基因表達(dá)調(diào)控及表觀遺傳學(xué)

第九章基因表達(dá)調(diào)控及表觀遺傳學(xué)

基因表達(dá)是指基因通過轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯而產(chǎn)生蛋白質(zhì)產(chǎn)物或轉(zhuǎn)錄后直接產(chǎn)生其RNA終產(chǎn)物如rRNA，tRNA等的過程。在這一過程中，基因的啟動(dòng)和關(guān)閉、活性的增加與減弱等都是受到嚴(yán)格的調(diào)控的?；虮磉_(dá)調(diào)控：細(xì)胞用來控制各基因產(chǎn)物的量及產(chǎn)出的時(shí)間和表達(dá)的空間。。不同類型的細(xì)胞在不同的發(fā)育階段和不同的環(huán)境需求而需要表達(dá)不同的信息，這就需要9.1基因表達(dá)調(diào)控的多水平性

調(diào)控點(diǎn)：

1)轉(zhuǎn)錄前調(diào)控2)轉(zhuǎn)錄調(diào)控3)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控a.RNA加工調(diào)控：控制初級轉(zhuǎn)錄物如何及何時(shí)進(jìn)行剪接形成可用的mRNAb.翻譯調(diào)控：確立哪些mRNA轉(zhuǎn)譯成蛋白及何時(shí)轉(zhuǎn)譯c.mRNA降解調(diào)控：影響某些mRNA種類的穩(wěn)定性d.蛋白質(zhì)活性調(diào)控：選擇性地使某些特異蛋白分子激活/失活/修改/區(qū)域化，從而影響蛋白怎樣或何時(shí)起作用

9.2原核基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn):調(diào)控主要是在轉(zhuǎn)錄水平上。原核細(xì)胞基因組的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：多數(shù)基因都按功能的相關(guān)性，將有關(guān)的基因成群連鎖在一起，組成轉(zhuǎn)錄單元，協(xié)調(diào)地控制其轉(zhuǎn)錄，生成單個(gè)的多順反子mRNA，最后轉(zhuǎn)譯成各個(gè)相應(yīng)的蛋白質(zhì)。9.2.1乳糖操縱子(lactoseoperon)

理解基因表達(dá)調(diào)控的先驅(qū)工作－－乳糖操縱子。E.coli對乳糖代謝的調(diào)控，由F.Jacob和J.Monod于1961年提出。E.coliβ-半乳糖苷酶合成受葡萄糖調(diào)節(jié)的過程當(dāng)培養(yǎng)基中葡萄糖用盡而存在乳糖時(shí)，大量合成β-半乳糖苷酶；當(dāng)再次加回葡萄糖時(shí)，停止β-半乳糖苷酶的合成?？梢钥闯觯珽.coli能夠?qū)Νh(huán)境的變化作出反應(yīng)，打開或者關(guān)閉某一特定的基因。E.coli細(xì)胞代謝乳糖需要兩種酶：

β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透膜酶只有當(dāng)培養(yǎng)基中以乳糖作為唯一碳源消耗時(shí)才合成這些酶，在不需要利用乳糖時(shí)就不合成，以節(jié)省能量。概念：誘導(dǎo)基因

組成型基因

結(jié)構(gòu)基因—編碼蛋白質(zhì)的基因，包括酶，機(jī)體組織成分等。

調(diào)節(jié)基因—控制結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始和產(chǎn)物合成速率的基因，其蛋白起調(diào)控作用。在有誘導(dǎo)物如乳糖存在時(shí)，能刺激其表達(dá)的基因總是能表達(dá)，且其合成速率不受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)影響的基因β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷透膜酶乙酰轉(zhuǎn)移酶乳糖誘導(dǎo)zyaZYA組成型突變株中，不管是否有乳糖存在，三種酶都可大量表達(dá).推測這三種酶的合成受一個(gè)共同的調(diào)節(jié)基因i控制ZYA調(diào)節(jié)基因i是如何調(diào)節(jié)3個(gè)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)的呢？乳糖代謝的相關(guān)基因圖譜調(diào)節(jié)基因在機(jī)能上有活性或者被抑制，由位于鄰接于結(jié)構(gòu)基因一端的操縱基因（operatorgene）所控制。在單一操縱基因控制下的這樣一群鄰接的結(jié)構(gòu)基因，稱之為操縱子（operon），是基因表達(dá)的協(xié)同單位。操縱子的控制區(qū)包括操縱基因、啟動(dòng)子等組成。乳糖操縱子的作用機(jī)制在缺乏乳糖分子存在時(shí)（上半部分）和有乳糖分子時(shí)（下半部分）問題：lacI－中，為什么無論有否乳糖分子存在，3個(gè)結(jié)構(gòu)基因均大量表達(dá)？正調(diào)控：是指沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)，基因是關(guān)閉的，當(dāng)加入調(diào)節(jié)蛋白分子后，基因活性開啟，能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。負(fù)調(diào)控：在無調(diào)節(jié)蛋白時(shí)基因表達(dá)具有轉(zhuǎn)錄活性，一旦加入調(diào)節(jié)蛋白，則基因活性被關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄受到抑制。由調(diào)節(jié)基因i產(chǎn)生的阻礙蛋白屬于什么調(diào)控？誘導(dǎo)(induction)、誘導(dǎo)物(inductor)、阻遏(repression)、阻遏物(repressor)阻礙蛋白與操縱基因的結(jié)合是如何阻止操縱子轉(zhuǎn)錄的呢？操縱基因啟動(dòng)子-RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)阻礙蛋白RNA聚合酶RNA聚合酶與阻礙蛋白的結(jié)合位點(diǎn)重疊產(chǎn)生競爭序列分析表明，操縱基因位于-5~+21bp間，RNA聚合酶保護(hù)區(qū)域在-48~+5bp間，也就是說，RNA聚合酶和阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)是重疊的。阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合即會阻止RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，從而抑制操縱子基因的表達(dá)。E.coli為什么優(yōu)先利用葡萄糖呢？RNA聚合酶在lac起動(dòng)子起始RNA合成時(shí)需要cAMP受體蛋白(CRP)的協(xié)助。無葡萄糖時(shí)ATPcAMP

