第三节 基因表达的调控

生物体内每个细胞都含有该物种的一整套基因，但是，这些基因并不是同时都在表达。比如单细胞的细菌，就能够根据环境的变化，开启或关闭某些基因，以便迅速合成它所需要的蛋白质，停止合成它不需要的蛋白质。多细胞生物体内基因的表达更为复杂。生物体内的基因之所以能够有序地表达，是因为细胞内存在着对基因表达的调控机制，这种调控机制是生物体所不可缺少的。

原核生物基因表达的调控

20世纪60年代，法国分子生物学家雅各布和莫诺通过对大肠杆菌乳糖代谢的研究，首先弄清了原核生物基因表达调控的机制。这一机制的发现可以说是生物学领域中的一个划时代的突破。为此，他们在1965年获得了诺贝尔奖和医学奖。

大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳元素的来源。但是，雅各布和莫诺发现，当大肠杆菌生活的环境中没有葡萄糖而有乳糖时，大肠杆菌就只会迅速合成大量的分解乳糖的酶，将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖加以利用。这种酶叫做半乳糖苷酶。当从大肠杆菌生活的环境中去除乳糖后，半乳糖苷酶的合成就会停止。

从上面的现象可以看出，大肠杆菌能够根据周围环境中有没有乳糖，来决定是否合成半乳糖苷酶。我们知道，酶的合成是受特定的基因控制的，半乳糖苷酶的合成，是半乳糖苷酶基因表达的结果。由此可见，乳糖似乎对半乳糖苷酶基因的表达起到了诱导作用。那么，为什么乳糖能对半乳糖苷酶基因的表达起到诱导作用呢？

雅各布和莫诺通过反复进行试验，对这一现象提出了科学的解释。他们认为，在大肠杆菌的DNA分子上，与乳糖代谢有关的核苷酸序列有四种。直接编码乳糖分解代谢所需酶类的基因叫做结构基因，包括基因lacZ、基因lacY和基因lacA。其中基因lacZ编码半乳糖苷酶，基因lacY和基因lacA分别编码另外两种与乳糖分解代谢有关的酶。在结构基因的上游有三个对结构基因起调控作用的核苷酸序列，其中紧靠结构基因的是操纵基因(用O表示)，它对结构基因起着“开关”的作用，可以直接控制结构基因的转录。在操纵基因的上游依次是启动子(用P表示)和调节基因(用R表示)。启动子上有与RNA聚合酶结合的位点。调节基因能够调节操纵基因的状态，从而对“开关”起着控制作用。操纵基因、启动子和调节基因协调配合，共同对结构基因的表达起调控作用。

当周围环境中没有乳糖存在时，调节基因通过转录和翻译，合成一种叫做阻抑物的蛋白质，这种阻抑物会与操纵基因紧密结合，从而干扰了RNA聚合酶与启动子的结合。没有了RNA聚合酶的参与，结构基因就不能进行转录和翻译，因此也就不能合成乳糖代谢所需要的酶(如图)。

当周围环境中有乳糖存在时，乳糖就进入细菌细胞与阻抑物相结合，引起阻抑物构象发生变化，使阻抑物失去与操纵基因结合的能力，这时，RNA聚合酶便与启动子结合。在RNA聚合酶的作用下，结构基因的转录得以正常进行，最终使细胞内合成半乳糖苷酶，使乳糖分解。当乳糖分解完毕，阻抑物的构象又会恢复成原样。此时，阻抑物又重新与操纵基因结合，从而阻止了RNA聚合酶与启动子的结合，使结构基因的转录停止，这时，半乳糖苷酶等三种酶的合成也随之停止(如图)。

在分子遗传学中，把一个操纵基因控制下的一组相邻的结构基因以及启动子和调节基因，统称为操纵子。操纵子是原核生物的基因在转录水平上进行调控的一个功能单位。大肠杆菌乳糖分解代谢中的操纵子，叫做乳糖操纵子。乳糖操纵子的基因表达调控过程被揭示后，科学家们陆续发现了对原核生物代谢具有调控作用的其他操纵子，如大肠杆菌中色氨酸合成代谢的调控就是通过色氨酸操纵子来完成的。

从大肠杆菌乳糖代谢的调控过程可以看出，细胞并不是在任何时刻都能够产生利用乳糖的酶，只有在环境中有乳糖存在时，才能产生这些酶。这说明基因表达的调控确保细胞只是在需要某种酶时，才会去合成它，这样才不会浪费细胞中的物质和能量，才能适应外界环境的不断变化。

