这个酶的量可达到几万个分子。细胞中其他糖
代谢的酶，氨基酸和核苷酸合成系统的酶类，其合成速度和总量也是随培养条件的
变化而改变。

操纵子是原核生物转录调控的主要形式。原核生物的基因一般成簇排列构成一个
操纵子，一个操纵子中的每个基因都受单一启动子的调控。操纵子是一个转录单位，通
常每个操纵子中包括功能上密切相关的几个基因，可转录成为一个多顺反子mRNA。
由于一个基因簇被共同调控，一开俱开，一闭全闭，同时还保持各基因产物在比例上基
本相当，因此原核细胞可以对环境条件的改变迅速作出相应的反应，而不必对每个基因
逐个地进行调控。

根据操纵子对调节蛋白(如阻遏蛋白或激活蛋白)的应答，可以区别负调控系统和
正调控系统。还可以根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可以区分可诱导
操纵子和可阻遏操纵子。小分子诱导物能开启可诱导操纵子的基因转录，而小分子的
辅阻遏物能关闭可阻遏操纵子的基因转录。调节分解代谢的操纵子都属于可诱导操纵
子，调节合成代谢的操纵子都属于可阻遏操纵子。

原核细胞的DNA没有核膜包裹，因此转录和翻译可以耦联(coupled transcription
and translation)。这是原核生物中衰减子负调控的基础。不少调节氨基酸或核苷酸合
成代谢的操纵子存在衰减子结构。

原核生物中转录水平的调控形式除了操纵子以外，还有其他各种形式，例如通过
DNA重排、sigma因子的更换和分解代谢的阻遏来调节转录的起始，通过衰减子调控转录
的终止等。在翻译水平上的调控包括通过重叠基因、mRNA二级结构和反义RNA对翻
译起始的调控，通过稀有密码子对翻译延伸的调控，通过严紧反应和mRNA的稳定性
对翻

译终止的调控等。





真核生物的基因表达和调控要比原核生物复杂得多，产生差异的根本原因在于真
核细胞的结构特征。

真核细胞拥有庞大的基因组，它所携带的遗传信息量远远高于原
核生物。真核生物基因组DNA有许多重复序列，基因内部常被内含子所割裂，基因之
间又分布着大段非编码序列，真核生物的DNA常和蛋白质结合，形成十分复杂的染色
质结构。染色质构象的变化、染色质中蛋白质的变化以及染色质对DNaseI敏感性的变
化等都会对基因表达产生重要的影响。另外，真核生物的染色质包裹在细胞核内，基因
的转录发生在核内，而翻译则发生在细胞质中，转录和翻译过程在时间和空间上都被分
隔开，因此不存在原核生物中发生的衰减作用调控。核内RNA的合成和转运，细胞质
中RNA的剪接和翻译产物的加工等过程，都大大扩大了真核生物基因调控的范围，由
此形成真核基因表达的多层次调控系统。

真核基因的表达调控贯穿于从DNA到有功能蛋白质的全过程，涉及基因结构的活
化、转录的起始、RNA的加工和运输以及mRNA的翻译等多个调控点。对于多细胞的
真核生物个体而言，尽管不同种类的细胞一般都有相同的DNA，却能合成不同的蛋白
质，在细胞的分化和发育过程中，需要按照指定的程序在不同的时空环境中对特定的基
因进行活化或阻遏。

在真核生物中至今未发现操纵子的存在，真核基因不是转录成多顺反子mRNA，而
是单个地受启动子调控，而且基因在染色体上的排列同基因的功能和表达无关。真核
基因中也不存在衰减子结构。真核生物的RNA聚合酶没有sigma因子，不能直接识别启动
子，必须依靠各种蛋白因子帮助酶识别启动子，这就增加了调节的复杂性。真核基因调
控区上的各种顺式作用元件(如启动子、增强子等)和反式作用因子(转录因子等)的相
互识别可以调节转录的起始。反式作用因子通过其DNA结合域去识别和结合DNA元
件，利用其转录激活域和其他蛋白质相互作用以激活转录。通过转录因子与基因5'端
上游特定序列的专一性结合，保证目的基因以特定的强度在特定的时间和空间上获得
表达。一般来说，正调控机制在真核基因的转录中较为常见。

