其他水平的调控

除了以上所述的调控机制，真核生物的基因表达调控还体现在对转录后的调控、翻译及翻译后的调控。此外，小分子RNA对基因表达的调节机制也十分复杂。

（一）转录后的调控

真核生物基因初级转录产物的剪接、修饰等成熟加工过程的不同，以及RNA产物被运送至细胞质中去进行翻译时其稳定性及其降解过程均会影响基因表达的实际水平。转录后的调控主要通过mRNA的结构来改变其功能，并进而影响该基因的最终表达水平。

1．mRNA的稳定性 作为蛋白质生物合成的模板，mRNA的稳定性将直接影响基因表达最终环节，是转录后对基因表达进行调控的一个重要因素。真核生物mRNA分子的半寿期差别极大，长的可达数十小时以上，而短的仅有几十分钟或更短。通常调节蛋白mRNA的半寿期较短，所以这些蛋白质的水平可以随着环境的变化灵活调整，以便准确调控其他基因的表达。mRNA在细胞内的稳定性受很多因素的影响，其本身的5′－端的帽结构和3′－端的poly（A）尾巴均各有作用。前者增加mRNA的稳定性，免遭5′→3′核酸外切酶的降解作用，由此延长mRNA的半衰期；帽结构还可与相应的帽子结合蛋白结合而提高翻译的效率，并参与mRNA从细胞核向细胞质的转运。poly（A）尾巴则可防止3′→5′核酸外切酶降解mRNA，也增加了mRNA的稳定性。如果3′－端poly（A）被去除，mRNA分子将很快降解。此外，3′－端poly（A）尾巴还参与了翻译的起始过程。组蛋白mRNA没有3′－端poly（A）尾巴，但其3′－端会形成一种发夹结构，使其免受核酸酶的攻击。除了3′－端poly（A）尾巴的存在与否可改变mRNA的稳定性，还有一种蛋白质因子——ARE结合蛋白可与某些mRNA的3′－UTR的富含AU序列（AU－rich sequence，ARE）结合，促使poly（A）核酸酶切除poly（A）尾，使mRNA降解，所以含有ARE序列的mRNA的半寿期一般较短。

体内RNA通常都是与特定蛋白质结合形成核糖核蛋白（ribonucleoprotein，RNP）复合物，在核内进行后加工或者由胞核运至胞质发挥其功能。因此，核糖核蛋白复合物中的相关蛋白质含量可直接影响mRNA的运输及在胞质内的稳定性。

mRNA的稳定性有时还与其自身结构有关，如铁转运蛋白受体（transferrin receptor， Tf R）mRNA的3′－UTR有一个特殊的重复序列，称为铁反应元件（iron response element， IRE）。每个IRE大约30bp长，可形成茎环结构，环上有5个特异的核苷酸，并富含AU序列。细胞内铁含量足够时，此序列可促进Tf R mRNA降解，机制未明；当铁缺乏时，细胞内的IRE结合蛋白（IRE－binding protein，IRE－BP）可被活化，IRE－BP能识别IRE的茎环结构并与之结合，一旦IRE－BP与IRE结合就可使上述的未知机制对Tf R mRNA的促降解作用失效，从而延长Tf R mRNA的半寿期。

2．mRNA前体的选择性剪接 大多数真核生物基因所转录出的mRNA前体经过剔除内含子序列后只能有一个成熟的mRNA，并被翻译成为一条相应的多肽链。但是，有些基因的mRNA通过选择性剪接（详见第十章）的方式由一种mRNA前体产生了不同的成熟mRNA，并由此产生不同的蛋白质。这些蛋白质的功能可以相近，也可以完全不同，显示了基因调控对生物多样性的决定作用。真核mRNA前体中含有选择性剪接的加工信号。此外，还发现不同细胞、组织存在着多种RNA结合蛋白，它们的特异性决定了一种mRNA前体选择何种剪接方式以产生不同的成熟mRNA，并由此产生不同的蛋白质。因此，剪接方式也是基因表达调控的一个位点。

（二）翻译及翻译后的调控

蛋白质生物合成过程涉及众多成分，对这些参与成分的调节可使基因表达在翻译水平以及翻译后阶段得到控制。翻译水平的调节点主要在起始阶段和延长阶段，尤其是起始阶段。如对翻译起始因子活性的调节、Met－tRNAmet与小亚基结合的调节、mRNA与小亚基结合的调节等。近年来，非编码RNA对基因表达调控的影响日益受到重视。

1．对翻译起始因子活性的调节 蛋白质合成速率在很大程度上取决于起始水平，通过磷酸化调节翻译起始因子eIF的活性对起始阶段有重要的控制作用。

eIF－2参与起始Met－tRNAi的进位，其α亚基可磷酸化（cAMP依赖性蛋白激酶所催化）而失活，导致蛋白质翻译受阻。血红素能抑制cAMP依赖性蛋白激酶的活化，避免或减少了eIF－2的磷酸化，从而促进珠蛋白的合成。细胞在病毒感染时的某种抗病毒机制也是由宿主细胞产生双链RNA（double－stranded RNA，ds RNA）激活蛋白激酶，使eIF－2α磷酸化，从而抑制病毒蛋白质的合成。

