基因的调控

3．基因的调控

按照中心法则，有机体的发育也就是DNA分子中所包含的遗传信息，在一定条件下的表达。或者说，有机体的个体发育是按照在DNA分子中以某种方式预先制定的指令（遗传程序）而进行的。这些指令在适当的条件下能促使一个细胞或某些细胞群正好在特定的时间和位置（空间）发生分化。由此看来，DNA所包含的遗传信息是有机体发育的内在根据，而体内的生理状态和各种环境因素则是发育的必要条件。至于在发育过程中，某个细胞究竟表达全部遗传潜力的哪一部分，那就要看哪些基国是开着的，哪些基因是关闭的。

大约在20世纪50年代以前，生物学家就意识到在

发育过程中，细胞分化时要打开一些基因，关闭另一些基因，才有可能让来自同一个受精卵增殖的细胞，有的发育成肺，有的发育成心脏，有的却发育四肢……很明显，在这里就有基因表达的调控问题。早在20世纪40年代，美国遗传学家麦克林托克在研究玉米籽粒颜色的高频变异时，就已注意到了基因的调控问题，用转座子学说来解释玉米籽粒颜色的遗传不稳定现象，首次提出基因调控模型，初步揭示了有机体如何设计安排基因活动的奥秘。此外，在20世纪40年代还有比德尔和塔特姆（1946年）提出的一个基因一个酶的理论，阐明基因是通过酶来控制性状发育的，进而把人们的注意力引向基因和酶的关系上来。

1961年，法国生物学家雅各布和莫诺，在研究大肠杆菌半乳糖代谢的调节机制时，提出操纵子学说进一步发展和深化了基因通过酶起作用的机理，从分子水平上创建基因调控模型，为揭示有机体的发育和细胞的分化等开拓了新思路。

按照操纵子学说，基因可分为几种类型，一是结构基因（用SG表示），它含有关于蛋白质结构的信息；二是调节基因（用RG表示），它具有调整结构基因活性的作用，能制约一种在正常情况下压制结构基因活性的阻遏物（一种小分子蛋白质）的形成；三是操纵基因（用O表示），它本身不能产生什么物质，但跟阻遏物结合后，结构基因就不能有转录作用。此外，还有一个启动基因（用P表示），它是接受RNA聚合酶的所在，是RNA聚合酶活动的起点，RNA聚合酶就是从这里开始使结构基因进行转录的。所谓操纵子就是指一系列在作用上密切相关而排列在一起的结构基因和操纵基因的总和。操纵子的开关，是与调节基因和操纵基因的作用分不开的。

大肠杆菌

举例来说，大肠杆菌能将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖。催化这一生物化学反应的酶有半乳糖苷酶、乳糖透性酶和乙酰酶。它们受控于相应的三个结构基因（分别用Z、Y、A表示）。当培养基里没有诱导物———乳糖存在时，由调节基因所产生的阻遏物便与操纵基因结合，阻止或干扰RNA聚合酶与启动基因的结合，从而使结构基因形成m－RNA的转录过程不能进行，乳糖代谢所必需的三种酶也就不能合成。当培养基里有诱导物乳糖存在时，它便立即与阻遏物结合，使其构型发生改变，失去原有的作用，这时操纵基因便开放，让RNA聚合酶结合到启动基因上，结构基因产生m－RNA的转录过程和三种酶的合成就能正常进行。一旦乳糖用尽，阻遏物又发生作用，重新关闭RNA聚合酶的通道，使结构基因的转录过程停止，酶的合成也随之告终。

雅各布和莫诺的操纵子学说，用一套调节控制系统来解释细胞为什么在一定的条件下能按需要启动或关闭某些基因。这对于我们了解基因如何通过酶的作用控制性状的发育，是很有帮助的。但是后来发现操纵子学说对于真核生物并不适用。因此对于真核生物的基因调控还是有待研究的课题。

像细菌等原核生物，它们的结构比较简单，既没有各种细胞器，也没有核膜，它们的遗传物质———DNA或RNA，是完全裸露在细胞质中的，谈不到什么染色的结构。因此，在原核生物那里，遗传信息的转移，从转录到转择是同时进行的，有时甚至复制、转录和转译是三位一体的。此外，它们的基因为数很少，并且功能相关的基因往往是紧密相连的，所以它们的基因调控均可用操纵子学说来说明。

