基因表达调控通过蛋白质相互作用

（一）基因表达调控的多层次

在高等真核生物体内，基因表达调控是一个多层次、多阶段和多方式的复杂过程。在基因表达的全过程中均存在基因表达调控，也即转录和翻译两个阶段均受相应的调节，其中任何一个环节的调控均会引起基因表达产物水平的改变。

图12－1是真核生物基因表达调控的概况，图中共有7个位点可受到调控。细胞内某个蛋白质的浓度是体内该蛋白质合成全过程中多层次、多类型调节机制的平衡结果。首先是DNA水平的调节，遗传信息以基因的形式贮存于DNA分子中，基因拷贝数越多，其表达产物也会越多，因此基因组DNA的部分扩增（amplification）可影响基因表达。为适应某种特定需要而进行的DNA重排（rearrangement），以及DNA甲基化（methylation）等均可在遗传信息水平上影响基因表达。其二，遗传信息由DNA通过转录流向RNA的过程是基因表达调控最重要、最复杂的一个层次。其三，真核细胞中初始转录产物需经转录后加工修饰才能成为有功能的成熟RNA，并由细胞核转运至细胞质。另外，mRNA的降解速率等对这些转录后加工、修饰、转运以及代谢过程的控制也是调节某些基因表达的重要方式，如对mRNA的选择性剪接、RNA编辑等。近年来，以微RNA（miRNA）为代表的非编码RNA（non－coding RNA）对基因表达调控的作用也日益受到重视。其四，蛋白质生物合成是基因表达的最后一步，影响蛋白质合成的因素直接影响蛋白质的量。此外，翻译后加工乃至投送、蛋白质的降解等步骤均可影响该蛋白质基因表达的最终结果。由此可见，基因表达调控是一个多层次、多位点进行的过程。

图12－1 基因表达调控概况

（二）基因表达调控的协调性

细胞内某个代谢途径的多个反应除了由相应的酶系催化，还需要一些转运蛋白参与协助底物、产物等在各亚细胞器之间的转运。这些酶及转运蛋白的编码基因往往被统一调节，使参与同一代谢途径的所有蛋白质（包括酶）分子比例适当，以确保代谢途径有条不紊地进行。在特定机制调控下，功能上相关的一组基因协调性共同表达，这种调节称为协同调节（coordinate regulation）。基因的协调表达体现在多细胞生物体的生长发育全过程。

（三）基因表达调控的主要方式

尽管基因表达调控可发生在遗传信息传递过程的任何环节，但发生在转录水平，尤其是转录起始水平的调节，对基因表达起着至关重要的作用，即转录起始是基因表达的基本控制点。

真核生物转录起始的调节通常是由顺式作用元件和反式作用因子相互作用而起调节作用的。生物体基因组中除了可转录的结构基因，还有能够影响结构基因表达的调节序列，这些序列被称为顺式作用元件（cis－acting element）。另外，还有一些调节序列（基因）远离被调控的结构基因，本身可转录并翻译出特定的蛋白质分子，与被调节的DNA调节序列相互作用而发挥作用，这些蛋白质分子称为反式作用因子（trans－acting factor）。这些调节基因产物不仅能对处于同一条DNA链上的结构基因的表达进行调控，还能对不在一条DNA链上的结构基因的表达起同样的作用。这些反式作用因子以特定的方式识别和结合在顺式作用元件上，控制转录起始过程，实施基因表达调控。

有些反式作用因子具有特殊的DNA结合结构域（DNA－binding domain），能特异性识别某些DNA序列并与顺式作用元件相互作用，如DNA双螺旋结构的大沟是最常见的调节蛋白与DNA序列发生相互作用的部位；还有些反式作用因子不能够直接与DNA相互作用，而是首先形成蛋白质－蛋白质复合物，然后再与DNA结合参与基因表达的调控。蛋白质－DNA以及蛋白质－蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础。

（四）基因表达调控的生理意义

生物体对自身基因表达进行调节是为了适应环境、维持生长和细胞增殖。当培养基中含有足量的葡萄糖时，细菌中所有与葡萄糖代谢相关酶的基因体现高表达，而其他糖类代谢有关的酶基因则关闭；当培养基中缺乏葡萄糖只含有乳糖时，与乳糖代谢相关的酶基因则被诱导体现高表达，使细菌可利用乳糖供能，维持生命。高等生物也普遍存在适应性表达方式。常饮酒者其酒量会越来越大，就是由于体内乙醇代谢相关的醇氧化酶基因表达被诱导，使得该酶活性较高，表现出酒量变大。

对于多细胞生物而言，基因表达调控维持了细胞的正常分化与个体发育。真核生物基因表达的空间特异性就是基因表达调控的结果，使得细胞中的蛋白质分子种类和含量适合个体生长、发育的不同阶段，维持正常的细胞表型和发育。例如果蝇的发育主要分3个阶段：卵、幼虫（蛹）和成体果蝇。从受精卵发育成胚胎的最早期只有一组“母体基因”表达，其表达产物构成的位置信息网络决定受精卵发生头尾轴和背腹轴固定，母体基因中的dorsal等基因突变将导致胚胎背部化，即产生具有背部结构而没有腹部结构的胚胎；胚胎形成的后阶段又有3组“分节基因”按序表达，以控制蛹的“分节”发育过程，最后这些“节”分别发育为成虫的头、胸、翅膀、肢体、腹及尾等。高等哺乳类动物的各种组织和器官的发育、细胞的分化等步骤也均由特定的基因表达调控体系调控完成，当调控体系出现异常就会导致某些基因表达异常，可能会导致相应组织或器官的分化、发育异常。