大部分真核生物DNA在一定的碱基(一般为胞嘧啶)上进行甲基化修饰，甲基化
程度高的基因往往无转录活性，而甲基化程度低的基因一般具有转录活性。

真核基因的表达能在RNA加工水平上进行调控。这种调节包括从RNA前体分子
上到成熟mRNA的加工过程。这种调节可选择不同的5'端起始点、3'端的加尾位点，以
及不同的内含子进行剪切，产生不同的成

熟mRNA，最终翻译成不同的蛋白质。然而在
原核生物中都不存在这种调控。

真核生物在翻译水平上也有多种形式的调控，其中mRNA 5'端和3'端的非翻译区
则是翻译效率的主要调节位点。

20世纪90年代末，随着RNA干扰机制的发现，人们开始认识微小RNA基因的调
控作用。这类内源性基因的最终产物为RNA，但比一般的RNA短得多，能诱发转最后
基因沉默，还能调节核内染色体结构与功能(包括DNA甲基化、异染色质形成、DNA剔
除等)。几乎所有的生物中都存在微小RNA基因，在高等真核生物基因组内微小RNA
基因的数量非常大，这个发现使我们对基因表达的调控研究从只有一个蛋白质元件的
世界变成了由蛋白质和RNA两种元件组成的世界，从而能够更全面地认识生命活动的
复杂性和多样性。

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八、RNA对基因表达的调控
绝大多数真核生物细胞都拥有一套由dsRNA诱发的对序列同源的mRNA产生抑
制效应的分子机制，该机制称为RNA沉默(RNA silencing)，又称转录后基因沉默(post
transcriptional gene silencing，PTGS)。引发这种基因沉默的关键分子是小的调控因子
RNA，它被称为小干扰RNA(small interfering RNA，siRNA)。在许多动物和植物等真核
生物细胞中，还存在另一种被称为微小RNA(microRNA，miRNA)的调控因子，它由细胞
内源性的基因转录后经加工产生，可诱发目的基因的沉默反应。

(一)RNA干扰与基因沉默

1. RNA干扰的发现 RNA干扰的发现纯属偶然。1995年康奈尔大学的Guo等试
图用反义RNA去干扰线虫(Celegans) par-1基因的表达。已知反义RNA可与mRNA
发生碱基互补配对而阻碍mRNA的剪接和翻译，从而抑制基因表达。令Guo感到不解
的是，除了反义RNA能诱发基因沉默，不能与mRNA发生碱基配对的正义RNA竟然同
样能抑制基因表达。1998年美国科学家Fire和MeUo等在该领域作了深入的研究，他
们将与绿色荧光蛋白(GFP)基因序列同源的dsRNA微注射到一种能转基因表达GFP
的线虫(Celegans)中，结果发现dsRNA能高效和特异性地诱发GFP基因沉默，相比之
下，纯化的反义RNA和正义RNA均只有微弱的抑制效果。因此Fire等认为，只有
dsRNA才是基因沉默的根本诱导因子，而在反义RNA技术中，并非反义RNA本身有高效
诱发基因沉默的作用，而是在制备单链RNA过程中所污染的少量的dsRNA起了关键
性的作用。这也解释了为何在Guo等实验中发现正义RNA也能有效诱发基因沉默的
原因。显然，Fire和Mello所发现的这种真核生物细胞在转录后由dsRNA诱发的序列
特异性的基因沉默是一种新的分子机制，该机制被命名为RNA干扰(RNA interference，
RNAi)，他们也因

此获得2006年诺贝尔生理学或医学奖。
RNA干扰是一种基因沉默的古老机制，它在进化中非常保守。该机制最初在线虫
中被发现，后来在真菌、植物、原生动物、无脊椎动物和脊椎动物中被证明该机制同样存
在。这与此前发现的mRNA非特异性降解的机制有着显著的区别，一些长的dsRNA
(一般长于26个核苷酸)能激活蛋白激酶R(PKR)／RNaseL／干扰素(IFN)途径，从而能
非特异性地降解mRNA，或者整体性地抑制蛋白的翻译。

