基因表達調控的研究發展

杜靜靜 ，馮書風，馬 晨

（1.河北農業大學動物醫學院，河北保定071001；2.河北農業大學生命科學學院，河北保定071001）

基因一詞是1909年由生物學家Johansen提出來的，一開始都是用遺傳因子來表示的。而遺傳因子這一概念是1865年由孟德爾提出的，并提出了“遺傳因子”學說，但這一說法當時并沒有廣泛引起其他人的注意。[1]基因論對于遺傳學來說就相當于原子論對于物理學，都是基礎，都是不可或缺的。Watson和Criek(1953)提出的“DNA分子雙螺旋結構模型”為基因的功能和結構奠定了堅實的基礎，使人們對基因的根本得到了新的了解及新的看法[2]。根據對基因歷史的學習我們可以很明顯的看出人們對基因的認識和了解，對生命的分析看法，是經歷了一個從個體到細胞，再到分子水平的經歷。將動物的區分，人類和其他物種的差別歸因于DNA分子中的成分的組成和結構的排列上，然而這個概念的完全分子化，用來解釋生物個體間的不同，差異的時候會顯得十分勉強[3]。

基因的命名不一定非得要描述這個基因的內涵，但是要求能夠表現出這個基因的功能或者是它的特點，而且還要求簡短。基因的名字使用的時候應該像姓氏一樣便利，快捷[4]。基因的類型有很多，例如，斷裂基因、重疊基因、移動基因、假基因、基因家族等等。

Watson和Crick發現了DNA的雙螺旋結構，此發現完美地解決了以下幾個問題，基因是怎么完成復制，又是怎樣表達自己的，而且這一發現還統一地表明了基因的分子結構[5]。

DNA作為遺傳物質的重要組成成分，兩條多聚脫氧核苷酸鏈即組成DNA的基本組成成分憑借著相反的極性,相反的方向以平行的方式組合在一起構成了它的結構,兩者之間有氫鍵連接，大體是雙螺旋結構[6,7]。RNA分子與DNA分子的差異在結構上主要表現為∶（1）核苷中的核糖不同（2）其堿基中沒有胸腺嘧啶T，只有尿嘧啶U。（3）RNA分子通常是單鏈分子。（4）RNA分子活性比較高，易降解 (5)生物的遺傳物質若以DNA為主，則DNA相對RNA來說分子鏈較長但數目比較少[8,9]。

接下來要說的是基因表達調控的具體步驟，首先要分原核生物和真核生物，原核生物是單細胞生物，而且原核生物沒有核膜[10]。原核生物的基因表達調控可以分為幾個層次，如下，（1）DNA 水平（2）轉錄水平（3）轉錄后加工水平（4）翻譯水平（5）翻譯后加工水平。以上最主要的調控方式是轉錄水平上的。調控的實現主要通過操縱子，例如，乳糖操縱子和色氨酸操縱子[11]。操縱子的概念是原核生物將控制某一代謝途徑以及功能相關的一組基因連續排列協調控制他們的表達的基因[12]。在復雜的基因組中，操縱子既可以根據所需基因轉錄起始位點的不同而選擇產生不同的產物,也可以根據多種機制精細調節基因的表達水平的方式，來保證其對環境的改變[13]。編碼分散產物的DNA序列是基因的功能,基因編碼的生成物既可以是蛋白質,又可以是RNA（包含兩種是轉錄RNA和翻譯RNA）。反式作用是指游離的基因運動至它要去的場所的過程[14]。反式作用因子的概念是影響基因表達調控的蛋白因子[15]。調節基因是指既可以編碼蛋白質和RNA的基因又可以參與其他基因表達調控的過程的基因。阻遏蛋白是阻止基因的表達的一種物質。控制操縱子的基因是操縱基因[16]。

