圖解“基因的選擇性表達(dá)”

黃建華 （南通大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇南通 226019）

人教版高中生物學(xué)教材必修1“細(xì)胞分化”一節(jié)，涉及基因的選擇性表達(dá)。關(guān)于細(xì)胞分化的原因，教材中是這樣表述的：“在個體發(fā)育過程中，不同細(xì)胞中遺傳信息執(zhí)行情況不同”。遺傳信息執(zhí)行情況不同的本質(zhì)就是基因的選擇性表達(dá)。教材對遺傳信息執(zhí)行情況不同的闡述很有限，往往導(dǎo)致教師對這一知識點(diǎn)的教學(xué)也不是很深入。本文以具體實(shí)例圖全視角解讀基因的選擇性表達(dá)，可作為教材知識的拓展和延伸。

1 “奢侈”基因才進(jìn)行選擇性表達(dá)

細(xì)胞中的基因很多，根據(jù)表達(dá)過程有無選擇性，可將基因分為“管家”基因和“奢侈”基因。“管家”基因是指每個細(xì)胞都需要表達(dá)的基因，其表達(dá)產(chǎn)物是維持基本生命活動，例如呼吸酶基因等。“奢侈”基因是在特定細(xì)胞中表達(dá)的基因，表達(dá)具有選擇性，控制細(xì)胞的分化，例如血紅蛋白基因只在紅細(xì)胞中表達(dá)，肌球蛋白基因只在肌細(xì)胞中表達(dá)，胰島素基因只在胰島B 細(xì)胞中表達(dá)（圖1）。

圖1 血紅蛋白基因、肌球蛋白基因、胰島素基因的選擇性表達(dá)

2 基因選擇性表達(dá)的機(jī)理

基因表達(dá)過程受到多水平的調(diào)控，包括轉(zhuǎn)錄前調(diào)控、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、翻譯調(diào)控和翻譯后調(diào)控，每一水平的調(diào)控都會實(shí)現(xiàn)基因的選擇性表達(dá)［1］，不同水平的調(diào)控如圖2。

圖2 基因選擇性表達(dá)的多水平調(diào)控［1］

本文通過具體實(shí)例圖闡述不同水平調(diào)控下的基因的選擇性表達(dá)。

2.1 轉(zhuǎn)錄前調(diào)控 不同淋巴細(xì)胞受體分子的差異是通過轉(zhuǎn)錄前調(diào)控實(shí)現(xiàn)的，DNA 不同片段編碼受體結(jié)構(gòu)的不同部位，C 編碼恒定區(qū)、J 編碼連接區(qū)、D 編碼多樣性區(qū)和V 編碼可變區(qū)，轉(zhuǎn)錄前這些片段通過選擇性重排實(shí)現(xiàn)不同方式的組合［2］，再表達(dá)產(chǎn)生不同的受體基因，增加受體的種類（圖3）。當(dāng)然，嚴(yán)格地說DNA 重排造成了基因的變化，“選擇性”在“表達(dá)”之前。

圖3 DNA 的選擇性重排導(dǎo)致淋巴細(xì)胞受體分子的差異［2］

2.2 轉(zhuǎn)錄調(diào)控 人的血紅蛋白是由11 號和16號染色體上基因（α、β、γ、ε、ζ 基因）編碼的4 條肽鏈組成。在不同發(fā)育時期，血紅蛋白分子的組成不同，這是因?yàn)樵诓煌l(fā)育時期，啟動子的甲基化（甲基化的啟動子不能啟動基因的轉(zhuǎn)錄）調(diào)控基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)的［3］，機(jī)理如圖4。

圖4 基因的選擇性轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致血紅蛋白分子的差異

2.3 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 同一基因轉(zhuǎn)錄出的前體RNA通過選擇性拼接產(chǎn)生不同的成熟mRNA，不同的成熟mRNA 翻譯產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。例如α-原肌球蛋白基因轉(zhuǎn)錄的前體RNA 在不同組織細(xì)胞中的拼接方式不同，產(chǎn)生了不同的成熟mRNA，翻譯產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)（圖5）［4］。

圖5 mRNA 的選擇性拼接導(dǎo)致原肌球蛋白分子的差異［4］

2.4 翻譯調(diào)控 細(xì)胞中的某些小RNA（miRNA）能與某些mRNA 配對，從而調(diào)控翻譯過程，例如線蟲的早期發(fā)育過程中，Lin-4基因編碼的miRNA 與Lin-14基因編碼的mRNA 的3′-UTR 不 完全互補(bǔ)配對,下調(diào)Lin-14的翻譯［5］（圖6）。

圖6 miRNA 與mRNA 的選擇性配對下調(diào)Lin-14 蛋白的表達(dá)［5］

2.5 翻譯后調(diào)控 翻譯產(chǎn)生的阿黑皮素原在不同組織細(xì)胞中加工后的產(chǎn)物不同，在腦垂體前葉加工為促腎上腺素和β-促脂解素，在腦垂體中葉中，先加工為促腎上腺素和β-促脂解素，然后再加工為γ-促黑激素、α-促黑激素、類促腎上腺皮質(zhì)素垂體中葉肽、γ-促脂解素和β-內(nèi)啡肽［6］。機(jī)理如圖7。

圖7 阿黑皮素原的選擇性加工導(dǎo)致產(chǎn)物的不同

以上列舉了每個水平調(diào)控奢侈基因選擇性表達(dá)的一則實(shí)例，通過不同水平的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了不同時間、不同空間奢侈基因的選擇性表達(dá)，調(diào)控生物的生長、發(fā)育過程。每個水平還可通過其他的機(jī)理實(shí)現(xiàn)基因的選擇性表達(dá)，這樣的實(shí)例還有很多，本文不一一列舉。人類已經(jīng)將基因的選擇性表達(dá)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和基因治療等諸多方面，通過有目的地促進(jìn)或抑制某些基因的表達(dá)，從而達(dá)到人類的某種愿望，為人類服務(wù)。本文列舉的實(shí)例可作為一線教師拓展基因選擇性表達(dá)的教學(xué)素材，通過這些實(shí)例的介紹可加深學(xué)生對基因選擇性表達(dá)的理解，提高教學(xué)效益。