而RNA干扰则是由小的dsRNA(一般为21—23个核苷酸)所引发的特异性基因沉默。RNA干扰可以在细胞间扩
散甚至还能遗传。RNA干扰的发现是近年来分子生物学领域中取得的最引入关注的
研究进展。研究表明，dsRNA首先被加工形成长度为21—23个核苷酸的双链RNA，该
RNA就是小干扰RNA(siRNA)，它随后由一系列蛋白复合物介导，对与之具有序列同
源性的基因在转录和翻译水平上进行表达调控。在不同物种中，将dsRNA导入细胞可
能诱发至少四种不同的基因沉默反应，包括mRNA降解、转录抑制、翻译抑制和染色体
重构等。

RNA干扰机制的发现推动了细胞生长发育调控的研究，并且还被用作类似于基因
敲除等定向遗传学手段进行基因功能研究。RNA干扰技术在人类重大遗传性疾病和
病毒性疾病治疗上有着应用前景。

2．RNA干扰的分子机制 由RNA干扰引起的基因沉默反应大致经历四个阶段：
①dsRNA的产生；②dsRNA被加工成为siRNA；③RISC装载siRNA；④RISC剪切mRNA。

(1)dsRNA的产生：RNAi机制中的dsRNA，根据其来源可分内源性的和外源性的
两类。前者包括细胞内源性基因的双向表达；具有反向重复序列的细胞内源性基因表
达产生的短发夹RNA(short hairpinRNA，shRNA)等。后者包括以转基因表达的mRNA
为模板，通过异常聚合作用形成dsRNA；真核生物基因组中的转座子在复制表达过程
中产生的dsRNA；RNA病毒基因组或病毒感染复制过程中产生的dsRNA中间产物；采
用化学合成的dsRNA；或用质粒或病毒载体表达所需的dsRNA等。

(2)dsRNA被加工成为siRNA：在多数情况下，dsRNA是RNAi的初始诱导因子，
但是dsRNA必须被进一步加工成长度为21—23个核苷酸的siRNA才能产生RNAi反
应。Dicer酶是对dsRNA切割所必需的蛋白，它属于RNaseⅢ家族中的第三类，包含两
个RNaseⅢ结构域和一个dsRNA结合结构域(dsRNA-binding domain，dsRBD)，另外还
有一个解旋酶结构域(heticase domain)和一个PAZ结构域(Piwi／Argonaute／Zwille
domain)。Dicer酶可能以单聚体形式催化dsRNA内切反应。体外实验表明，人重组
Dicer酶对dsRNA切割时，PAZ结构域绑定dsRNA的末端，dsRNA结合结构域绑定dsRNA
内部，随后通过两个RNaseⅢ结

构域对dsRNA的双链分别进行切割。dsRNA被切割成
长度约22个核苷酸的siRNA片段，这些小片段是双链RNA，带有5'端磷酸基团，在其
3'端有2个突出的核苷酸。Dicer酶在进化上相当保守，它在真核生物细胞中普遍
存在。


(3)RISC装载siRNA：装载siRNA的RISC(RNA-induced silencing complex，RISC)
被称为RNA诱导的沉默复合物，由多种蛋白组成，其中关键成分是具有核酸内切酶活
性的Argonaut2(Ago2)蛋白。实际上Dicer酶对dsRNA的加工和随后RISC与siRNA的
装配是一个耦联的过程。现已知道，在果蝇中RISC复合物的Ago2蛋白与Dicer酶存
在互作关系，实验还证明dsRNA结合蛋白R2D2与Dicer-2酶之间形成异二聚体，而
siRNA与该异二聚体的结合对RISC装配至关重要，因此Dieer-2／R2D2异二聚体被称
为RISC装载复合物(RISC loading complex，RLC)。当RLC完成对dsRNA的切割后，携
带着siRNA，由R2D2引导与RISC中的关键蛋白Ago2结合。实验显示，在大多数
RISC／siRNA复合物中，siRNA是以单链形式存在，这说明在RISC装配的过程中或之
后，siRNA可能发生了解链，被选择与RISC进行装配的是双链siRNA中的引导链
(guide strand)，该链将引导RISC寻找与之匹配的mRNA并进行剪切，而siRNA中的另
一条链称为过客链(passenger strand)，它从RISC复合物中游离出去，并可能被Ago2所
剪切。

