劉學(xué)廷

摘 要 重點(diǎn)比較了與基因表達(dá)有關(guān)的外顯子、內(nèi)含子、啟動(dòng)子、終止子、操縱子、復(fù)制子、增強(qiáng)子、沉默子等概念的區(qū)別和聯(lián)系，了解它們?cè)诨驈?fù)制和表達(dá)過(guò)程中的作用。

關(guān)鍵詞 外顯子 內(nèi)含子 啟動(dòng)子 終止子 操縱子

中圖分類(lèi)號(hào) Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 E

除少數(shù)病毒以外，絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是DNA，DNA執(zhí)行遺傳功能的基本單位是基因，基因通過(guò)復(fù)制和表達(dá)將遺傳性狀傳遞給下一代。生物體內(nèi)基因的數(shù)目眾多、傳遞的過(guò)程復(fù)雜，但是生物體內(nèi)基因的表達(dá)過(guò)程是有條不紊地進(jìn)行。基因的有序傳遞除了與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與基因表達(dá)的精細(xì)調(diào)控有關(guān)。下面重點(diǎn)列舉與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的幾組“子”，辨析它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和功能上的區(qū)別和聯(lián)系。

1 外顯子和內(nèi)含子

基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，主要由編碼區(qū)和非編碼區(qū)組成。原核生物基因的編碼區(qū)是連續(xù)的，不存在非編碼核苷酸序列，而絕大多數(shù)真核生物基因的編碼區(qū)除了編碼蛋白質(zhì)的核苷酸序列外，還存在非編碼的核苷酸序列。真核細(xì)胞基因編碼區(qū)中能夠被翻譯成蛋白質(zhì)的編碼序列稱(chēng)為外顯子，而不能編碼蛋白質(zhì)的非編碼序列稱(chēng)為內(nèi)含子。也就是說(shuō)絕大多數(shù)真核生物基因編碼區(qū)由外顯子和內(nèi)含子組成，且外顯子和內(nèi)含子交替排列，基因兩端起始和結(jié)束均為外顯子，如果一個(gè)真核生物基因具有n個(gè)內(nèi)含子，則相應(yīng)的外顯子是是n+1個(gè)（圖1）。

真核生物基因中外顯子和內(nèi)含子在最初轉(zhuǎn)錄時(shí)均保留下來(lái)，因?yàn)樗鼈兊拈L(zhǎng)度和性質(zhì)的差異，在細(xì)胞核內(nèi)不均勻，所以基因最初轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物又稱(chēng)為不均一核RNA（簡(jiǎn)稱(chēng)hnRNA）。但最終內(nèi)含子部分被剪接，外顯子部分被保留，否則會(huì)影響基因的表達(dá)。不同的剪接可能產(chǎn)生不同的成熟mRNA，有的一個(gè)基因初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)剪接后所有的外顯子連接在一起形成一個(gè)成熟的mRNA，進(jìn)而翻譯出一種蛋白質(zhì)。有的一個(gè)基因初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)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(zhì)。

內(nèi)含子一度被認(rèn)為是無(wú)確定性質(zhì)的序列，是基因組的垃圾，但越來(lái)越多的研究者逐漸認(rèn)識(shí)到內(nèi)含子有重要的生物學(xué)功能，如部分內(nèi)含子在基因表達(dá)過(guò)程中有促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄、增加蛋白質(zhì)變異、增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄忠實(shí)性等作用。

2 啟動(dòng)子和終止子

基因的表達(dá)首先依賴(lài)于轉(zhuǎn)錄過(guò)程，無(wú)論哪個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄均需從特定的位置開(kāi)始，再到特定的位置結(jié)束，這兩個(gè)位置分別稱(chēng)為啟動(dòng)子和終止子。從位置上講，啟動(dòng)子一般位于基因的上游，但也有一些基因的啟動(dòng)子位于基因的內(nèi)部，如tRNA、5S rRNA等。若啟動(dòng)子位于基因的上游，則啟動(dòng)子本身并不被轉(zhuǎn)錄；若啟動(dòng)子位于基因的內(nèi)部，則啟動(dòng)子本身也被轉(zhuǎn)錄。從成分上講，啟動(dòng)子就是一段特殊的DNA，由系列核苷酸組成；從功能上講，啟動(dòng)子是RNA聚合酶特異性識(shí)別和結(jié)合的位點(diǎn)，從而驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。在原核生物轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)中，RNA聚合酶能直接識(shí)別啟動(dòng)子并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄，而真核生物轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)中，RNA聚合酶并不能直接識(shí)別啟動(dòng)子序列，還要依賴(lài)一些蛋白質(zhì)輔助因子來(lái)識(shí)別啟動(dòng)子。

終止子是為轉(zhuǎn)錄過(guò)程提供終止信號(hào)的DNA序列。終止子可分為兩類(lèi)：一類(lèi)不依賴(lài)于蛋白質(zhì)輔助因子就能實(shí)現(xiàn)終止作用；另一類(lèi)則依賴(lài)蛋白質(zhì)輔助因子才能實(shí)現(xiàn)終止作用，這種蛋白質(zhì)輔助因子稱(chēng)為釋放因子。不依賴(lài)于蛋白質(zhì)輔助因子就能實(shí)現(xiàn)終止作用的基因在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有一段回文順序，回文順序的兩個(gè)重復(fù)部分由幾個(gè)堿基對(duì)組成的節(jié)段隔開(kāi)，因此，這段終止子轉(zhuǎn)錄后形成的RNA具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)，并具有與A互補(bǔ)的一串U，因?yàn)锳-U之間氫健結(jié)合較弱，因而RNA/DNA雜交部分易于拆開(kāi)。這樣有利于轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物從DNA模板上釋放出來(lái)，也可使RNA聚合酶從DNA上解離下來(lái)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄的終止（圖2）。