相反的是，eIF－4E及其结合蛋白的磷酸化则激活翻译起始，eIF－4E的磷酸化修饰及与抑制性蛋白的结合均可调节其与mRNA帽结构的结合活性，磷酸化的eIF－4E与帽结构的亲和力4倍于非磷酸化的eIF－4E，由此提高蛋白质合成速率。胰岛素及其他一些生长因子均可使eIF－4E磷酸化而加速蛋白质合成，以促进细胞生长。同时，胰岛素还可以使一些与eIF－4E结合的抑制性蛋白磷酸化而失去与eIF－4E的结合活性，从而解除对eIF－4E的抑制，进一步加速翻译起始。

2．RNA结合蛋白的调节 RNA结合蛋白（RNA binding protein，RBP）是指能够与RNA特异序列结合的蛋白质。基因表达的众多环节包括转录终止、RNA剪接、RNA转运、RNA胞质内稳定性控制以及翻译起始等均与RBP有关。

已知IRE－BP作为特异RNA结合蛋白，在调节铁转运蛋白受体（Tf R）mRNA稳定性方面起重要作用。此外，它还参与调节铁蛋白和δ－氨基－γ－酮戊酸（δ－aminolevulinic acid，ALA）合酶这2个与铁代谢有关的蛋白质的合成。铁蛋白是体内铁的贮存形式，ALA合酶是血红素合成的限速酶。与Tf R mRNA不同，IRE位于铁蛋白及ALA合酶mRNA的5′－UTR，而且无AU富含区，故不会引起mRNA的降解。细胞内铁缺乏时，IRE－BP处于活化状态，结合IRE而阻碍40S小亚基与mRNA 5′－端起始部位结合，抑制翻译起始；铁浓度偏高时，IRE－BP失活，解除对翻译起始的抑制，铁蛋白及ALA合酶可顺利合成。

3．翻译产物的调节 新生蛋白质的半寿期与其生物学功能密切相关，因此新生肽链的水解和运输可以控制蛋白质在特定的组织、细胞或亚细胞器中的浓度。此外，蛋白质的翻译后修饰，如可逆的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，均可快速调节蛋白质活性，这也是一种基因表达的调控。

（三）小分子RNA对基因表达的调控

某些小分子RNA也可调节真核基因表达，这些RNA均属于非编码RNA（non－coding RNA，ncRNA）。小分子RNA对基因表达的调节十分复杂，目前受到广泛关注的nc RNA有：微RNA（microRNA，miRNA）和干扰小RNA（small interfering RNA，siRNA）等。

miRNA是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约22个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为70～90个碱基的单链RNA前体（pre－miRNA）经Dicer酶剪切后形成。这些成熟的mi RNA与其他蛋白质一起组装成RNA诱导的沉默复合体（RNA－induced silencing complex，RISC），通过与其靶mRNA分子的3′－UTR互补结合而抑制该mRNA分子的翻译，但机制未明。研究发现miRNA作为一类新型的调控转录后基因表达水平的小分子RNA，在不同肿瘤中既可高表达，又可低表达，很有希望成为肿瘤的诊断和判断预后的分子标记，也是抗肿瘤研究中的潜在靶点。

干扰小RNA（siRNA）是细胞内一类具有特定长度（21～23个碱基）和特定序列的小片段RNA，也可参与RISC组成，与特异的靶mRNA互补结合而使其降解，遏制蛋白质合成。这种由siRNA介导的基因表达抑制作用称为RNA干扰（RNA interference，RNAi）（图12－13）。RNAi是通过降解特异mRNA在转录后水平发生的一种基因表达调节机制，它能识别、清除外源dsRNA或同源单链RNA，是生物体本身固有的一种对抗外源基因侵害的自我保护现象。外源性dsRNA导入细胞后还能使内源性的同源mRNA降解，进而抑制相关基因的表达。人为导入特定siRNA可特异性抑制某个基因表达而不影响其基因结构，因此RNAi可作为研究基因功能、基因治疗及制药方面的一种新技术。

图12－13 RNA干扰作用

siRNA和miRNA具有一些共同的特点：均由Dicer切割产生；长度都在22个碱基左右；都与RISC形成复合体，与mRNA作用而引起基因沉默。但它们之间也存在一些差异，见表12－2。

表12－2 siRNA与miRNA的区别

除了上述siRNA和miRNA可调控基因表达外，还发现长链非编码RNA（long noncoding RNA，lncRNA）也可在表观遗传水平、转录水平和转录后水平调控基因的表达。lncRNA是一类转录本长度超过200个核苷酸的RNA分子，不直接参与基因编码和蛋白质合成，但被发现在很多生命活动中发挥了举足轻重的作用，与机体的生理和病理过程均有密切的关系。因此，对lncRNA的研究已成为当今分子生物学最热门的前沿研究领域之一。

综上所述，真核生物的基因表达调控极为复杂，且有很多尚未明了的领域。但随着研究的深入，特别是RNA组学（RNomics）的研究日渐深入，人类必将会进一步阐明基因表达调控的作用机制，尤其是ncRNA的作用机制。

（张 英）

参考文献

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［3］Nelson DL，Cox MM．Lehninger Principles of Biochemistry．6th ed．New York：W．H．Freeman and Company，2013．

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