CRP-cAMP激活轉(zhuǎn)錄腺苷酸環(huán)化酶ATPcAMP

CRP-cAMP不能轉(zhuǎn)錄腺苷酸環(huán)化酶失活G葡萄糖存在時(shí)思考：如果CRP基因發(fā)生突變，lac操縱子的活性怎樣？綜上所述，乳糖操縱子的調(diào)節(jié)作用歸納如下：無誘導(dǎo)物時(shí)，轉(zhuǎn)錄作用被調(diào)節(jié)基因所產(chǎn)生的阻遏蛋白阻斷。加入誘導(dǎo)物后，誘導(dǎo)物與阻遏蛋白形成復(fù)合物使阻遏蛋白失活，基因開放，轉(zhuǎn)錄出多順反子mRNA，翻譯出3種相關(guān)酶。CRP-cAMP復(fù)合物與CRP位點(diǎn)的結(jié)合創(chuàng)造了RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合的條件，促進(jìn)基因的表達(dá)和轉(zhuǎn)錄的起始。CRP-cAMP是一個(gè)正調(diào)節(jié)因子，它與作為負(fù)調(diào)節(jié)因子的阻遏蛋白表現(xiàn)相反的調(diào)節(jié)作用。負(fù)控制阻遏體系是指代謝產(chǎn)物與阻遏物結(jié)合，導(dǎo)致阻遏物的激活并與操縱基因結(jié)合，使基因關(guān)閉，酶不能合成。這種類型的操縱子常見于與合成代謝有關(guān)的操縱子。負(fù)控制阻遏體系研究得較多的是大腸桿菌的色氨酸（trp）操縱子。9.2.2色氨酸操縱子(tryptophanoperon)

色氨酸操縱子調(diào)節(jié)基因表達(dá)調(diào)節(jié)基因通過這種調(diào)控方式，細(xì)胞只在需要Trp時(shí)才制造Trp，這是Trp操縱子在第一水平上的調(diào)控。問題：如果調(diào)節(jié)基因trpR突變，會怎樣？在缺乏色氨酸的狀態(tài)下，色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄速率是在有色氨酸存在的狀態(tài)下的70倍。

由此可見，色氨酸操縱子在第一水平上調(diào)控的重要性。在調(diào)節(jié)基因trpR突變?nèi)狈ψ瓒舻鞍椎那闆r下，不管是否存在色氨酸，都應(yīng)該會大量合成色氨酸。然而發(fā)現(xiàn)，即使這時(shí)添加色氨酸到培養(yǎng)基上，色氨酸生物合成酶的合成速率仍然減少了10倍，為什么？原來色氨酸操縱子存在第二水平上的調(diào)控。這是由色氨酸操縱子中一段叫弱化子（attenuator）的序列的作用所造成的。乳糖操縱子中，基因表達(dá)水平由操縱基因和阻遏物控制。然而在色氨酸操縱子中，弱化機(jī)制的加入使基因表達(dá)調(diào)控達(dá)到更高一級的水平。細(xì)菌通過弱化作用輔助了阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始，對于已經(jīng)起始了的轉(zhuǎn)錄，則只能通過弱化作用使它中途停頓下來。阻遏作用的信號是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少，而弱化作用的信號則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA。對多順反子trp操縱子的mRNA測序后發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因（trpE）5′端有一個(gè)長162bp的前導(dǎo)序列。當(dāng)前導(dǎo)序列發(fā)生部分缺失或突變時(shí)，所產(chǎn)生的mRNA總是最高水平，對操縱子的阻遏不起作用。Yanofsky稱控制這種現(xiàn)象的序列為弱化子。即如果有較高水平的Trp存在，前導(dǎo)肽就容易生成，這時(shí)長的Trp操縱子mRNA就不能完成，如果缺乏Trp

