與基因表達調控有關的幾組“子”

劉學廷

摘 要 重點比較了與基因表達有關的外顯子、內含子、啟動子、終止子、操縱子、復制子、增強子、沉默子等概念的區別和聯系，了解它們在基因復制和表達過程中的作用。

關鍵詞 外顯子 內含子 啟動子 終止子 操縱子

中圖分類號 Q-49 文獻標識碼 E

除少數病毒以外，絕大多數生物的遺傳物質是DNA，DNA執行遺傳功能的基本單位是基因，基因通過復制和表達將遺傳性狀傳遞給下一代。生物體內基因的數目眾多、傳遞的過程復雜，但是生物體內基因的表達過程是有條不紊地進行。基因的有序傳遞除了與它的結構有關外，還與基因表達的精細調控有關。下面重點列舉與基因表達調控有關的幾組“子”，辨析它們在結構和功能上的區別和聯系。

1 外顯子和內含子

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

真核生物基因中外顯子和內含子在最初轉錄時均保留下來，因為它們的長度和性質的差異，在細胞核內不均勻，所以基因最初轉錄產物又稱為不均一核RNA（簡稱hnRNA）。但最終內含子部分被剪接，外顯子部分被保留，否則會影響基因的表達。不同的剪接可能產生不同的成熟mRNA，有的一個基因初級轉錄產物經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。有的一個基因初級轉錄產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。

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

2 啟動子和終止子

基因的表達首先依賴于轉錄過程，無論哪個基因的轉錄均需從特定的位置開始，再到特定的位置結束，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錄；若啟動子位于基因的內部，則啟動子本身也被轉錄。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合的位點，從而驅動基因轉錄。在原核生物轉錄系統中，RNA聚合酶能直接識別啟動子并啟動基因轉錄，而真核生物轉錄系統中，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輔助因子來識別啟動子。

終止子是為轉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輔助因子就能實現終止作用；另一類則依賴蛋白質輔助因子才能實現終止作用，這種蛋白質輔助因子稱為釋放因子。不依賴于蛋白質輔助因子就能實現終止作用的基因在轉錄終止點之前有一段回文順序，回文順序的兩個重復部分由幾個堿基對組成的節段隔開，因此，這段終止子轉錄后形成的RNA具有發夾結構，并具有與A互補的一串U，因為A-U之間氫健結合較弱，因而RNA/DNA雜交部分易于拆開。這樣有利于轉錄產物從DNA模板上釋放出來，也可使RNA聚合酶從DNA上解離下來，實現轉錄的終止（圖2）。

3 操縱子和復制子

操縱子由在結構和功能上彼此相關的幾個結構基因和控制區組成，后者包括啟動子和操縱基因。操縱子只在原核生物中存在，下面以發現最早的乳糖操縱子為例來說明它的結構和工作原理。

大腸桿菌在不含乳糖的培養基上培養時，調節基因通過轉錄翻譯生成活性阻遏蛋白，它的構像使它識別操縱基因并與之結合。一旦阻遏蛋白占據了操縱基因，RNA聚合酶就不能與啟動子結合，因而不能啟動轉錄過程，進而不能形成消化乳糖的系列酶。當培養基中含有乳糖時，乳糖能和阻遏蛋白結合，使后者構像發生改變而失去活性，從而不能與操縱基因結合而從操縱基因上脫落下來，結果RNA聚合酶就能無阻攔地結合到啟動子上，進而使結構基因開始轉錄產生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基中的乳糖進行代謝活動，一旦培養基中的乳糖消耗完，脫離了乳糖的阻遏蛋白又恢復了活性，又能和操作基因結合而阻止結構基因的轉錄，從而停止產生消化乳糖的系列酶（圖3）。

操縱子模型說明，酶的誘導和阻遏是在調節基因的產物-阻遏蛋白的作用下，通過操縱基因控制結構基因的轉錄而發生的，這種機制有利于減少物質能量的無謂消耗，符合經濟性原則。

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

4 增強子和沉默子

基因的表達除了受啟動子、調節基因等周圍的DNA序列影響外，大多數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錄頻率明顯增加，一個增強子的缺失可使轉錄水平降低100倍或更多。和其他與結構基因距離較近的DNA控制元件相比，增強子的作用特點為：（1） 與結構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，導致增強子和啟動子靠得很近，進而增強轉錄能力。（2） 增強子的作用與其序列的正反方向無關，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結合后才能發揮增強轉錄的作用。（4） 增強子只有啟動子存在時才能發揮作用，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。

增強子提高轉錄效率的原理主要是轉錄因子和增強子結合后誘導染色質或DNA結構變化，增強子還能為轉錄因子提供進入啟動子區的位點，從而增強了基因的轉錄。

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錄的阻遏因子結合從而阻斷增強子或抑制轉錄因子的作用，并最終抑制該基因的轉錄活性。

總之，基因的復制和表達受多種因素的調控，其中與外顯子和內含子、啟動子和終止子、操縱子和復制子、增強子和沉默子等有關，它們的區別和聯系見表1。

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