(4)RISC剪切mRNA：RISC因装载着siRNA的引导链而处于激活状态，它下一步
便是寻找和识别与之匹配的mRNA，如果该mRNA与引导链之间发生充分的碱基序列
互补配对，则RISC就对mRNA进行剪切，这一过程与前面提及的对siRNA过客链的剪
切过程类似。许多结构生物学的研究表明，Ago蛋白赋予RISC对mRNA的剪切活性。
对mRNA的剪切过程本身是不依赖于ATP的，但是有ATP存在的情况下，ATP可能促
进RISC对mRNA剪切后产物的释放，或使RISC回复构象准备第二次剪切，甚至可能
同时促进这两个过程。RISC剪切mRNA的过程中，siRNA的引导链不发生大的变化，
RISC可以重复使用。RISC对mRNA剪切位点的选择呈现高度特异性，一般剪切位点
处于siRNA的5，端数起的第11个到第12个碱基相对应的位置。如果siRNA引导链与

靶mRNA之间存在有限数量碱基(4到5个碱基)的不匹配，并不会影响剪切位点的精确度，但可
能显著降低剪切的效率。mRNA被剪切后，最终由细胞质内的核酸酶将其彻底降解。
上述RNA干扰的基因沉默机制可见图7。36。


(二)微小RNA与RNA干扰
1．微小RNA的产生 在许多动物、植物等真核生物细胞中，存在着由微小RNA(miRNA)诱导
的对靶mRNA剪切或翻译抑制的现象，这与RNA干扰的分子机制极为相似。所不同的是，miRNA
是一类长度为19—25核苷酸的单链RNA(ssRNA)，它是由细胞内源性的

含有发夹结构的基因转录产物经Drosha酶和Dicer酶剪切加工所产生，可诱发
目的基因的沉默，因此miRNA是与siRNA不同的另一类基因表达调节因子。

绝大多数的miRNA基因位于基因组的基因间区(intergenic regions)，与已知基因
(或预知基因)的距离超过1kb，还有少数miRNA基因位于已知基因的内含子区域。
miRNA基因可以由自己的启动子启动转录，转录需要RNA聚合酶Ⅱ。

miRNA的产生要通过二步反应完成：①由miRNA基因转录产生的初始转录物
primiRNA首先被剪切形成前体miRNA(precursor miRNA，pre-miRNA)，这个反应在细胞核
中进行。Pri-miRNA为单链RNA通常长达几kb，含有一个或多个发夹结构。发夹结构
经核内的Drosha酶剪切产生长度60-80核苷酸的pre-miRNA。Drosha酶包含两个
RNaseⅢ结构域和一个dsRNA结合结构域；②pre-miRNA被输出到细胞质，再由Dicer
酶对它进一步加工，最终产生成熟的miRNA。在核输出的过程中，pre-miRNA必须从核
膜内由核小孔复合物(nuclearporecomplex)形成的蛋白通道中通过，其间核运输受体
exportin-5介导了pre-miRNA的核输出过程。由于pre-miRNA在结构上类似于dsRNA，
因此Dicer酶能对其进行切割加工。Dicer酶还具有解旋酶活性，能将RNA双链体解
开。在某些生物细胞中能表达多种Dicer同源蛋白，例如果蝇细胞中的Dicer-1是pre·
miRNA剪切所需要的，而Dicer-2则参与siRNA的成熟过程。
2．微小RNA可诱发基因沉默 微小RNA(miRNA)诱发基因沉默反应的过程与
MRNA诱发的RNA干扰基本相似。在siRNA诱发的RNA干扰反应中，siRNA被RISC
装载，所形成的核酸蛋白复合物被称为siRISC。与此相似的是，成熟的miRNA也与一
个蛋白复合物进行装配，该复合物被称为含有miRNA的核酸蛋白复合物(miRNA-con·
tainingribonucleoproteincomplex，miRNP)，又称miRISC。在有的生物中，心RNA和sir-
NA甚至可以共同使用一套蛋白复合物。miRNA对目的基因表达的调控方式主要有两
种，即mRNA剪切和mRNA的翻译抑制。