，前導(dǎo)肽就不容易生成，這時(shí)Trp操縱子mRNA就能合成，從而轉(zhuǎn)錄出Trp合成相關(guān)的酶。前導(dǎo)區(qū)轉(zhuǎn)錄物中存在一起始密碼子和終止密碼子，意味著這一段RNA能轉(zhuǎn)譯出一個(gè)14肽—前導(dǎo)肽。在這14肽中竟然有兩個(gè)相鄰的Trp（在E.coli中屬稀有氨基酸，約1/100），這兩個(gè)相鄰的Trp密碼子對于mRNA的折疊有關(guān)鍵作用，由它們決定了下游的結(jié)構(gòu)基因是否轉(zhuǎn)錄。在162個(gè)核苷酸的前導(dǎo)序列中，除了前導(dǎo)肽編碼序列外，另外還包含有4個(gè)能進(jìn)行核苷酸互補(bǔ)配對的片段：①區(qū)、②區(qū)、③區(qū)和④區(qū)。①區(qū)能和②區(qū)配對、②區(qū)能和③區(qū)配對、③區(qū)能和④區(qū)配對，從而使前導(dǎo)序列形成二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)形變化。前導(dǎo)區(qū)的功能并不是由于它產(chǎn)生了某種基因產(chǎn)物，它與trpR基因的作用方式（通過其基因產(chǎn)物反式作用）不同，它僅作用于同一染色體上的結(jié)構(gòu)基因而不涉及其它染色體上的基因。弱化作用調(diào)控的實(shí)質(zhì)是以轉(zhuǎn)譯手段來控制基因轉(zhuǎn)錄的。③區(qū)和④區(qū)配對形成轉(zhuǎn)錄終止子結(jié)構(gòu)，一旦形成，RNA及RNA聚合酶就從DNA上釋放出來，轉(zhuǎn)錄終止。原核生物操縱子模型曾給科學(xué)工作者以鼓舞，以為可以解釋多數(shù)生物的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制。但多年的努力尚未能在真核生物基因表達(dá)中確認(rèn)有任何操縱基因、阻遏蛋白、CRP結(jié)合位點(diǎn)等的存在。真核生物基因基本上都是單順反子的，有多種RNA聚合酶，且功能各不相同，另外，真核生物在基因水平、染色質(zhì)水平和細(xì)胞水平上結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也非原核生物所比。經(jīng)典的操縱子學(xué)說不適用于真核生物真核生物特別是多細(xì)胞高等生物基因組與原核生物比較的特點(diǎn)：大而結(jié)構(gòu)復(fù)雜；DNA與組蛋白組成染色體，具各種重復(fù)序列；核結(jié)構(gòu)將基因的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯分隔在細(xì)胞的不同區(qū)域；個(gè)體由功能差別很大的不同組織器官構(gòu)成；不同發(fā)育階段具有明顯不同的特征。這表明真核基因的表達(dá)調(diào)控比原核基因的表達(dá)調(diào)控更為復(fù)雜多樣。9.3真核基因的表達(dá)調(diào)控真核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)是細(xì)胞的全能性和基因表達(dá)的時(shí)空性?？醇一颍╤ousekeepinggenes）：負(fù)責(zé)合成一些與維持細(xì)胞生命及增殖所必需的一些蛋白質(zhì)如組蛋白、核糖體蛋白、代謝酶、結(jié)構(gòu)蛋白等的基因。也就是說，在各類不同的細(xì)胞中均表達(dá)的一組基因，高等真核生物中其數(shù)目約在10000左右。基因表達(dá)調(diào)控是指對除看家基因以外的基因的表達(dá)調(diào)控。9.3.1染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)調(diào)控真核生物的重要特征之一是其核基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，形成以核小體為基本單位的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)而存在于細(xì)胞核內(nèi)。

轉(zhuǎn)錄活性存在于一種疏松結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)中。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)在有潛在轉(zhuǎn)錄活性的形式（常染色質(zhì)，euchromatin）和轉(zhuǎn)錄抑制凝聚狀態(tài)（異染色質(zhì)，heterochromatin）間轉(zhuǎn)換。組蛋白與非組蛋白對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控模型真核生物染色體DNA與大量的組蛋白和非組蛋白結(jié)合。組蛋白與DNA結(jié)合可通過束縛DNA而抑制基因轉(zhuǎn)錄；非組蛋白磷酸化后帶負(fù)電荷，與組蛋白結(jié)合，從而起始轉(zhuǎn)錄。由此可見，組蛋白在染色質(zhì)水平的基因表達(dá)調(diào)控中起重要作用。染色質(zhì)的螺旋化程度與DNA轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)?；罨c未活化基因的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)明顯不同，活化基因位于開放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)中并對DNaseI高度敏感，而染色質(zhì)緊密的超螺旋結(jié)構(gòu)限制了轉(zhuǎn)錄因子對DNA的接近與結(jié)合，從而抑制基因的轉(zhuǎn)錄過程。基因的活化和轉(zhuǎn)錄需要染色質(zhì)發(fā)生一系列變化，如染色質(zhì)去凝集、核小體變成開放式疏松結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)錄因子等更易接近到核小體DNA。染色質(zhì)這種結(jié)構(gòu)的變化叫染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）。起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用的轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)模式的建立和維持需染色質(zhì)重塑。外界和胞內(nèi)信號介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑調(diào)控基因表達(dá)，并最終調(diào)控細(xì)胞的分化和個(gè)體的發(fā)育。然而，染色質(zhì)狀態(tài)的改變并不等于該處的基因一定被轉(zhuǎn)錄，而只是為轉(zhuǎn)錄創(chuàng)造了條件。9.3.2DNA結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的影響

