與基因表達調(diào)控有關(guān)的幾組“子”

劉學廷

摘 要 重點比較了與基因表達有關(guān)的外顯子、內(nèi)含子、啟動子、終止子、操縱子、復(fù)制子、增強子、沉默子等概念的區(qū)別和聯(lián)系，了解它們在基因復(fù)制和表達過程中的作用。

關(guān)鍵詞 外顯子 內(nèi)含子 啟動子 終止子 操縱子

中圖分類號 Q-49 文獻標識碼 E

除少數(shù)病毒以外，絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA，DNA執(zhí)行遺傳功能的基本單位是基因，基因通過復(fù)制和表達將遺傳性狀傳遞給下一代。生物體內(nèi)基因的數(shù)目眾多、傳遞的過程復(fù)雜，但是生物體內(nèi)基因的表達過程是有條不紊地進行?；虻挠行騻鬟f除了與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與基因表達的精細調(diào)控有關(guān)。下面重點列舉與基因表達調(diào)控有關(guān)的幾組“子”，辨析它們在結(jié)構(gòu)和功能上的區(qū)別和聯(lián)系。

1 外顯子和內(nèi)含子

基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，主要由編碼區(qū)和非編碼區(qū)組成。原核生物基因的編碼區(qū)是連續(xù)的，不存在非編碼核苷酸序列，而絕大多數(shù)真核生物基因的編碼區(qū)除了編碼蛋白質(zhì)的核苷酸序列外，還存在非編碼的核苷酸序列。真核細胞基因編碼區(qū)中能夠被翻譯成蛋白質(zhì)的編碼序列稱為外顯子，而不能編碼蛋白質(zhì)的非編碼序列稱為內(nèi)含子。也就是說絕大多數(shù)真核生物基因編碼區(qū)由外顯子和內(nèi)含子組成，且外顯子和內(nèi)含子交替排列，基因兩端起始和結(jié)束均為外顯子，如果一個真核生物基因具有n個內(nèi)含子，則相應(yīng)的外顯子是是n+1個（圖1）。

真核生物基因中外顯子和內(nèi)含子在最初轉(zhuǎn)錄時均保留下來，因為它們的長度和性質(zhì)的差異，在細胞核內(nèi)不均勻，所以基因最初轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物又稱為不均一核RNA（簡稱hnRNA）。但最終內(nèi)含子部分被剪接，外顯子部分被保留，否則會影響基因的表達。不同的剪接可能產(chǎn)生不同的成熟mRNA，有的一個基因初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)剪接后所有的外顯子連接在一起形成一個成熟的mRNA，進而翻譯出一種蛋白質(zhì)。有的一個基因初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在不同的器官中剪接形成不同的成熟mRNA，從而翻譯出不同的蛋白質(zhì)。

內(nèi)含子一度被認為是無確定性質(zhì)的序列，是基因組的垃圾，但越來越多的研究者逐漸認識到內(nèi)含子有重要的生物學功能，如部分內(nèi)含子在基因表達過程中有促進基因轉(zhuǎn)錄、增加蛋白質(zhì)變異、增強基因轉(zhuǎn)錄忠實性等作用。

2 啟動子和終止子

基因的表達首先依賴于轉(zhuǎn)錄過程，無論哪個基因的轉(zhuǎn)錄均需從特定的位置開始，再到特定的位置結(jié)束，這兩個位置分別稱為啟動子和終止子。從位置上講，啟動子一般位于基因的上游，但也有一些基因的啟動子位于基因的內(nèi)部，如tRNA、5S rRNA等。若啟動子位于基因的上游，則啟動子本身并不被轉(zhuǎn)錄；若啟動子位于基因的內(nèi)部，則啟動子本身也被轉(zhuǎn)錄。從成分上講，啟動子就是一段特殊的DNA，由系列核苷酸組成；從功能上講，啟動子是RNA聚合酶特異性識別和結(jié)合的位點，從而驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄。在原核生物轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)中，RNA聚合酶能直接識別啟動子并啟動基因轉(zhuǎn)錄，而真核生物轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)中，RNA聚合酶并不能直接識別啟動子序列，還要依賴一些蛋白質(zhì)輔助因子來識別啟動子。

終止子是為轉(zhuǎn)錄過程提供終止信號的DNA序列。終止子可分為兩類：一類不依賴于蛋白質(zhì)輔助因子就能實現(xiàn)終止作用；另一類則依賴蛋白質(zhì)輔助因子才能實現(xiàn)終止作用，這種蛋白質(zhì)輔助因子稱為釋放因子。不依賴于蛋白質(zhì)輔助因子就能實現(xiàn)終止作用的基因在轉(zhuǎn)錄終止點之前有一段回文順序，回文順序的兩個重復(fù)部分由幾個堿基對組成的節(jié)段隔開，因此，這段終止子轉(zhuǎn)錄后形成的RNA具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)，并具有與A互補的一串U，因為A-U之間氫健結(jié)合較弱，因而RNA/DNA雜交部分易于拆開。這樣有利于轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物從DNA模板上釋放出來，也可使RNA聚合酶從DNA上解離下來，實現(xiàn)轉(zhuǎn)錄的終止（圖2）。

