与基因表达调控有关的几组“子”
2022-06-08
摘 要 重点比较了与基因表达有关的外显子、内含子、启动子、终止子、操纵子、复制子、增强子、沉默子等概念的区别和联系，了解它们在基因复制和表达过程中的作用。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词 外显子 内含子 启动子 终止子 操纵子
中图分类号 Q-49 文献标识码 E
除少数病毒以外，绝大多数生物的遗传物质是DNA，DNA执行遗传功能的基本单位是基因，基因通过复制和表达将遗传性状传递给下一代。生物体内基因的数目众多、传递的过程复杂，但是生物体内基因的表达过程是有条不紊地进行。基因的有序传递除了与它的结构有关外，还与基因表达的精细调控有关。下面重点列举与基因表达调控有关的几组“子”，辨析它们在结构和功能上的区别和联系。
1 外显子和内含子
基因是具有遗传效应的DNA片段，主要由编码区和非编码区组成。原核生物基因的编码区是连续的，不存在非编码核苷酸序列，而绝大多数真核生物基因的编码区除了编码蛋白质的核苷酸序列外，还存在非编码的核苷酸序列。真核细胞基因编码区中能够被翻译成蛋白质的编码序列称为外显子，而不能编码蛋白质的非编码序列称为内含子。也就是说绝大多数真核生物基因编码区由外显子和内含子组成，且外显子和内含子交替排列，基因两端起始和结束均为外显子，如果一个真核生物基因具有n个内含子，则相应的外显子是是n+1个（图1）。
真核生物基因中外显子和内含子在最初转录时均保留下来，因为它们的长度和性质的差异，在细胞核内不均匀，所以基因最初转录产物又称为不均一核RNA（简称hnRNA）。但最终内含子部分被剪接，外显子部分被保留，否则会影响基因的表达。不同的剪接可能产生不同的成熟mRNA，有的一个基因初级转录产物经剪接后所有的外显子连接在一起形成一个成熟的mRNA，进而翻译出一种蛋白质。有的一个基因初级转录产物在不同的器官中剪接形成不同的成熟mRNA，从而翻译出不同的蛋白质。
内含子一度被认为是无确定性质的序列，是基因组的垃圾，但越来越多的研究者逐渐认识到内含子有重要的生物学功能，如部分内含子在基因表达过程中有促进基因转录、增加蛋白质变异、增强基因转录忠实性等作用。
2 启动子和终止子
基因的表达首先依赖于转录过程，无论哪个基因的转录均需从特定的位置开始，再到特定的位置结束，这两个位置分别称为启动子和终止子。从位置上讲，启动子一般位于基因的上游，但也有一些基因的启动子位于基因的内部，如tRNA、5S rRNA等。若启动子位于基因的上游，则启动子本身并不被转录；若启动子位于基因的内部，则启动子本身也被转录。从成分上讲，启动子就是一段特殊的DNA，由系列核苷酸组成；从功能上讲，启动子是RNA聚合酶特异性识别和结合的位点，从而驱动基因转录。在原核生物转录系统中，RNA聚合酶能直接识别启动子并启动基因转录，而真核生物转录系统中，RNA聚合酶并不能直接识别启动子序列，还要依赖一些蛋白质辅助因子来识别启动子。
终止子是为转录过程提供终止信号的DNA序列。终止子可分为两类：一类不依赖于蛋白质辅助因子就能实现终止作用；另一类则依赖蛋白质辅助因子才能实现终止作用，这种蛋白质辅助因子称为释放因子。不依赖于蛋白质辅助因子就能实现终止作用的基因在转录终止点之前有一段回文顺序，回文顺序的两个重复部分由几个碱基对组成的节段隔开，因此，这段终止子转录后形成的RNA具有发夹结构，并具有与A互补的一串U，因为A-U之间氢健结合较弱，因而RNA/DNA杂交部分易于拆开。这样有利于转录产物从DNA模板上释放出来，也可使RNA聚合酶从DNA上解离下来，实现转录的终止（图2）。
3 操纵子和复制子