在DNA大分子的一級結(jié)構(gòu)序列之中攜帶有DNA大分子能夠與某些外來分子結(jié)合、導(dǎo)致構(gòu)象改變的信息。也就是說，DNA分子的核苷酸序列不僅帶有編碼信息，也帶有構(gòu)象信息。某一基因表達(dá)與否及表達(dá)效率的高低既與DNA的一級結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與DNA的高級結(jié)構(gòu)有關(guān)。9.3.2DNA結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的影響癌細(xì)胞可以無休止的增殖，而衰老細(xì)胞則生長緩慢或根本不能增殖。研究發(fā)現(xiàn)，某些癌細(xì)胞DNA比正常細(xì)胞DNA有更高的超螺旋度，而正常人體細(xì)胞DNA的超螺程度會隨細(xì)胞年齡增加而下降。這些都表明DNA的超螺旋度有重要的生理功能，可能與基因表達(dá)有關(guān)。在任何細(xì)胞中，凡需表達(dá)的基因，其超螺旋度需恰好符合該段DNA解鏈的要求，允許RNA聚合酶與之結(jié)合并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄；而那些暫不需要表達(dá)的基因，則都以不適合解鏈的超螺旋度存在，因而不被轉(zhuǎn)錄，也就是說DNA的超螺旋度適合與否決定基因能否表達(dá)，就象“開關(guān)”一樣決定著基因的命運(yùn)。9.3.3基因數(shù)目及其重排方式調(diào)控基因表達(dá)在個(gè)體發(fā)育的某一階段或細(xì)胞分化過程中急需某種蛋白質(zhì)，或?yàn)榱藢鼓承┉h(huán)境因素時(shí)，細(xì)胞會以基因擴(kuò)增的方式調(diào)節(jié)基因表達(dá)。例如，非洲爪蟾的卵母細(xì)胞在大量合成蛋白質(zhì)時(shí)，細(xì)胞中的rDNA基因拷貝數(shù)由平時(shí)的1500拷貝擴(kuò)增為2×106拷貝，胚胎期開始時(shí)，這些增加的rDNA便失去功能并逐漸消失；某些腫瘤細(xì)胞中的癌基因也會通過基因擴(kuò)增方式提高活性?；騺G失也是DNA水平基因表達(dá)調(diào)控的一種形式。例如，小麥癭蚊在卵裂時(shí)，卵的一端細(xì)胞保持完整基因組的全部40條染色體，并由這些細(xì)胞產(chǎn)生生殖細(xì)胞，而卵另一端的細(xì)胞則只保留8條染色體；馬蛔蟲在前四次卵裂中，體細(xì)胞均有部分染色質(zhì)消減。染色體上基因的重排是DNA水平基因表達(dá)調(diào)控的另一形式，也叫體細(xì)胞重排（somaticrecombination），是抗體多樣性發(fā)生的機(jī)制之一。通過體細(xì)胞重排，淋巴細(xì)胞前體細(xì)胞中的DNA序列被剪接，形成重排的基因，從而產(chǎn)生高度的抗體多樣性，以對抗自然界不同的抗原。X基因調(diào)控區(qū)示意圖9.3.4調(diào)控序列和調(diào)控蛋白的調(diào)控真核細(xì)胞的一個(gè)基因調(diào)控區(qū)包括啟動(dòng)子及對其調(diào)控的所有的調(diào)控序列。這些調(diào)控序列距離啟動(dòng)子或遠(yuǎn)或近，多數(shù)在基因的上游，也有的在下游。在高等真核細(xì)胞中一個(gè)基因的調(diào)控序列往往擴(kuò)展達(dá)50kb之長，其中常間以不被調(diào)控蛋白所識別的空檔區(qū)（spacer）。調(diào)控蛋白的調(diào)控：真核生物的三種RNA聚合酶都不能直接結(jié)合DNA元件，需要其他因子的輔助才能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。真核生物的調(diào)控元件可被不同的轉(zhuǎn)錄因子及調(diào)控蛋白所識別和結(jié)合來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄。調(diào)控蛋白多達(dá)數(shù)千種，結(jié)合在基因上、下游的調(diào)控區(qū)，但在細(xì)胞中的含量不多。不同細(xì)胞類型或基因往往需要不同的調(diào)控蛋白，它們對DNA序列的識別有特異性，這種特異性依靠調(diào)控因子對DNA結(jié)合基序的結(jié)合實(shí)現(xiàn)。真核細(xì)胞抑制蛋白調(diào)控基因表達(dá)的作用機(jī)制圖解①與活化蛋白競爭結(jié)合位點(diǎn)；②掩蓋活化蛋白的活化表面；③直接地與轉(zhuǎn)錄因子相作用而起抑制作用。

