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 、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
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( constitutive expression)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 adaptive expression)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 持稳定的髙等哺乳类,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。 原核基因表达调控 细菌能随环境的变化,迅速改变某些基因表达的状态,这就是很好的基因表达调 控的实验型。人们就是从研究这种现象开始,打开认识基因表达调控分子机理的 窗口的 操纵元的提出
①组成性表达(constitutive expression)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(adaptive expression)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。 原核基因表达调控 细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调 控的实验型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的 窗口的。 一、操纵元的提出
大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当 培养基中有葡萄糖和乳糖时,细菌优先使用葡萄糖,当葡萄糖耗尽,细菌停止生 长,经过短时间的适应,就能利用乳糖,细菌继续呈指数式繁殖增长(图1)。 幽线 葡萄糖耗尽 半乳糖存在 半乳糖音齋活性 时间 图1大肠杆菌二阶段生长现象 阝一半孔糖键 HOd H HOCH - O-O/OH B-半乳糖普酶 OH H 半乳糖 dOH OH HOCH H,o y HOCH OH 葡萄 图2β-半乳糖苷酶的作用 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶:促使乳糖进入细菌的乳糖透过酶( lactose permease)催崔化乳糖分解第一步的β一半乳糖苷酶(β- galactosidase)图2)。 在环境中没有乳糖或其他β-半乳糖苷时,大肠杆菌合成β-半乳糖苷酶量极少, 加入乳糖2-3分钟后,细菌大量合成β半乳糖苷酶,其量可提高千倍以上,在 以乳糖作为唯一碳源时,菌体内的β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%
大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当 培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生 长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长(图 1)。 图 1 大肠杆菌二阶段生长现象 图 2 β-半乳糖苷酶的作用 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖进入细菌的乳糖透过酶(lactose permease)催化乳糖分解第一步的 β－半乳糖苷酶(β－galactosidase)(图 2)。 在环境中没有乳糖或其他 β-半乳糖苷时，大肠杆菌合成 β-半乳糖苷酶量极少， 加入乳糖 2－3 分钟后，细菌大量合成 β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在 以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的 β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的 3%
在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前,也能测出细菌中β-半乳糖苷酶活性 显著増髙的过程。这种典型的诱导现象,是硏究基因表达调控的极好模型 图3 Jacob和 Monod提出的lac operon模 针对大肠杆菌利用乳糖的适应现R 象,法国的 Jacob和 Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验,于1961 年提出乳糖操纵元( ac operon)学说,如图3所示。图3中z、a和b型是大肠杆 菌编码利用乳糖所需酶类的基因,p是转录z、a、b所需要的启动子,调控基因 i编码合成调控蛋白R,R能与o结合而阻碍从p开始的基因转录,所以o就是 调节基因开放的操纵序列,乳糖能改变R结构使其不能与o结合,因而乳糖浓 度增高时基因就开放,转录合成所编码的酶类,这样大肠杄菌就能适应外界乳糖 供应的变化而改变利用乳糖的状况,这个模型是人们在科学实验的基础上第一次 开始认识基因表达调控的分子机理。 二、操纵元( operon)的基本组成 乳糖操纵元模型被以后的许多硏究实验所证实,对其有了更深入的认识,并且发 现其他原核生物基因调控也有类似的操纵元组织,操纵元是原核基因表达调控的 一种重要的组织形式,大肠杆菌的基因多数以操纵元的形式组成基因表达调控的 单元。下面就以半乳糖操纵元为例子说明操纵元的最基本的组成元件( elements) (一)结构基因群 操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因( structural gene,SG)。一个 操纵元中含有2个以上的结构基因,多的可达十几个。每个结构基因是一个连续 的开放读框( open read ing frame),5端有翻译起始码①DNA存储链上是ATG,转 录成mRNA就是AUG),3端有翻译终止码①DNA存储链上是TAA、TGA或TAG, 转录成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。各结构基因头尾衔接、串连排列,组 成结构基因群。至少在第一个结构基因5侧具有核糖体结合位点( ribosome bind ing site,RBS因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA
在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中 β-半乳糖苷酶活性 显著增高的过程。这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控的极好模型。 图 3 Jacob 和 Monod 提出的 lac operon 模 针对大肠杆菌利用乳糖的适应现 象，法国的 Jacob 和 Monod 等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于 1961 年提出乳糖操纵元(lac operon)学说，如图 3 所示。图 3 中 z、a 和 b 型是大肠杆 菌编码利用乳糖所需酶类的基因，p 是转录 z、a、b 所需要的启动子，调控基因 i 编码合成调控蛋白 R，R 能与 o 结合而阻碍从 p 开始的基因转录，所以 o 就是 调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变 R 结构使其不能与 o 结合，因而乳糖浓 度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖 供应的变化而改变利用乳糖的状况，这个模型是人们在科学实验的基础上第一次 开始认识基因表达调控的分子机理。 