基因表达的调控与修饰

三、基因表达与调控

1.蛋白质的合成机构与基因表达

基因不断地进行转录和翻译，产生出各种蛋白质，通常称之为基因表达。DNA复制只在细胞分裂进行，转录则无时无刻都在进行。一方面是某些蛋白质分子需要补充，另一方面是mRNA比较不稳定。如果要进一步了解蛋白质的生化合成，这就要提及它与核糖体（ribosome）和mRNA的关系。若把mRNA比喻为一道生产流水线，核糖体（rRNA）由两个亚基组成，可视为合成蛋白的轻便机器，并且使多聚体在mRNA模板上移动。每前进一步，如同按了一个碱基三联体密码键，在半成品肽链上接一个氨基酸，每个特定氨基酸（AA）由tRNA搬动对号密码入座（图4-4）。

当到达终止密码时，核糖体、蛋白质成品和mRNA三者相脱离，而蛋白质经过必要的修饰才能表达生理功能。mRNA可以重复使用几次或衰老重新转录，而合成蛋白质的机构核糖体则需要重新装配。在高等动植物中转录下来的mRNA必须运送到细胞核外，然后在细胞质里进行蛋白质合成。这种合成必然受到生物的个体发育和外部环境条件及其组织器官的各种因子的调节，以便更有效地表达蛋白质应有的结构与功能。

2.操纵子模型

每个细胞都有一套完整的基因调控系统，使各种蛋白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境，防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过程的正常状态。但是，原核细胞和真核细胞的基因调控有着明显的区别。原核细胞表达的基因调控，比真核细胞要相对简单，这里以大肠杆菌乳糖操纵子为例来说明。

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图4-4　mRNA转录和蛋白质合成

1961年，法国分子生物学家雅各布（F.Jacob）和莫诺（J.Monod）提出乳糖操纵子模型（图4-4），用来解释大肠杆菌中酶合成的调控情况。按照他们的定义，所谓操纵子（operon）乃是一种完整的细菌基因的表达单位，系由若干结构基因、一个或数个调节基因及控制单元（操纵基因）组成。控制单元包括一个操纵基因和启动区序列。

例如，大肠杆菌乳糖操纵子，就是由3个结构基因和一个操纵基因组成。在平时，调节基因lacl转录成mRNA后再转译成一种阻遏物的蛋白质。这种蛋白质是操纵基因的抑制物，它们一旦结合，结构基因lacz、lacy和laca的作用便被关闭。于是，它们所编码的相应的3种酶，即β-半乳糖苷酶、透性酶和乙酰基转移酶合成也就停止下来。当细胞中代谢产物乳糖（lactose）累积增多而需求更多酶的时候，一种小分子诱导物产生，可以同阻遏物结合成复合物（图4-5）使之失去了与操纵基因结合的能力。于是结构基因便恢复了转录活性，从而合成出参与乳糖代谢的3种酶蛋白。

图4-5　乳糖操纵子模型

真核细胞表达的调控，比原核细胞要复杂得多，至今还没有较为系统而又为实验所证实的理论。普遍认为，真核基因的表达调控主要有三种形式：①结构基因的内部或其附近存在对基因表达起调控作用的DNA序列；②基因中某段富含CG的序列的甲基化对基因表达起调控作用；③通过染色体结构的变化控制基因的表达。一般认为，在真核基因的结构基因的上游有一个启动基因区（由增强子、启动子、TATA框组成）。下游结构基因由一些外显子和内含子组成。