調(diào)控蛋白抑制蛋白（負(fù)調(diào)控）：它們不直接與RNA聚合酶競爭DNA結(jié)合位點(diǎn)。大約有三種作用的機(jī)制?；罨鞍祝ㄕ{(diào)控）：至少具有2個(gè)不同的功能區(qū)域，一個(gè)區(qū)域?yàn)樽R別特異DNA調(diào)控序列并與之結(jié)合的結(jié)構(gòu)基序，另一個(gè)區(qū)域則是與啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)接觸并加速轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)的活化區(qū)域。9.3.5非編碼RNA的調(diào)控根據(jù)RNA是否含有編碼蛋白質(zhì)信息將RNA分為mRNA和非編碼RNA（noncodingRNA，ncRNA），在真核生物中97%的轉(zhuǎn)錄本為ncRNA，它可以由它們自己的基因（RNA基因）編碼，也可以從mRNA的內(nèi)含子等產(chǎn)生。看家RNA一般屬于組成型表達(dá)，是細(xì)胞生存以及基本功能所必須的，主要有rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA和端粒RNA等。調(diào)控RNA一般在組織發(fā)育或細(xì)胞分化的特定階段表達(dá)或?qū)Νh(huán)境的應(yīng)激表達(dá)。ncRNAncRNA對基因表達(dá)的調(diào)控是多方面的，它參與mRNA的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)譯水平的調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)的運(yùn)輸、RNA的加工和修飾及影響染色體的結(jié)構(gòu)等。20~23nt長的microRNA（miRNA）和經(jīng)常由病毒RNA降解產(chǎn)生及由內(nèi)源編碼產(chǎn)生的20~25nt的小干擾RNA（smallinterferingRNAs，siRNA）可通過RNA干擾（RNAinterference，RNAi）機(jī)制抑制一個(gè)mRNA的轉(zhuǎn)錄或通過誘導(dǎo)其降解來調(diào)控基因表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，miRNA的作用靶位可以是mRNA的編碼區(qū)和非編碼區(qū)，且一個(gè)miRNA具有多個(gè)mRNA編碼區(qū)作用靶位。人類基因組中至少有上千種miRNA參與RNA介導(dǎo)的靶向編碼蛋白質(zhì)基因表達(dá)的抑制。各種癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)有10%的miRNA發(fā)生過表達(dá)或下調(diào)，稱為微癌RNA（oncomiRs）。有些miRNA和siRNA能夠引起目標(biāo)基因的甲基化，從而增強(qiáng)或減弱基因的轉(zhuǎn)錄活性。RNAi是正常生物體內(nèi)抑制特定基因表達(dá)的一種現(xiàn)象。當(dāng)細(xì)胞中導(dǎo)入與內(nèi)源性mRNA編碼區(qū)同源的雙鏈RNA時(shí)，該mRNA發(fā)生降解而導(dǎo)致基因表達(dá)的沉默。這種RNA干擾技術(shù)已經(jīng)成為研究基因功能和基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的重要工具。有研究證明含有啟動(dòng)子區(qū)的dsRNA在植物體內(nèi)同樣被切割成21~23nt長的片段，這種dsRNA可使內(nèi)源相應(yīng)的DNA序列甲基化，從而使啟動(dòng)子失去功能，使其下游基因沉默。外源導(dǎo)入或由轉(zhuǎn)基因、病毒感染等各種方式引入的雙鏈RNA被Dicer酶逐步切割為21~23核苷酸長的小分子干擾RNA片段。siRNA雙鏈結(jié)合多種核酸酶從而形成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物（RISC）。激活的RISC通過堿基配對定位到同源mRNA轉(zhuǎn)錄本上，并在距離siRNA3′端12個(gè)堿基的位置切割mRNA，從而介導(dǎo)RNA干擾過程。人工利用RNA干擾技術(shù)的機(jī)理piRNA（Piwi-interactingRNA）是從哺乳動(dòng)物睪丸組織中發(fā)現(xiàn)的一類能與PIWI蛋白質(zhì)相互作用的長度為26~31nt的新型小分子單鏈RNA，piRNA能維持基因組中轉(zhuǎn)座子的正常沉默狀態(tài)，以防止基因組中轉(zhuǎn)座子爆發(fā)而引起相應(yīng)基因的改變。