操纵子由在结构和功能上彼此相关的几个结构基因和控制区组成，后者包括启动子和操纵基因。操纵子只在原核生物中存在，下面以发现最早的乳糖操纵子为例来说明它的结构和工作原理。
大肠杆菌在不含乳糖的培养基上培养时，调节基因通过转录翻译生成活性阻遏蛋白，它的构像使它识别操纵基因并与之结合。一旦阻遏蛋白占据了操纵基因，RNA聚合酶就不能与启动子结合，因而不能启动转录过程，进而不能形成消化乳糖的系列酶。当培养基中含有乳糖时，乳糖能和阻遏蛋白结合，使后者构像发生改变而失去活性，从而不能与操纵基因结合而从操纵基因上脱落下来，结果RNA聚合酶就能无阻拦地结合到启动子上，进而使结构基因开始转录产生mRNA，再通过翻译形成消化乳糖的系列酶。这样大肠杆菌就可利用培养基中的乳糖进行代谢活动，一旦培养基中的乳糖消耗完，脱离了乳糖的阻遏蛋白又恢复了活性，又能和操作基因结合而阻止结构基因的转录，从而停止产生消化乳糖的系列酶（图3）。
操纵子模型说明，酶的诱导和阻遏是在调节基因的产物-阻遏蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因的转录而发生的，这种机制有利于减少物质能量的无谓消耗，符合经济性原则。
复制是从DNA分子上的特定部位开始的，这一部位叫做复制原点。细胞中的DNA复制一经开始就会连续复制下去，直至完成细胞中全部基因组DNA的复制。DNA复制从起始点开始直到终点为止，每个这样的DNA单位称为复制子或复制单元。在原核细胞中，每个DNA分子只有一个复制起始点，因而只有一个复制子。而在真核生物中，DNA的复制是从许多起始点开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。所以复制子就是作为含有一个复制起始点的独立复制单元的一个完整DNA分子或DNA分子上的某段区域。
4 增强子和沉默子
基因的表达除了受启动子、调节基因等周围的DNA序列影响外，大多数基因还受增强子的控制，增强子是位于基因上游或下游的碱基序列，增强子能使与它连锁的基因转录频率明显增加，一个增强子的缺失可使转录水平降低100倍或更多。和其他与结构基因距离较近的DNA控制元件相比，增强子的作用特点为：（1） 与结构基因的距离可远可近。有的增强子位于离所作用的基因上游或下游成千上万对碱基，但它可以从一个地方转移到另一个地方，甚至颠倒180°；有的增强子和启动子之间的间隔DNA还能形成环，导致增强子和启动子靠得很近，进而增强转录能力。（2） 增强子的作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。（3） 增强子必须与特定的蛋白质结合后才能发挥增强转录的作用。（4） 增强子只有启动子存在时才能发挥作用，但对启动子不具有特异性，对异源基因也具有增强功能，即增强子不具有物种特异性。
增强子提高转录效率的原理主要是转录因子和增强子结合后诱导染色质或DNA结构变化，增强子还能为转录因子提供进入启动子区的位点，从而增强了基因的转录。
沉默子也称为沉默子元件，是真核基因中的一种特殊的序列，与增强子作用效果相反，但原理有许多类似之处。沉默子的作用原理是与抑制基因转录的阻遏因子结合从而阻断增强子或抑制转录因子的作用，并最终抑制该基因的转录活性。
总之，基因的复制和表达受多种因素的调控，其中与外显子和内含子、启动子和终止子、操纵子和复制子、增强子和沉默子等有关，它们的区别和联系见表1。
参考文献：
[1] 吴相钰.普通生物学[M].北京：高等教育出版社，2005：279.
[2] 靳霞，吕占军.内含子的进化及基因表达调节[J].生命的化学，2008，8（1）：34-35.
[3] 杨荣武.生物化学原理[M].北京：高等教育出版社，2006：672.
