基因表达调控的研究发展

杜静静 ，冯书风，马 晨

（1.河北农业大学动物医学院，河北保定071001；2.河北农业大学生命科学学院，河北保定071001）

基因一词是1909年由生物学家Johansen提出来的，一开始都是用遗传因子来表示的。而遗传因子这一概念是1865年由孟德尔提出的，并提出了“遗传因子”学说，但这一说法当时并没有广泛引起其他人的注意。[1]基因论对于遗传学来说就相当于原子论对于物理学，都是基础，都是不可或缺的。Watson和Criek(1953)提出的“DNA分子双螺旋结构模型”为基因的功能和结构奠定了坚实的基础，使人们对基因的根本得到了新的了解及新的看法[2]。根据对基因历史的学习我们可以很明显的看出人们对基因的认识和了解，对生命的分析看法，是经历了一个从个体到细胞，再到分子水平的经历。将动物的区分，人类和其他物种的差别归因于DNA分子中的成分的组成和结构的排列上，然而这个概念的完全分子化，用来解释生物个体间的不同，差异的时候会显得十分勉强[3]。

基因的命名不一定非得要描述这个基因的内涵，但是要求能够表现出这个基因的功能或者是它的特点，而且还要求简短。基因的名字使用的时候应该像姓氏一样便利，快捷[4]。基因的类型有很多，例如，断裂基因、重叠基因、移动基因、假基因、基因家族等等。

Watson和Crick发现了DNA的双螺旋结构，此发现完美地解决了以下几个问题，基因是怎么完成复制，又是怎样表达自己的，而且这一发现还统一地表明了基因的分子结构[5]。

DNA作为遗传物质的重要组成成分，两条多聚脱氧核苷酸链即组成DNA的基本组成成分凭借着相反的极性,相反的方向以平行的方式组合在一起构成了它的结构,两者之间有氢键连接，大体是双螺旋结构[6,7]。RNA分子与DNA分子的差异在结构上主要表现为∶（1）核苷中的核糖不同（2）其碱基中没有胸腺嘧啶T，只有尿嘧啶U。（3）RNA分子通常是单链分子。（4）RNA分子活性比较高，易降解 (5)生物的遗传物质若以DNA为主，则DNA相对RNA来说分子链较长但数目比较少[8,9]。

接下来要说的是基因表达调控的具体步骤，首先要分原核生物和真核生物，原核生物是单细胞生物，而且原核生物没有核膜[10]。原核生物的基因表达调控可以分为几个层次，如下，（1）DNA 水平（2）转录水平（3）转录后加工水平（4）翻译水平（5）翻译后加工水平。以上最主要的调控方式是转录水平上的。调控的实现主要通过操纵子，例如，乳糖操纵子和色氨酸操纵子[11]。操纵子的概念是原核生物将控制某一代谢途径以及功能相关的一组基因连续排列协调控制他们的表达的基因[12]。在复杂的基因组中，操纵子既可以根据所需基因转录起始位点的不同而选择产生不同的产物,也可以根据多种机制精细调节基因的表达水平的方式，来保证其对环境的改变[13]。编码分散产物的DNA序列是基因的功能,基因编码的生成物既可以是蛋白质,又可以是RNA（包含两种是转录RNA和翻译RNA）。反式作用是指游离的基因运动至它要去的场所的过程[14]。反式作用因子的概念是影响基因表达调控的蛋白因子[15]。调节基因是指既可以编码蛋白质和RNA的基因又可以参与其他基因表达调控的过程的基因。阻遏蛋白是阻止基因的表达的一种物质。控制操纵子的基因是操纵基因[16]。

原核生物的基因表达在转录水平上的调控：转录起始调控（乳糖操纵子）（1)乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子具有三个与乳糖代谢有关的基因：编码β-半乳糖苷酶的是lacZ，它可将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖两部分，除此之外，还能催化很少一部分乳糖异构化为异乳糖；还有lacY结构基因和lacA结构基因[16]。这三个结构基因可以组成一个转录单元。(2)乳糖操纵子的阻遏与诱导 在没有乳糖的情况下，调节基因lacI所编码的阻遏蛋白以四聚体的形式和操纵基因结合，阻遏了RNAPol和启动子Plac的链接，因此关闭了结构基因的转录，使lac操纵子处于受阻碍的状态。（3）阻遏蛋白和操纵基因的相互作用（4）葡萄糖影响乳糖操纵子的表达。转录终止阶段的调控主要是要弱化操纵子，调控终止阶段操纵子受阻遏蛋白的抑制作用被解除，但是此时仍旧受弱化子的弱化作用，之后再抗终止作用，即抗终止蛋白阻止转录的终止作用。

真核生物的基因表达在翻译水平上的调控：转录在真核生物细胞内是发生在细胞核内的，而翻译是发生在核糖体上的，真核生物的细胞膜将细胞分隔为不同的功能区域。具体步骤是（1）mRNA结合蛋白对翻译的调控（2）翻译的激活作用由翻译激活因子来完成[17]。

基因表达调控的发展是相当迅速的，由一开始的 “遗传因子”概念的出现到基因的出现及发展，再到现在基因表达调控的逐步探索，以及所取得的实验成果都离不开前辈的贡献。我们现在站在巨人的肩膀上，更应该努力学习基础知识，丰富自己的见识，提高自己的水平，为分子生物学的发展，基因表达调控的发展尽自己的一份力。

[1]陆俏颖.遗传、基因和进化[D].中山大学,2016.

[2]郑用琏.基础分子生物学[M].北京:高等教育出版社，2012.2:16-17.

[3]袁红雨.分子生物学[M].北京:北京工业出版社，2012.7:186-187.

[4]蒋继志,王金胜.分子生物学[M].北京:科学出版社,2011:49-50.

[5]付馨悦.”DNA分子的结构”一节的科学史及备课建议[J].生物学教学,2016,01(41):27-28.

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

[7][16]刘泉.基因表达及其调控过程的随机动力学研究[D].华中师范大学,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]冯丰,于建国,方维海.DNA和RNA双链稳定性差异的理论研究[J].高等学校化学学报,2009,30(12):2445-2451.

[10]林元山.原核生物和真核生物的基因组及其基因表达调控的比较研究[J].怀化学院学报，2002,02(21):39-40.

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

[12]魏凯.基于转录组学探究猪基因表达特征及其调控网络[D].石河子大学,2017.

[13]童克中.基因表达调控[M].北京:科学出版社,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]张喜南.原核生物的基因表达[J].河北农业大学学报，1986,04（9）:109.

[17]郭海学,刘俊.真核生物基因结构及基因表达的调控[J].生物学教学,1999,08(24):5-6.