piRNA與siRNA及miRNA均是近些年發(fā)現(xiàn)的非編碼小RNA，它們均可通過一套相應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行RNA干擾，在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后甚至轉(zhuǎn)譯水平對靶基因及蛋白進(jìn)行調(diào)節(jié)。piRNA（Piwi-interactingRNA）是2006年7月在動(dòng)物生殖細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的一類新小分子非編碼RNA，長度為26~31nt的單鏈RNA，能與PIWI蛋白質(zhì)相互作用。piRNA能維持基因組中轉(zhuǎn)座子的正常沉默狀態(tài)，以防止基因組中轉(zhuǎn)座子爆發(fā)而引起相應(yīng)基因的改變。Piwi蛋白是Argonaute蛋白家族的一個(gè)亞家族，Argonaute家族蛋白質(zhì)是小分子RNA介導(dǎo)基因沉默作用的核心組分。反義RNA（anti-senseRNA）：指與mRNA互補(bǔ)的RNA分子。是反義基因（antisensegene）或基因的反義鏈（antisensestrand）轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物。反義RNA能與mRNA分子特異性地互補(bǔ)結(jié)合，從而抑制該mRNA的加工和轉(zhuǎn)譯，如反義的Tsix轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在XistRNA沉默X染色體的過程中起重要作用。它不必具有和mRNA等長的核苷酸鏈，短的片段如50個(gè)核苷酸就能起到抑制加工和轉(zhuǎn)譯，從而調(diào)控基因表達(dá)的作用。反義技術(shù)現(xiàn)已用于抑制動(dòng)、植物病毒，果蔬保鮮，腫瘤治療及反義藥物開發(fā)等。利用反義RNA原理，進(jìn)行腫瘤或愛滋病基因治療是目前臨床應(yīng)用的主要手段之一，也是基因治療的重要方向。9.3.6選擇性剪接真核生物中，一個(gè)編碼區(qū)包括多個(gè)內(nèi)含子和外顯子。在斷裂基因初級轉(zhuǎn)錄本的剪接中，通常總是把所有的內(nèi)含子剪掉，然后將外顯子依次地連接起來，因此，一種斷裂基因只能產(chǎn)生一種成熟的mRNA，合成一種多肽，這過程稱為組成型剪接（constitutivesplicing）。但研究發(fā)現(xiàn)許多斷裂基因在其轉(zhuǎn)錄本剪接中，通過不同的剪接方式可從一個(gè)基因產(chǎn)生多種不同的多肽或蛋白質(zhì)，生物體通過這種選擇性剪接（alternativesplicing）來調(diào)控基因的表達(dá)，產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)以適應(yīng)不同的環(huán)境需要。一個(gè)基因可以編碼多個(gè)蛋白利用不同的啟動(dòng)子小鼠淀粉酶在不同組織中mRNA的選擇性剪接肌鈣蛋白T基因的選擇性剪接利用同一啟動(dòng)子順式選擇性剪接：利用同一pre-mRNA上的外顯子發(fā)生的剪接。此外，在人類還發(fā)現(xiàn)了一種新的選擇性剪接方式——反式選擇性剪接：利用不同Pre-mRNA上的外顯子剪接成為不同成熟mRNA的過程。選擇性剪接是一種轉(zhuǎn)錄后加工的過程，明顯地?cái)U(kuò)大了基因編碼蛋白質(zhì)的能力。通過選擇性剪接可產(chǎn)生多種不同的多肽，這打破了“一個(gè)基因，一條多肽”的概念。事實(shí)上，50%左右的人類基因通過選擇性剪接，平均每個(gè)基因產(chǎn)生2~3種不同的轉(zhuǎn)錄物，從而大大擴(kuò)展了20000個(gè)左右人類基因的遺傳信息。目前發(fā)現(xiàn)，基因點(diǎn)突變導(dǎo)致的遺傳性疾病中大約有15%是通過選擇性剪接而發(fā)生的。此外，反式選擇性剪接在人類基因上的發(fā)現(xiàn)使選擇性剪接更加撲朔迷離。9.3.7RNA編輯RNA編輯是一種較為獨(dú)特的遺傳信息加工方式，即轉(zhuǎn)錄后的mRNA在編碼區(qū)發(fā)生堿基插入、刪除或轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，是在RNA分子上的一種修飾。RNA編輯可發(fā)生在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)及線粒體和質(zhì)體中，不同RNA有不同的編輯方式。編輯情況RNA來源U插入/刪除C