[4] 吴相钰.普通生物学[M].北京：高等教育出版社，2005：73-274.
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词 外显子 内含子 启动子 终止子 操纵子
中图分类号 Q-49 文献标识码 E
除少数病毒以外，绝大多数生物的遗传物质是DNA，DNA执行遗传功能的基本单位是基因，基因通过复制和表达将遗传性状传递给下一代。生物体内基因的数目众多、传递的过程复杂，但是生物体内基因的表达过程是有条不紊地进行。基因的有序传递除了与它的结构有关外，还与基因表达的精细调控有关。下面重点列举与基因表达调控有关的几组“子”，辨析它们在结构和功能上的区别和联系。
1 外显子和内含子
基因是具有遗传效应的DNA片段，主要由编码区和非编码区组成。原核生物基因的编码区是连续的，不存在非编码核苷酸序列，而绝大多数真核生物基因的编码区除了编码蛋白质的核苷酸序列外，还存在非编码的核苷酸序列。真核细胞基因编码区中能够被翻译成蛋白质的编码序列称为外显子，而不能编码蛋白质的非编码序列称为内含子。也就是说绝大多数真核生物基因编码区由外显子和内含子组成，且外显子和内含子交替排列，基因两端起始和结束均为外显子，如果一个真核生物基因具有n个内含子，则相应的外显子是是n+1个（图1）。
真核生物基因中外显子和内含子在最初转录时均保留下来，因为它们的长度和性质的差异，在细胞核内不均匀，所以基因最初转录产物又称为不均一核RNA（简称hnRNA）。但最终内含子部分被剪接，外显子部分被保留，否则会影响基因的表达。不同的剪接可能产生不同的成熟mRNA，有的一个基因初级转录产物经剪接后所有的外显子连接在一起形成一个成熟的mRNA，进而翻译出一种蛋白质。有的一个基因初级转录产物在不同的器官中剪接形成不同的成熟mRNA，从而翻译出不同的蛋白质。
内含子一度被认为是无确定性质的序列，是基因组的垃圾，但越来越多的研究者逐渐认识到内含子有重要的生物学功能，如部分内含子在基因表达过程中有促进基因转录、增加蛋白质变异、增强基因转录忠实性等作用。
2 启动子和终止子
基因的表达首先依赖于转录过程，无论哪个基因的转录均需从特定的位置开始，再到特定的位置结束，这两个位置分别称为启动子和终止子。从位置上讲，启动子一般位于基因的上游，但也有一些基因的启动子位于基因的内部，如tRNA、5S rRNA等。若启动子位于基因的上游，则启动子本身并不被转录；若启动子位于基因的内部，则启动子本身也被转录。从成分上讲，启动子就是一段特殊的DNA，由系列核苷酸组成；从功能上讲，启动子是RNA聚合酶特异性识别和结合的位点，从而驱动基因转录。在原核生物转录系统中，RNA聚合酶能直接识别启动子并启动基因转录，而真核生物转录系统中，RNA聚合酶并不能直接识别启动子序列，还要依赖一些蛋白质辅助因子来识别启动子。
终止子是为转录过程提供终止信号的DNA序列。终止子可分为两类：一类不依赖于蛋白质辅助因子就能实现终止作用；另一类则依赖蛋白质辅助因子才能实现终止作用，这种蛋白质辅助因子称为释放因子。不依赖于蛋白质辅助因子就能实现终止作用的基因在转录终止点之前有一段回文顺序，回文顺序的两个重复部分由几个碱基对组成的节段隔开，因此，这段终止子转录后形成的RNA具有发夹结构，并具有与A互补的一串U，因为A-U之间氢健结合较弱，因而RNA/DNA杂交部分易于拆开。这样有利于转录产物从DNA模板上释放出来，也可使RNA聚合酶从DNA上解离下来，实现转录的终止（图2）。
3 操纵子和复制子
操纵子由在结构和功能上彼此相关的几个结构基因和控制区组成，后者包括启动子和操纵基因。操纵子只在原核生物中存在，下面以发现最早的乳糖操纵子为例来说明它的结构和工作原理。