二、操纵元(operon)的基本组成 乳糖操纵元模型被以后的许多研究实验所证实，对其有了更深入的认识，并且发 现其他原核生物基因调控也有类似的操纵元组织，操纵元是原核基因表达调控的 一种重要的组织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵元的形式组成基因表达调控的 单元。下面就以半乳糖操纵元为例子说明操纵元的最基本的组成元件(elements)。 (一)结构基因群 操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(structural gene, SG)。一个 操纵元中含有 2 个以上的结构基因，多的可达十几个。每个结构基因是一个连续 的开放读框(open reading frame)，5′端有翻译起始码(DNA 存储链上是 ATG，转 录成 mRNA 就是 AUG)，3′端有翻译终止码(DNA 存储链上是 TAA、TGA 或 TAG， 转录成 mRNA 就是 UAA、UGA 或 UAG)。各结构基因头尾衔接、串连排列，组 成结构基因群。至少在第一个结构基因 5′侧具有核糖体结合位点(ribosome binding site, RBS),因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA
就能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿mRNA移动;在合成完第一 个编码的多肽后,核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的 多肽,直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽。 乳糖操纵元含有z、y和a三个结构基因。z基因长3510bp,编码含110个氨基 酸、分子量为135,000的多肽,以四聚体形式组成有活性的β一半乳糖苷酶, 催化乳糖转变为别乳糖( allolactose),再分解为半乳糖和葡萄糖;y基因长780bp, 编码由260个氨基酸组成、分子量30000的半乳糖透过酶,促使环境中的乳糖 进入细菌;a基因长825bp,编码含275氨基酸、分子量为32000的转乙酰基 酶,以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。z基因5'侧具有大肠杆菌核糖体识 别结合位点( ribosome binding site,RBS)特征的 Shine dalgarno(SD)序列,因而当 乳糖操纵元开放时,核糖体能结合在转录产生的mRNA上。由于z、y、a三个 基因头尾相接,上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码,因而同 个核糖体能沿此转录生成的多顺反子( polycistron)mRNA移动,在翻译合成了 上一个基因编码的蛋白质后,不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA移动合成下 个基因编码的蛋白质,一气依次合成基因群所编码的所有蛋白质。 (二)启动子 启动子( promoter,P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA 序列。操纵元至少有一个启动子,一般在第一个结构基因5侧上游,控制整个结 构基因群的转录。用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合,再加入外切核 酸酶去水解DNA,结果只有被RNA聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被 水解,由此可以测出启动子的范围及其序列。虽然不同的启动子序列有所不同, 但比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列,发现有一些共同的规律, 它们一般长40-60bp,含A桾碱基对较多,某些段落是很相似的,这些相似的 保守性段落称为共有性序列( consensus secμ uences)。如图4所示,启动子一般可分 为识别(R, recognition)、结合(B, binding)和起始(I, Initiation)三个区段。转录起始 第一个碱基(通常标记位置为+1)最常见的是A;在-10bp附近有 TATAAT一组 共有序列,因为这段共有序列是 Pribnow首先发现的,称为 Pribnow盒( Pribnow box):在一35bp处又有 TTGACA一组共有序列
就能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿 mRNA 移动；在合成完第一 个编码的多肽后，核糖体可以不脱离 mRNA 而继续翻译合成下一个基因编码的 多肽，直至合成完这条多顺反子 mRNA 所编码的全部多肽。 乳糖操纵元含有 z、y 和 a 三个结构基因。z 基因长 3510bp，编码含 1170 个氨基 酸、分子量为 135，000 的多肽，以四聚体形式组成有活性的 β－半乳糖苷酶， 催化乳糖转变为别乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖；y 基因长 780bp， 编码由 260 个氨基酸组成、分子量 30 000 的半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖 进入细菌；a 基因长 825bp，编码含 275 氨基酸、分子量为 32 000 的转乙酰基 酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。z 基因 5′侧具有大肠杆菌核糖体识 别结合位点(ribosome binding site, RBS)特征的 Shine Dalgarno(SD)序列，因而当 乳糖操纵元开放时，核糖体能结合在转录产生的 mRNA 上。由于 z、y、a 三个 基因头尾相接，上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码，因而同 一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子(polycistron) mRNA 移动，在翻译合成了 上一个基因编码的蛋白质后，不从 mRNA 上掉下来而继续沿 mRNA 移动合成下 一个基因编码的蛋白质，一气依次合成基因群所编码的所有蛋白质。 (二)启动子 启动子(promoter，P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA 序列。操纵元至少有一个启动子，一般在第一个结构基因 5′侧上游，控制整个结 构基因群的转录。 用 RNA 聚合酶与分离的一段 DNA 双链混合，再加入外切核 酸酶去水解 DNA，结果只有被 RNA 聚合酶识别结合而被保护的那段 DNA 不被 水解，由此可以测出启动子的范围及其序列。虽然不同的启动子序列有所不同， 但比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列，发现有一些共同的规律， 它们一般长 40－60bp，含 A 桾碱基对较多，某些段落是很相似的，这些相似的 保守性段落称为共有性序列(consensus sequences)。如图 4 所示，启动子一般可分 为识别(R,recognition)、结合(B, binding)和起始(I, initiation)三个区段。转录起始 第一个碱基(通常标记位置为＋1)最常见的是 A；在－10bp 附近有 TATAAT 一组 共有序列，因为这段共有序列是 Pribnow 首先发现的，称为 Pribnow 盒(Pribnow box)；在－35bp 处又有 TTGACA 一组共有序列