U替換A

I替換C插入G插入錐蟲線粒體哺乳動(dòng)物細(xì)胞核、植物線粒體真核生物細(xì)胞核變形菌副黏液病毒RNA編輯是一復(fù)雜的過程，同一基因在不同的組織或編輯或不編輯，或以不同的方式編輯。以U插入或缺失為例說明RNA編輯過程：引導(dǎo)RNA(gRNA)與RNA初始轉(zhuǎn)錄本配對；新形成的雙鏈區(qū)域被編輯體包裹；編輯體在mRNA第一個(gè)未配對的核苷酸處切斷mRNA并插入堿基，然后沿mRNA的3’到5’方向進(jìn)行下一個(gè)插入。編輯體由位點(diǎn)特異性核酸內(nèi)切酶、UTP末端轉(zhuǎn)移酶和RNA連接酶組成gRNA為14-51nt，允許A/U配對，gRNA在初始轉(zhuǎn)錄本的插入或刪除位點(diǎn)周圍含有與之互補(bǔ)的區(qū)域。9.3.8mRNA穩(wěn)定性與基因表達(dá)調(diào)控細(xì)菌為了能夠適應(yīng)環(huán)境的快速變化，其mRNA的轉(zhuǎn)換速度非?？欤骄鶋勖鼉H~3min。真核生物細(xì)胞處于一個(gè)相對穩(wěn)定的環(huán)境，mRNA也較為穩(wěn)定，其壽命長達(dá)數(shù)小時(shí)。如種子萌發(fā)，在沒有RNA合成時(shí)，也能形成多聚核糖體及開始蛋白合成，所以種子內(nèi)一定貯存有穩(wěn)定的mRNA模板，蓮子在1700年后仍能萌發(fā)，可見其mRNA可存活相當(dāng)長時(shí)間。mRNA的穩(wěn)定性除與轉(zhuǎn)錄后加工以及與其結(jié)合的蛋白種類有關(guān)外，還與mRNA編碼的蛋白質(zhì)功能和其他多種因素有關(guān)。mRNA由RNA酶（RNase）降解。其降解始于3′端，位于該處的polyA先被水解，然后去除5′端帽子，并通過核酸內(nèi)切酶對mRNA進(jìn)行消化。mRNA一般在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)降解，但無義突變RNA卻在加工輸出過程中在核內(nèi)降解。mRNA上幾個(gè)不同的區(qū)域可作為降解信號：如5′端序列、內(nèi)部二級結(jié)構(gòu)、3′端序列及poly（A）尾等。RNA通常折疊成一特殊的三級結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠刺激或抑制RNase的消化，此外，可能還有一些蛋白質(zhì)結(jié)合到mRNA上起到保護(hù)mRNA被降解的作用。ncRNA也參與RNA穩(wěn)定性調(diào)控，如siRNA通過一系列機(jī)制降解同源mRNA。mRNA穩(wěn)定性對基因表達(dá)調(diào)控影響的舉例說明：Myc基因存在于所有動(dòng)物中，Myc蛋白的過量可能導(dǎo)致細(xì)胞的癌性增長，在特殊細(xì)胞的分化過程中，Myc蛋白能起到一種開關(guān)的作用打開其它基因的表達(dá)，因而細(xì)胞只在需要的時(shí)候打開Myc基因，及合成某一個(gè)特定濃度的Myc蛋白，因而MycmRNA是相對不穩(wěn)定的，其半衰期約30分鐘。在該基因3′端的非轉(zhuǎn)譯引導(dǎo)區(qū)含有較長的富含A和U的序列，刪除該區(qū)域可增加mRNA的穩(wěn)定性，同時(shí)引起細(xì)胞的癌性增長，暗示這部分mRNA可能負(fù)責(zé)MycmRNA的迅速降解。9.3.9蛋白質(zhì)修飾在基因表達(dá)調(diào)控中的作用某些蛋白質(zhì)以前體形式合成，然后經(jīng)蛋白酶水解成為長短不同的肽段；某些蛋白質(zhì)則在轉(zhuǎn)譯以后再進(jìn)行某些氨基酸的修飾，如羥基化、磷酸化、乙?；?、糖基化等。9.4表觀遺傳調(diào)控多細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞在遺傳上是同質(zhì)的，但在結(jié)構(gòu)和功能上卻是異質(zhì)的。同卵孿生子的基因結(jié)構(gòu)相同，但在多方面表現(xiàn)出差異。這是由于基因差異表達(dá)的結(jié)果。基因差異表達(dá)傳統(tǒng)意義上的遺傳信息－－DNA序列，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。DNA、組蛋白或染色體水平的修飾－－表觀遺傳信息，它發(fā)出的是何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息的指令。非DNA序列遺傳信息改變產(chǎn)生的基因功能或表型變化同樣可通過有絲分裂或減數(shù)分裂而保持，這叫表觀遺傳（epigeneticinheritance）。表觀遺傳調(diào)控主要是在轉(zhuǎn)錄前，通過DNA修飾、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等方式執(zhí)行基因表達(dá)調(diào)控。在所有真核生物細(xì)胞中都存在這樣一種高層次的基因表達(dá)調(diào)控，它形成了細(xì)胞分化的重要分子基礎(chǔ)。當(dāng)然，表觀遺傳調(diào)控也作用于其他調(diào)控位點(diǎn)，如轉(zhuǎn)錄水平甚至轉(zhuǎn)譯水平的調(diào)控，這不是絕對的。遺傳學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，誕生了一門探索從基因演繹為表型的過程和機(jī)制的一門新興學(xué)科－－表觀遺傳學(xué)。表觀遺傳學(xué)（Epigenetics）：研究不涉及DNA堿基序列改變而基因的表達(dá)或細(xì)胞的表型卻發(fā)生了穩(wěn)定和可遺傳變化的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳修飾。它具有三層含義：①可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂能在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳；②是基因表達(dá)的改變；③沒有DNA序列的變化或不能用序列變化來解釋。表觀遺傳學(xué)的事件主要是通過不同的機(jī)制使得染色體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而造成基因表達(dá)的不同。表觀遺傳調(diào)控舉例：1、DNA甲基化對基因表達(dá)的影響2、組蛋白修飾對基因表達(dá)調(diào)控的影響3、核開關(guān)調(diào)控基因表達(dá)1.DNA甲基化對基因表達(dá)的影響DNA甲基化是在甲基化酶的作用下，將一個(gè)甲基添加到DNA分子中的堿基上的化學(xué)修飾現(xiàn)象。在大多數(shù)真核生物中，胞嘧啶約有2-7％是甲基化的，這些甲基化的C（m5C）往往出現(xiàn)在CG順序中。由于這兩個(gè)堿基是自身互補(bǔ)的，且細(xì)胞內(nèi)含有維持甲基化的酶，所以在DNA的兩條鏈上總是同時(shí)出現(xiàn)甲基化現(xiàn)象。1.DNA甲基化對基因表達(dá)的影響OriginofCpG(CG)islandsTheCGislandisashortstretchofDNAinwhichthefrequencyoftheCGsequenceishigherthanotherregions.