真核生物基因表达的调

控真核生物基因表达调控的过程与原核生物有许多共同之处。例如，在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样存在着许多不同的调控序列。真核生物通过特异性蛋白与某些调控序列的结合与否，来调控基因的转录。但是，真核生物基因表达调控与原核生物也有许多不同之处。例如，真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续的，由于转录时内含子和外显子是一起转录的，因而转录产生的信使RNA必须经过加工，将内含子转录部分剪切掉，将外显子转录部分拼接起来，才能成为有功能的成熟的信使RNA。而原核生物的基因由于不含有外显子和内含子，因此，转录产生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工过程。再有，原核生物基因的转录和翻译通常是在同一时间同一地点进行的，即在转录未完成之前翻译便开始进行。如大肠杆菌乳糖分解代谢过程中，三个结构基因的转录和翻译就是同时在细胞质中进行的。真核生物由于有细胞核，核膜将核质与细胞质分隔开来，因此，转录是在细胞核中进行的，翻译则是在细胞质中进行的。可见，真核生物基因的转录和翻译具有时间和空间上的分隔。上述真核生物基因转录后的剪切、拼接和转移等过程，都需要有调控序列的调控，这种调控作用是原核生物所没有的(如图)。

真核生物大多数是多细胞生物，在个体发育过程中要发生细胞分化，分化后的细胞具有不同的功能。通过对真核生物的研究已经知道，分化是不同基因表达的结果，这就是说，某些基因只能特异地在某种细胞中表达。细胞中关闭或开启某些基因，都是在严格的调控作用下进行的。基因的这种特异性表达的调控机制也是真核生物所特有的。

由此可见，真核生物的基因表达调控要比原核生物复杂得多，有许多方面是原核生物所没有的。应当指出的是，关于真核生物中基因表达的调控机制，还有许多未知领域，有待于人们进一步探索。

一、判断题

1．原核细胞中的几个结构基因往往成簇地连锁在一起，共同受调控序列的调控。( )

2．在大肠杆菌中，如果调节基因突变造成阻抑物缺乏，那么，与乳糖分解代谢有关的三种

酶就不能合成。( )

二、选择题

1．大肠杆菌乳糖代谢的调控主要是： [ ]

A．对基因水平的调控； B．对转录水平的调控；

C．对翻译水平的调控； D．上述三种调控以外的其他调控。

2．真核生物的基因表达调控比原核生物复杂的原因是： [ ]

A．必须对转录产生的信使RNA进行加工； B．转录和翻译在时间和空间上的分隔；

C．某些基因只能特异地在某种细胞中表达； D．受包括上述A、B、C在内的多方面调控。

三、填表题

用简明的语言将大肠杆菌DNA分子中，构成乳糖分解代谢各部分结构的功能填入下表。

项 目

结构基因

操纵基因

启动子

调节基因

四、简答题

1．大肠杆菌的DNA分子中，如果控制乳糖分解代谢的启动子发生了突变，转录过程还能正常进行吗？为什么？

2．(选做)左图是假设的原核生物某一反应系统的基因表达调控路线简图。图中的G₁和G₂为结构基因，O₁和O₂为操纵基因，R₁和R₂为调节基因。G₁决定酶E₁，G₂决定酶E₂，酶E₁和E₂的作用分别是把物质S₁和S₂转变为产物Q₁和Q₂，产物Q₁和Q₂分别与调节基因R₂和R₁产生的阻抑物相互作用，可以关闭操纵基因O₁和O₂。试分析，如果增加物质S₂的供应，将对这个反应系统产生什么影响？

参考答案

一、1．(√)；2．(×)。

二、1．(B)；2．(D)。

三、

四、1．不能进行。因为启动子是RNA聚合酶结合的位点，如果启动子发生了突变，RNA聚合酶因无法识别启动子而不能与其结合。没有RNA聚合酶参与，转录过程是无法进行的。

2．如果物质S₂增加，那么产物Q₂也会增加，根据题意，产物Q₂与调节基因R₁产生的阻抑物相互作用，可以关闭操纵基因O₁。因此，基因G₁的产物E₁就会减少，从而导致Q₁的减少。同理可以推得：Q₁的减少反而会使结构基因G₂的产物E₂增加，进而会导致Q₂增加；如此循环往复。由此可见，增加物质S₂可以使这个反应系统产生的酶E₂增加，从而使更多的物质S₂转化为产物Q₂。