真核生物就不一样了，它们不仅有各种细胞器，而且有核膜把DNA包围起来并形成结构复杂的染色体（由DNA、蛋白质和少量的RNA组成）。因此，真核生物在实现遗传信息的传递和表达等方面要比原核生物复杂和完善很多。比如说，真核生物的转录和转译，是分别发生在细胞核和细胞质中，这两个过程在时间上和空间上都是分开的，并且它们的转录和转译均有专用的“机床”，其产品亦需进行各种加工和修饰后，才能输送到细胞质中去。此外，真核生物的基因为数众多，从受精卵到完整的有机体，要经过复杂的分化发育过程，除了那些为了维持细胞的基本生命活动所必需的基因之外，其他不同组织的细胞中的基因总是在不同的时空序列中被活化或受阻遏。因此，真核生物的基因调控有染色体DNA水平上的基因调控、转录水平上的基因调控和转译调控等，是相当复杂的。目前生物学家正在深入地研究真核生物基因调控的奥秘。

线虫

此外，由基因调控模型使人们想到，有机体的发育和细胞分化的过程也是受基因调控的。现代生物学已阐明，多细胞有机体在胚胎发育时，生殖细胞中的全部基因都被复制并传递给各个子细胞，但大部基因没有得到表达。哪些基因得到表达决定于这个细胞在身体内的位置、所处的发育阶段以及当时的外在环境。最近几年的研究表明，每个细胞内的活性基因（开着的基因）与非活性基因（关闭着的基因）都有其特定的图式，并且这种图式会随着发育过程的进行经历顺序的变化。

据英国剑桥分子生物学实验室的研究，一种透明的线虫在其胚胎发育过程中，有一组基因在控制细胞分化的时间顺序上起着关键的作用。他们把这组基因叫做时序基因。时序基因中的某些突变，可以改变细胞谱系的发育过程，使它们比正常个体提早或推迟进行。

此外，1983年巴塞尔大学生物学中心的研究者，对果蝇的胚胎发育进行研究，发现果蝇中许多控制空间结构的基因都具有一段共同的DNA（含有一个独特的碱基顺序），他们称此为同源框。当含有同源框的基因转译成蛋白质时，同源框就会发生一段氨基酸链并连结到DNA双螺旋上去。当这个蛋白质与特定基因的DNA结合上之后，它就能使这些基因打开或关闭。如果这组基因遭到突变，成虫体节长出的结构便会出现差错，本该是长触角的位置却长出足来。后来，有人在蛙、鸡、鼠等其他生物体内，也发现了类似同源框的序列。这样，同源框的发现就为研究基因如何调控有机体的发育提供了一个重要的立足点。

果蝇的胚胎

由此看来，要想深入了解基因调控的机制，一个很重要或很关键的课题就是要搞清楚包含在DNA分子中的密码原本或测定其核苷酸排列的顺序。从20世纪60年代起就有不少科学家从事这方面的工作。如菲耳斯从1965年开始研究噬菌体MS2的RNA的结构，终于在1975年搞清了MS2的全部核苷酸的序列。继他之后又有不少的科学家测出了噬菌体φX174的DNA的全部核，序列。

人类基因组

20世纪80年代又兴起了对人类基因组的全核苷酸序列的分析。这是一项国际性的大科学计划。现在普遍的看法是人的基因组估计拥有大约见万个基因，含30亿个核苷酸对。要测定如此庞大的全核苷酸序列显然并非易事。美国准备用15年的时间，花30亿美元将其完成。一旦把人类基因组的核着酸序列搞清楚了，人们就可以绘制出一幅清晰的人类基因组图谱，并按图索骥，从简单的DNA来预测人的性状，分析哪些基因发生了突变，基因结构发生了什么样的改变，突变基因在哪条染色体上和处于什么位置等等。这样，不仅对人的遗传本性和发，作的，不正常的基因又是怎样引起疾病的等等。难怪有人把人类基因组分析比喻为彻底了解人体自身奥秘的“阿波罗”计划。

但是，也不应该忽视人类基因组分析所提供的只是一份遗传蓝图，性状发育的可能性，它并不可能完全可靠地预测所有性状的前景，因为许多性状（特别是与行为和认识有关的性状）是由遗传和环境相互作用所决定的，环境的变化可以导致遗传相似的个体沿着迥然不同的道路发育。因此，解释遗传信息的表达，如果不充分考虑这一点也是不全面的。