原核生物的基因表達在轉錄水平上的調控：轉錄起始調控（乳糖操縱子）（1)乳糖操縱子的結構 乳糖操縱子具有三個與乳糖代謝有關的基因：編碼β-半乳糖苷酶的是lacZ，它可將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖兩部分，除此之外，還能催化很少一部分乳糖異構化為異乳糖；還有lacY結構基因和lacA結構基因[16]。這三個結構基因可以組成一個轉錄單元。(2)乳糖操縱子的阻遏與誘導 在沒有乳糖的情況下，調節基因lacI所編碼的阻遏蛋白以四聚體的形式和操縱基因結合，阻遏了RNAPol和啟動子Plac的鏈接，因此關閉了結構基因的轉錄，使lac操縱子處于受阻礙的狀態。（3）阻遏蛋白和操縱基因的相互作用（4）葡萄糖影響乳糖操縱子的表達。轉錄終止階段的調控主要是要弱化操縱子，調控終止階段操縱子受阻遏蛋白的抑制作用被解除，但是此時仍舊受弱化子的弱化作用，之后再抗終止作用，即抗終止蛋白阻止轉錄的終止作用。

真核生物的基因表達在翻譯水平上的調控：轉錄在真核生物細胞內是發生在細胞核內的，而翻譯是發生在核糖體上的，真核生物的細胞膜將細胞分隔為不同的功能區域。具體步驟是（1）mRNA結合蛋白對翻譯的調控（2）翻譯的激活作用由翻譯激活因子來完成[17]。

基因表達調控的發展是相當迅速的，由一開始的 “遺傳因子”概念的出現到基因的出現及發展，再到現在基因表達調控的逐步探索，以及所取得的實驗成果都離不開前輩的貢獻。我們現在站在巨人的肩膀上，更應該努力學習基礎知識，豐富自己的見識，提高自己的水平，為分子生物學的發展，基因表達調控的發展盡自己的一份力。

[1]陸俏穎.遺傳、基因和進化[D].中山大學,2016.

[2]鄭用璉.基礎分子生物學[M].北京:高等教育出版社，2012.2:16-17.

[3]袁紅雨.分子生物學[M].北京:北京工業出版社，2012.7:186-187.

[4]蔣繼志,王金勝.分子生物學[M].北京:科學出版社,2011:49-50.

[5]付馨悅.”DNA分子的結構”一節的科學史及備課建議[J].生物學教學,2016,01(41):27-28.

[6]Carsten Carlberg,Ferdinand Molnar.Mechanisms of Gene Regulation[M].北京:北京工業出版社，2013.8:3-4.

[7][16]劉泉.基因表達及其調控過程的隨機動力學研究[D].華中師范大學,2007.

[8]Jian Ouyang,Li Lan,Lee Zou.Regulation of DNA break repair by transcription and RNA[J].Science China(Life Sciences),2017,60(10):1081-1086.

[9]馮豐,于建國,方維海.DNA和RNA雙鏈穩定性差異的理論研究[J].高等學校化學學報,2009,30(12):2445-2451.

[10]林元山.原核生物和真核生物的基因組及其基因表達調控的比較研究[J].懷化學院學報，2002,02(21):39-40.

[11]Semenza G L.Transcriptional regulationof gene expression:Mechanisms andpathphysiology[J].HumanMutation,1994,3(3):180-199.

[12]魏凱.基于轉錄組學探究豬基因表達特征及其調控網絡[D].石河子大學,2017.

[13]童克中.基因表達調控[M].北京:科學出版社,2001:219-221.

[14]Jiang F,Doudna J A.CRISPR-CAS9 structuresand mechanisms.Annual Review of Biophysics,2017,46(1):505-529.

[15]Freedman L P,Luisi B P.On the mechanism of DNA binding by nuclear hormone rece ptors:A structural and functional perspective[J].Journal of Cell Biochem istry,1993,1(2):140-150.

[16]張喜南.原核生物的基因表達[J].河北農業大學學報，1986,04（9）:109.

[17]郭海學,劉俊.真核生物基因結構及基因表達的調控[J].生物學教學,1999,08(24):5-6.