ItisalsocalledtheCpGisland,where"p"simplyindicatesthat"C"and"G"areconnectedbyaphosphodiesterbond.

CpGislandsareoftenlocatedaroundthepromotersofhousekeepinggenesorothergenesfrequentlyexpressedinacell.

Attheselocations,theCGsequenceisnotmethylated.

Bycontrast,theCGsequencesininactivegenesareusuallymethylatedtosuppresstheirexpression.

ThemethylatedCmaybeconvertedtoTbyaccidentaldeamination.

UnliketheCtoUmutationwhichisefficientlyrepaired,theCtoTmutationcanbecorrectedonlybythemismatchrepairwhichisveryinefficient.

Hence,overevolutionarytimescales,themethylatedCGsequencewillbeconvertedtotheTGsequence.

ThisexplainsthedeficiencyoftheCGsequenceininactivegenes.哺乳動(dòng)物中，CpG序列在基因組中出現(xiàn)的頻率僅有1%，遠(yuǎn)低于基因組中的其它雙核苷酸序列。

使用某些限制性內(nèi)切酶可以研究DNA序列的甲基化狀況，如HpaII識別并切割未甲基化的C

CGG，而MspI識別無論是否甲基化的CCGG，切割后的片段分別進(jìn)行電泳，即可鑒定這些CCGG序列是否甲基化

DNA甲基化對基因表達(dá)起重要作用。原核生物中甲基化與非甲基化基因的轉(zhuǎn)錄活性相差103倍，真核生物中相差可達(dá)106倍。一般認(rèn)為，CG序列的甲基化能抑制基因表達(dá)。雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中X染色體失活的Barr小體或基因組印記中等位基因的表達(dá)與父母來源有關(guān)等，這類基因可能與CpG的高度甲基化有關(guān)。那些一直處于活性轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的看家基因始終保持低水平甲基化。成年珠蛋白基因在網(wǎng)織紅細(xì)胞中低甲基化，而在其它細(xì)胞中是高甲基化，據(jù)此有人認(rèn)為甲基化作用可能是一種發(fā)育調(diào)節(jié)機(jī)制，正常胚胎發(fā)育過程中不同分化細(xì)胞的選擇性基因活化主要決定于甲基化和染色體結(jié)構(gòu)二因素的變動(dòng)。

甲基化狀態(tài)的改變是致癌作用的一個(gè)關(guān)鍵因素，它包括基因組整體甲基化水平降低和CpG島局部甲基化程度的異常升高，這將導(dǎo)致基因組的不穩(wěn)定（如染色體的不穩(wěn)定、可移動(dòng)遺傳因子的激活、原癌基因的表達(dá)）。DNA低甲基化可能通過提高染色體的不穩(wěn)定性來促進(jìn)腫瘤的形成。需要注意的是，在使用DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑恢復(fù)腫瘤抑制基因的活性來治療癌癥時(shí)，可能在防止一些癌癥發(fā)生的同時(shí)，也會造成基因組的不穩(wěn)定并增加其他組織罹患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。在生物發(fā)育某一階段或細(xì)胞分化的某種狀態(tài)，原先處于甲基化狀態(tài)的基因，也可以被誘導(dǎo)去甲基化而出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄活性。DNA去甲基化由基因內(nèi)部的片段及與其結(jié)合的因子所調(diào)控。

DNA甲基化雖未改變核苷酸順序及組成，但它是一類高于基因水平的基因調(diào)控機(jī)制，是將基因型與表型聯(lián)系起來的一條紐帶?；蚣谆{(diào)控基因表達(dá)的可能機(jī)理目前有三種解釋：第一種機(jī)制認(rèn)為DNA甲基化直接干擾特異轉(zhuǎn)錄因子與各自啟動(dòng)子的識別位置結(jié)合。第二種機(jī)制認(rèn)為是通過在甲基化DNA上結(jié)合特異的轉(zhuǎn)錄阻遏物而起作用，這種蛋白質(zhì)能與轉(zhuǎn)錄因子競爭甲基化DNA結(jié)合位點(diǎn)，從而阻止轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。第三種機(jī)制是影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為DNA甲基化后與組蛋白結(jié)合更緊，使核小體結(jié)構(gòu)更緊密，結(jié)果影響轉(zhuǎn)錄。

2.組蛋白修飾對基因表達(dá)調(diào)控的影響在真核生物染色體的多級折疊過程中，DNA同組蛋白（H3、H4、H2A、H2B和H1）結(jié)合在一起。進(jìn)化上組蛋白極端保