基因表达调控、癌基因与基因工程

本节导读

这一节对应大纲分子生物学的最后三条：「九、基因表达调控」「十、癌基因和抑癌基因」「十一、基因工程的基本原理」。基因表达调控讲细胞怎样决定什么时候、在哪里、表达多少；癌基因和抑癌基因讲调控失灵怎样导致肿瘤，它和病理学的「肿瘤的病因和发病机制」是同一件事的两面；基因工程讲人怎样在体外操作基因。

选择题常以「某种条件下操纵子开还是关」「某种激活方式或某种病毒蛋白怎样致癌」「基因工程某一步用什么工具」设问。学完这一节，你应该能推出乳糖操纵子在不同糖源下的状态，说出原癌基因的四种激活方式和 p53 的作用，并按顺序讲出基因工程的六个步骤。

原核基因的表达调控

原核生物的基因多以操纵子为单位调控。一个操纵子包括几个功能相关的结构基因，以及控制它们的启动子和操纵序列；操纵子之外还有编码调节蛋白的调节基因。

乳糖操纵子

乳糖操纵子有三个结构基因（Z、Y、A，分别编码 β-半乳糖苷酶、通透酶和乙酰基转移酶），上游依次是操纵序列、启动子和分解代谢物基因激活蛋白（CAP）的结合位点；调节基因 I 编码阻遏蛋白。它受两种机制共同控制：

机制	条件	结果
阻遏蛋白的负性调节	没有乳糖时，阻遏蛋白结合操纵序列	结构基因不转录
	有乳糖时，乳糖转变成的别乳糖与阻遏蛋白结合，使它离开操纵序列	解除阻遏
CAP 的正性调节	葡萄糖缺乏时 cAMP 浓度高，cAMP-CAP 复合物结合 CAP 位点	促进 RNA 聚合酶转录
	葡萄糖充足时 cAMP 浓度低	CAP 不能发挥促进作用

所以只有「乳糖存在、葡萄糖缺乏」时，乳糖操纵子才高效转录。实验中常用异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）作诱导剂，它能诱导而本身不被分解。

色氨酸操纵子与衰减子

色氨酸操纵子编码合成色氨酸的酶，是阻遏型操纵子：色氨酸充足时，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合，使它结合操纵序列，转录停止。此外还有转录衰减：结构基因前面的前导序列编码一段含两个相邻色氨酸密码子的前导肽，色氨酸多时核糖体很快通过这段序列，前导 mRNA 形成终止子样的发夹结构，转录提前终止；色氨酸缺乏时核糖体停在色氨酸密码子处，前导 mRNA 形成另一种结构，转录继续。

翻译水平的调节与反义 RNA

有些操纵子在翻译水平调节：例如核糖体蛋白操纵子，当核糖体蛋白多于 rRNA 时，多余的某种核糖体蛋白结合自身 mRNA 的特定部位，抑制这一操纵子 mRNA 的翻译，属于自身调控。反义 RNA 能与特定 mRNA 互补结合，阻止它与核糖体结合，从而抑制翻译。

真核基因的表达调控

真核基因表达在多个层次上受调控：

层次	主要方式
转录前（染色质水平）	染色质结构的松紧；DNA 甲基化（启动子区 CpG 岛甲基化一般抑制转录）；组蛋白修饰（组蛋白乙酰化使染色质松弛、有利于转录）；基因扩增和基因重排
转录水平	顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子）与反式作用因子（转录因子）相互作用，是最主要的调控层次
转录后	选择性剪接、mRNA 转运和稳定性、微 RNA 等引起的 RNA 干扰
翻译	起始因子 eIF-2 的磷酸化、mRNA 非翻译区的调控序列、微 RNA
翻译后	蛋白质的加工、修饰和降解（泛素-蛋白酶体途径）

转录因子一般有 DNA 结合域和转录激活域。DNA 结合域常见的结构模体有锌指、亮氨酸拉链和螺旋-环-螺旋。

癌基因

病毒癌基因与原癌基因

肿瘤病毒携带的、能使宿主细胞发生恶性转化的基因叫病毒癌基因，最早在鸡的劳斯肉瘤病毒中发现；它们本来来自宿主细胞的原癌基因，被病毒「拿走」后发生了变化。原癌基因存在于所有正常细胞中，编码生长因子、生长因子受体、信号转导蛋白（如 Ras）、转录因子（如 Myc）等，正常时调控细胞的增殖和分化。

原癌基因的激活

激活方式	要点与例子
点突变	ras 基因的单个碱基突变，使 Ras 蛋白持续活化
基因扩增	原癌基因拷贝数大量增加，如部分乳腺癌中 HER2 基因扩增
染色体易位	原癌基因被移到强启动子或增强子附近，如 Burkitt 淋巴瘤中 myc 基因易位到免疫球蛋白重链基因附近
获得启动子或增强子	反转录病毒的长末端重复序列插入原癌基因附近，使其异常高表达

抑癌基因

抑癌基因正常时抑制细胞增殖、促进分化或诱导凋亡。它们的失活一般要两个等位基因都受损（「二次打击」），才失去抑制作用。

抑癌基因	产物的作用
RB	低磷酸化的 Rb 蛋白结合转录因子 E2F，阻止细胞从 G1 期进入 S 期；Rb 被磷酸化后释放 E2F，细胞进入 S 期。RB 基因最早在视网膜母细胞瘤中发现
p53	DNA 受损时 p53 蛋白增多，诱导 p21 等蛋白抑制细胞周期蛋白依赖性激酶，使细胞停滞在 G1 期以便修复；损伤严重无法修复时诱导细胞凋亡，被称为「基因组卫士」；p53 是人类肿瘤中突变最常见的基因之一