大肠杆菌在不含乳糖的培养基上培养时，调节基因通过转录翻译生成活性阻遏蛋白，它的构像使它识别操纵基因并与之结合。一旦阻遏蛋白占据了操纵基因，RNA聚合酶就不能与启动子结合，因而不能启动转录过程，进而不能形成消化乳糖的系列酶。当培养基中含有乳糖时，乳糖能和阻遏蛋白结合，使后者构像发生改变而失去活性，从而不能与操纵基因结合而从操纵基因上脱落下来，结果RNA聚合酶就能无阻拦地结合到启动子上，进而使结构基因开始转录产生mRNA，再通过翻译形成消化乳糖的系列酶。这样大肠杆菌就可利用培养基中的乳糖进行代谢活动，一旦培养基中的乳糖消耗完，脱离了乳糖的阻遏蛋白又恢复了活性，又能和操作基因结合而阻止结构基因的转录，从而停止产生消化乳糖的系列酶（图3）。
操纵子模型说明，酶的诱导和阻遏是在调节基因的产物-阻遏蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因的转录而发生的，这种机制有利于减少物质能量的无谓消耗，符合经济性原则。
复制是从DNA分子上的特定部位开始的，这一部位叫做复制原点。细胞中的DNA复制一经开始就会连续复制下去，直至完成细胞中全部基因组DNA的复制。DNA复制从起始点开始直到终点为止，每个这样的DNA单位称为复制子或复制单元。在原核细胞中，每个DNA分子只有一个复制起始点，因而只有一个复制子。而在真核生物中，DNA的复制是从许多起始点开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。所以复制子就是作为含有一个复制起始点的独立复制单元的一个完整DNA分子或DNA分子上的某段区域。
4 增强子和沉默子
基因的表达除了受启动子、调节基因等周围的DNA序列影响外，大多数基因还受增强子的控制，增强子是位于基因上游或下游的碱基序列，增强子能使与它连锁的基因转录频率明显增加，一个增强子的缺失可使转录水平降低100倍或更多。和其他与结构基因距离较近的DNA控制元件相比，增强子的作用特点为：（1） 与结构基因的距离可远可近。有的增强子位于离所作用的基因上游或下游成千上万对碱基，但它可以从一个地方转移到另一个地方，甚至颠倒180°；有的增强子和启动子之间的间隔DNA还能形成环，导致增强子和启动子靠得很近，进而增强转录能力。（2） 增强子的作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。（3） 增强子必须与特定的蛋白质结合后才能发挥增强转录的作用。（4） 增强子只有启动子存在时才能发挥作用，但对启动子不具有特异性，对异源基因也具有增强功能，即增强子不具有物种特异性。
增强子提高转录效率的原理主要是转录因子和增强子结合后诱导染色质或DNA结构变化，增强子还能为转录因子提供进入启动子区的位点，从而增强了基因的转录。
沉默子也称为沉默子元件，是真核基因中的一种特殊的序列，与增强子作用效果相反，但原理有许多类似之处。沉默子的作用原理是与抑制基因转录的阻遏因子结合从而阻断增强子或抑制转录因子的作用，并最终抑制该基因的转录活性。
总之，基因的复制和表达受多种因素的调控，其中与外显子和内含子、启动子和终止子、操纵子和复制子、增强子和沉默子等有关，它们的区别和联系见表1。
参考文献：
[1] 吴相钰.普通生物学[M].北京：高等教育出版社，2005：279.
[2] 靳霞，吕占军.内含子的进化及基因表达调节[J].生命的化学，2008，8（1）：34-35.
[3] 杨荣武.生物化学原理[M].北京：高等教育出版社，2006：672.
[4] 吴相钰.普通生物学[M].北京：高等教育出版社，2005：73-274.