生物化学与分子生物学/基因表达调控的现象和概念

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生物化学与分子生物学

生物化学与分子生物学目录

一、基因表达调控是生命的必需

基因表达(gene expression)是指储存遗传信息基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译,产生有生物活性的蛋白质的过程。rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达,因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。

基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的,即使极简单的生物(如最简单的病毒),其基因组所含的全部基因也不是以同样的强度同时表达的。大肠杆菌基因组含有约4000个基因,一般情况下只有5-10%在高水平转录状态,其它基因有的处于较低水平的表达,有的就暂时不表达。哺乳类基因组更复杂,人的基因组约含有10万个基因,但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达,多数基因处在沉静状态,典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下,即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞,一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。

生物个体的各种组织细胞一般都有相同的染色体数目,每个细胞含的DNA量基本相近。最初经典的遗传学认为只有生殖细胞能够繁衍后代,随着科学的发展,能将植物的一些体细胞(如叶细胞)培育成为完整的植株,成年山羊的乳腺细胞在适当的条件下也能分化发育成山羊个体(克隆羊),表明这些体细胞也像生殖细胞一样含有个体发育、生存和繁殖的全部遗传信息。但这些遗传信息的表达是受到严格调控的,通常各组织细胞只合成其自身结构和功能所需要的蛋白质。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同,而且基因表达的强度和种类也各不相同,这就是基因表达的组织特异性(tissue specificity)。例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞,合成的某些酶(如精氨酸酶)为肝脏所特有;胰岛β细胞合成胰岛素甲状腺滤泡旁细胞(C细胞)专一分泌降血钙素等。细胞特定的基因表达状态,就决定了这个组织细胞特有的形态和功能。如果基因表达调控发生变化,细胞的形态与功能也会随之改变,例如正常组织细胞转化为癌瘤细胞的过程,就首先有基因表达方面的改变;人肝细胞在胚胎时期合成甲胎蛋白(alfafetal protein, AFP),成年后就很少合成AFP了,但当肝细胞转化成肝癌细胞时编码AFP的基因又会开放,合成AFP的量会大幅度提高,成为肝癌早期诊断的一个重要指标;人肺组织并不合成降血钙素,但某些肺组织细胞癌变时,合成降血钙素的基因会开放,能分泌降血钙素,引起血钙降低的症状

细胞分化发育的不同时期,基因表达的情况是不相同的,这就是基因表达的阶段特异性(stagespecificity)。一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息,在个体发育分化的各个阶段,各种基因极为有序地表达,一般在胚胎时期基因开放的数量最多,随着分化发展,细胞中某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on),胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样,合成蛋白质的种类和数量都不相同,显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性,从而逐步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织脏器。即使是同一个细胞,处在不同的细胞周期状态,其基因的表达和蛋白质合成的情况也不尽相同,这种细胞生长过程中基因表达调控的变化,正是细胞生长繁殖的基础。

从上所述,不难看出:生物的基因表达不是杂乱无章的,而是受着严密、精确调控的,尽我们现在对调控机理的奥妙所知还不多,但已经可以认识到,不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的,而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。

二、基因表达适应环境的变化

生物只有适应环境才能生存。当周围的营养、温度、湿度、酸度等条件变化时,生物体就要改变自身基因表达状况,以调整体内执行相应功能蛋白质的种类和数量,从而改变自身的代谢、活动等以适应环境。生物体内的基因调控各不相同,仔细观察基因表达随环境变化的情况,可以大致把基因表达分成两类:

①组成性表达(constitutiveexpression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的,这类基因可称为看家基因(housekeeping gene),这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的,可以看成是细胞基本的基因表达。组成性基因表达也不是一成不变的,其表达强弱也是受一定机制调控的。

②适应性表达(adaptiveexpression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction),这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene);相反,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression),相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。

改变基因表达的情况以适应环境,在原核生物单细胞生物中尤其显得突出和重要,因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。例如:周围有充足的葡萄糖细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源,不必更多去合成利用其它糖类的酶类,当外界没有葡萄糖时,细菌就要适应环境中存在的其它糖类(如乳糖半乳糖阿拉伯糖等),开放能利用这些糖的酶类基因,以满足生长的需要。即使是内环境保持稳定的高等哺乳类,也经常要变动基因的表达来适应环境,例如与适宜温度下生活相比较,在冷或热环境下适应生活的动物,其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同;长期摄取不同的食物,体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以,基因表达调控是生物适应环境生存的必需。

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