3 操縱子和復(fù)制子

操縱子由在結(jié)構(gòu)和功能上彼此相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)組成，后者包括啟動(dòng)子和操縱基因。操縱子只在原核生物中存在，下面以發(fā)現(xiàn)最早的乳糖操縱子為例來(lái)說(shuō)明它的結(jié)構(gòu)和工作原理。

大腸桿菌在不含乳糖的培養(yǎng)基上培養(yǎng)時(shí)，調(diào)節(jié)基因通過(guò)轉(zhuǎn)錄翻譯生成活性阻遏蛋白，它的構(gòu)像使它識(shí)別操縱基因并與之結(jié)合。一旦阻遏蛋白占據(jù)了操縱基因，RNA聚合酶就不能與啟動(dòng)子結(jié)合，因而不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄過(guò)程，進(jìn)而不能形成消化乳糖的系列酶。當(dāng)培養(yǎng)基中含有乳糖時(shí)，乳糖能和阻遏蛋白結(jié)合，使后者構(gòu)像發(fā)生改變而失去活性，從而不能與操縱基因結(jié)合而從操縱基因上脫落下來(lái)，結(jié)果RNA聚合酶就能無(wú)阻攔地結(jié)合到啟動(dòng)子上，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，再通過(guò)翻譯形成消化乳糖的系列酶。這樣大腸桿菌就可利用培養(yǎng)基中的乳糖進(jìn)行代謝活動(dòng)，一旦培養(yǎng)基中的乳糖消耗完，脫離了乳糖的阻遏蛋白又恢復(fù)了活性，又能和操作基因結(jié)合而阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，從而停止產(chǎn)生消化乳糖的系列酶（圖3）。

操縱子模型說(shuō)明，酶的誘導(dǎo)和阻遏是在調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物-阻遏蛋白的作用下，通過(guò)操縱基因控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄而發(fā)生的，這種機(jī)制有利于減少物質(zhì)能量的無(wú)謂消耗，符合經(jīng)濟(jì)性原則。

復(fù)制是從DNA分子上的特定部位開(kāi)始的，這一部位叫做復(fù)制原點(diǎn)。細(xì)胞中的DNA復(fù)制一經(jīng)開(kāi)始就會(huì)連續(xù)復(fù)制下去，直至完成細(xì)胞中全部基因組DNA的復(fù)制。DNA復(fù)制從起始點(diǎn)開(kāi)始直到終點(diǎn)為止，每個(gè)這樣的DNA單位稱(chēng)為復(fù)制子或復(fù)制單元。在原核細(xì)胞中，每個(gè)DNA分子只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)，因而只有一個(gè)復(fù)制子。而在真核生物中，DNA的復(fù)制是從許多起始點(diǎn)開(kāi)始的，所以每個(gè)DNA分子上有許多個(gè)復(fù)制子。所以復(fù)制子就是作為含有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)的獨(dú)立復(fù)制單元的一個(gè)完整DNA分子或DNA分子上的某段區(qū)域。

4 增強(qiáng)子和沉默子

基因的表達(dá)除了受啟動(dòng)子、調(diào)節(jié)基因等周?chē)腄NA序列影響外，大多數(shù)基因還受增強(qiáng)子的控制，增強(qiáng)子是位于基因上游或下游的堿基序列，增強(qiáng)子能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加，一個(gè)增強(qiáng)子的缺失可使轉(zhuǎn)錄水平降低100倍或更多。和其他與結(jié)構(gòu)基因距離較近的DNA控制元件相比，增強(qiáng)子的作用特點(diǎn)為：（1） 與結(jié)構(gòu)基因的距離可遠(yuǎn)可近。有的增強(qiáng)子位于離所作用的基因上游或下游成千上萬(wàn)對(duì)堿基，但它可以從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方，甚至顛倒180°；有的增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的間隔DNA還能形成環(huán)，導(dǎo)致增強(qiáng)子和啟動(dòng)子靠得很近，進(jìn)而增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄能力。（2） 增強(qiáng)子的作用與其序列的正反方向無(wú)關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。（3） 增強(qiáng)子必須與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合后才能發(fā)揮增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的作用。（4） 增強(qiáng)子只有啟動(dòng)子存在時(shí)才能發(fā)揮作用，但對(duì)啟動(dòng)子不具有特異性，對(duì)異源基因也具有增強(qiáng)功能，即增強(qiáng)子不具有物種特異性。

增強(qiáng)子提高轉(zhuǎn)錄效率的原理主要是轉(zhuǎn)錄因子和增強(qiáng)子結(jié)合后誘導(dǎo)染色質(zhì)或DNA結(jié)構(gòu)變化，增強(qiáng)子還能為轉(zhuǎn)錄因子提供進(jìn)入啟動(dòng)子區(qū)的位點(diǎn)，從而增強(qiáng)了基因的轉(zhuǎn)錄。

沉默子也稱(chēng)為沉默子元件，是真核基因中的一種特殊的序列，與增強(qiáng)子作用效果相反，但原理有許多類(lèi)似之處。沉默子的作用原理是與抑制基因轉(zhuǎn)錄的阻遏因子結(jié)合從而阻斷增強(qiáng)子或抑制轉(zhuǎn)錄因子的作用，并最終抑制該基因的轉(zhuǎn)錄活性。

總之，基因的復(fù)制和表達(dá)受多種因素的調(diào)控，其中與外顯子和內(nèi)含子、啟動(dòng)子和終止子、操縱子和復(fù)制子、增強(qiáng)子和沉默子等有關(guān)，它們的區(qū)別和聯(lián)系見(jiàn)表1。

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