(三)RNA干扰能调控细胞发育和防御病毒
1．RNA干扰介导的细胞发育调控在线虫(Celegans)中，调节幼虫发育的Linl4
基因受到Lin4基因控制。Lin4基因转录物经Dicer酶切割后产生一种由22个核苷酸
组成的miRNA，然后该miRNA可以和Linl4mRNA3，端非翻译区中存在的7个重复序
列(每个重复序列由10个碱基组成)互补配对，并可能导致该mRNA的降解。因此
Lin4基因表达会抑制Linl4基因转录后的表达水平，同时暗示Linl4mRNA的3，端可能
是一个调控位点。在线虫基因组中，约有80条miRNA基因，它们在线虫发育过程中的
表达情况各不相同，很可能是基因表达的调控因子。现已发现在人类细胞中存在几百
种不同的miRNA，它们形成了一个十分

复杂的调控网络，在发育时间调控、造血细胞分
化、细胞繁殖、细胞凋亡、组织发育等过程中扮演重要的角色。另外果蝇中也发现mir—
NA调控一套特殊的基因，使其在细胞发育过程中适时表达。这说明miRNA及其相关
的RNA干扰机制在多细胞生物的发育调控中起着十分重要的作用。


2．RNA干扰和病毒防御 在20世纪90年代初就发现了植物对付病毒感染的自
然防御机制。在病毒感染植物自然诱发的PTGS(转录后基因沉默)中，病毒本身既是
RNA干扰的诱导物，又是RNA干扰的攻击目标。在自然界，超过90％的植物病毒基因
组是ssRNA，它们通过植物细胞中内源性的RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase，RdRp)进行复制。植物正是利用病毒复制产生的dsRNA中间产物诱
发RNA干扰，并通过RdRp介导机制扩增RNA干扰信号，对大量病毒作出防御。当然
病毒为了抵抗RNA干扰的攻击，普遍编码了RNA干扰的抑制蛋白，现已发现多达十几
种植物病毒的RNA干扰抑制蛋白。另外，在无脊椎动物中也发现了防御病毒的RNA
沉默机制。

现在普遍认为RNA沉默是植物和无脊椎动物主要的病毒防御机制。尽管该机制
也十分保守地存在于哺乳动物细胞中，但至今为止几乎没有发现在病毒感染哺乳动物
细胞过程中能自然诱发有效的防御病毒的RNA干扰反应。

鉴于RNA干扰效应具有快
速和高度特异性的特征，有望弥补抗病毒疫苗或抑制剂的缺陷，因此研究人员希望利用
人工方法在哺乳动物细胞中产生有效的抗病毒的RNA干扰反应。

目前RNA干扰技术
已应用于多种哺乳动物病毒的研究，包括对人类艾滋病病毒、乙型肝炎病毒、流感病毒、
丙型肝炎病毒、SARS冠状病毒和口蹄疫病毒等的研究。

初步的研究证明，在体外培养
的哺乳动物细胞中，RNA干扰技术可用于抗病毒的基因治疗。
研究表明，在转基因小鼠的肝脏中由重组腺病毒表达的HBV特异性的siRNA能使小鼠
体内的HBV基因表达降低到几乎接近于检测不到的水平，而且干扰效果持续超过26
天，这暗示，RNA干扰技术可能成为治疗慢性HBV患者或HBV携带者的一种有效
手段。

RNA干扰不仅是研究基因功能的一种强大工具，而且在不久的未来，这种技术也
许能用于直接从源头上沉默致病基因，从而可治疗癌症和病毒感染等疾病。最近国外
报道，用RNA干扰技术成功地沉默了小鼠体内的导致高胆固醇血症的基因。RNA干
扰的治疗技术正在进入人体试验阶段，不过还有一些难题有待解决：①如何在生物体内
实现有效的组织特异性的siRNA转染；②如何降低这种疗法对目的基因以外的其他基
因的影响，从而避免产生副作用；③如何实现

RNA干扰效应在细胞与细胞、组织与组织
间的系统性扩散等。