3 操縱子和復(fù)制子

操縱子由在結(jié)構(gòu)和功能上彼此相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)組成，后者包括啟動子和操縱基因。操縱子只在原核生物中存在，下面以發(fā)現(xiàn)最早的乳糖操縱子為例來說明它的結(jié)構(gòu)和工作原理。

大腸桿菌在不含乳糖的培養(yǎng)基上培養(yǎng)時，調(diào)節(jié)基因通過轉(zhuǎn)錄翻譯生成活性阻遏蛋白，它的構(gòu)像使它識別操縱基因并與之結(jié)合。一旦阻遏蛋白占據(jù)了操縱基因，RNA聚合酶就不能與啟動子結(jié)合，因而不能啟動轉(zhuǎn)錄過程，進而不能形成消化乳糖的系列酶。當培養(yǎng)基中含有乳糖時，乳糖能和阻遏蛋白結(jié)合，使后者構(gòu)像發(fā)生改變而失去活性，從而不能與操縱基因結(jié)合而從操縱基因上脫落下來，結(jié)果RNA聚合酶就能無阻攔地結(jié)合到啟動子上，進而使結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，再通過翻譯形成消化乳糖的系列酶。這樣大腸桿菌就可利用培養(yǎng)基中的乳糖進行代謝活動，一旦培養(yǎng)基中的乳糖消耗完，脫離了乳糖的阻遏蛋白又恢復(fù)了活性，又能和操作基因結(jié)合而阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，從而停止產(chǎn)生消化乳糖的系列酶（圖3）。

操縱子模型說明，酶的誘導(dǎo)和阻遏是在調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物-阻遏蛋白的作用下，通過操縱基因控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄而發(fā)生的，這種機制有利于減少物質(zhì)能量的無謂消耗，符合經(jīng)濟性原則。

復(fù)制是從DNA分子上的特定部位開始的，這一部位叫做復(fù)制原點。細胞中的DNA復(fù)制一經(jīng)開始就會連續(xù)復(fù)制下去，直至完成細胞中全部基因組DNA的復(fù)制。DNA復(fù)制從起始點開始直到終點為止，每個這樣的DNA單位稱為復(fù)制子或復(fù)制單元。在原核細胞中，每個DNA分子只有一個復(fù)制起始點，因而只有一個復(fù)制子。而在真核生物中，DNA的復(fù)制是從許多起始點開始的，所以每個DNA分子上有許多個復(fù)制子。所以復(fù)制子就是作為含有一個復(fù)制起始點的獨立復(fù)制單元的一個完整DNA分子或DNA分子上的某段區(qū)域。

4 增強子和沉默子

基因的表達除了受啟動子、調(diào)節(jié)基因等周圍的DNA序列影響外，大多數(shù)基因還受增強子的控制，增強子是位于基因上游或下游的堿基序列，增強子能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加，一個增強子的缺失可使轉(zhuǎn)錄水平降低100倍或更多。和其他與結(jié)構(gòu)基因距離較近的DNA控制元件相比，增強子的作用特點為：（1） 與結(jié)構(gòu)基因的距離可遠可近。有的增強子位于離所作用的基因上游或下游成千上萬對堿基，但它可以從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方，甚至顛倒180°；有的增強子和啟動子之間的間隔DNA還能形成環(huán)，導(dǎo)致增強子和啟動子靠得很近，進而增強轉(zhuǎn)錄能力。（2） 增強子的作用與其序列的正反方向無關(guān)，將增強子方向倒置依然能起作用。（3） 增強子必須與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合后才能發(fā)揮增強轉(zhuǎn)錄的作用。（4） 增強子只有啟動子存在時才能發(fā)揮作用，但對啟動子不具有特異性，對異源基因也具有增強功能，即增強子不具有物種特異性。

增強子提高轉(zhuǎn)錄效率的原理主要是轉(zhuǎn)錄因子和增強子結(jié)合后誘導(dǎo)染色質(zhì)或DNA結(jié)構(gòu)變化，增強子還能為轉(zhuǎn)錄因子提供進入啟動子區(qū)的位點，從而增強了基因的轉(zhuǎn)錄。

沉默子也稱為沉默子元件，是真核基因中的一種特殊的序列，與增強子作用效果相反，但原理有許多類似之處。沉默子的作用原理是與抑制基因轉(zhuǎn)錄的阻遏因子結(jié)合從而阻斷增強子或抑制轉(zhuǎn)錄因子的作用，并最終抑制該基因的轉(zhuǎn)錄活性。

總之，基因的復(fù)制和表達受多種因素的調(diào)控，其中與外顯子和內(nèi)含子、啟動子和終止子、操縱子和復(fù)制子、增強子和沉默子等有關(guān)，它們的區(qū)別和聯(lián)系見表1。

參考文獻：

[1] 吳相鈺.普通生物學[M].北京：高等教育出版社，2005：279.

[2] 靳霞，呂占軍.內(nèi)含子的進化及基因表達調(diào)節(jié)[J].生命的化學，2008，8（1）：34-35.

[3] 楊榮武.生物化學原理[M].北京：高等教育出版社，2006：672.

[4] 吳相鈺.普通生物學[M].北京：高等教育出版社，2005：73-274.endprint