基因表达调控的基本原理
原核生物和真核生物的基因表达调控尽管在细节上差异很大，但两者的调控模式及调控原理却极为相似。调节作用主要包括核酸分子之间的相互作用、核酸与蛋白质之间的相互作用以及蛋白质之间的相互作用。调控作用可能是正向的也可能是负向的；调控层次可以是转录水平的调控，包括基因的转录激活、转录起始、转录阻止等，也可以是转录后水平的调控，包括前体mRNA的加工、mRNA降解等，还可以是翻译水平的调控，包括蛋白质翻译的起始、肽链的延长、翻译的终止及翻译速率的改变等，还可以是翻译后水平的调控，包括多肽链的加工、修饰、分泌和蛋白质降解等。其中基因表达在转录水平上的调控是最为经济有效和灵活的方式。
1.特异DNA序列对基因表达的影响
无论是原核生物还是真核生物，都是由其DNA分子上的特定序列构成基因表达的基本信号。从起始密码到终止密码，从编码序列到调控序列，从单拷贝序列到重复序列，无一不在基因表达中发挥重要作用。在原核生物中，基因表达的调控主要以操纵子模式来实现。转录起始环节的调控始终是调控中最重要、最基础的调控点之一。如前所述，操纵子通常包括启动序列（启动子）、操纵序列、编码序列和调节序列。启动序列是RNA聚合酶识别、结合并启动转录的特异DNA序列。原核基因的启动序列在转录起始点上游-10—-35 bp通常存在一些保守序列，称为共有序列或一致性序列。该序列中碱基的突变或改变将影响其对RNA聚合酶的亲和力，从而直接影响转录起始的频率。因此，共有序列决定启动子的转录活性，如大肠杆菌中有些基因每秒转录一次，而有些基因一个世代也不转录一次。这种显著的差异是由启动子序列的差异决定的。当无其他因素影响时，启动子本身的差别可以使转录起始的效率相差1 000倍或更多。操纵序列与启动序列毗邻，并可能与启动序列交错、重叠，它是阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列与阻遏蛋白结合后，可以阻止转录的起始。操纵子中的调节序列可与特异性的调节蛋白结合，激活或抑制转录。
真核生物的基因组很庞大，其中非编码序列远比编码序列多。真核基因的转录调控机制中广泛存在各种特定的DNA序列——顺式作用元件。根据顺式作用元件在基因中的位置和作用，可分为启动子、增强子和沉默子等。通常将一些高度保守的调控基序称为“盒”，如TATA盒、CCAAT盒等，它们是调节蛋白结合与作用的位点。
2.DNA与蛋白质之间的相互作用
DNA上的特定调控序列可以与相应的调控蛋白结合。这些蛋白质在真核生物中统称为转录因子，在原核生物中，这些蛋白质依其作用性质分为阻遏蛋白、激活蛋白和特异因子。阻遏蛋白与操纵序列结合，阻止基因的转录起始。激活蛋白与启动子前的正控制调控序列结合，促进转录的起始。真核生物中的转录因子以反式作用方式与顺式作用元件结合，调节转录活性，所以这些因子也被称为反式作用因子。上述DNA—蛋白质之间的结合通常以非共价键的形式实现，通过蛋白质分子中具有特殊结构的功能域与DNA分子双螺旋结构中的大沟结合来调节基因的转录。这些功能域常见的结构特征有如下两种。
（1）螺旋—转角—螺旋 这种结构模式具有两个较短的α-螺旋片段，每个片段有7～9个氨基酸残基，两个螺旋片段之间由β-转角结构联系。其中一个α-螺旋是顺式元件的识别螺旋，含有较多能与DNA相互作用的氨基酸残基，此螺旋进入DNA双螺旋结构的大沟。λ噬菌体的λ抑制子利用螺旋—转角—螺旋结构与DNA结合的示意图如图2-8所示。
图2-8 λ噬菌体的λ抑制子利用螺旋—转角—螺旋结构与DNA结合示意图
（2）锌指 锌指结构由一个含有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4个半胱氨酸（4 Cys）或2个半胱氨酸和2个组氨酸（2 Cys-2 His）配位的Zn2+构成，结构像手指状，如图2-9所示。锌指结构在多种真核生物的转录因子与DNA结合的功能域中存在，而且一般具有多个相同的锌指，如转录因子Spl具有3个锌指，能与DNA双螺旋的大沟结合。锌指结构域与DNA相互作用的示意图如图2-10所示。
图2-9 锌指结构域示意图
3.蛋白质之间的相互作用
调节蛋白通常以同源二聚体或同源多聚体的形式与DNA结合。不同的调节蛋白也可以异源多聚体形式相互结合后，再与DNA的顺式作用因子结合，调节基因转录，这在真核生物中较为常见。蛋白质相互作用功能域的典型结构特征是亮氨酸拉链结构和螺旋—环—螺旋结构。
图2-10 锌指结构域与DNA的相互作用
（1）亮氨酸拉链结构 亮氨酸拉链结构是指在调控蛋白的肽链中，每隔7个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基，这段肽链所形成的α-螺旋会出现一个由亮氨酸残基组成的疏水面，而另一面则是由亲水性氨基酸残基构成的亲水面。由亮氨酸残基组成的疏水面即为亮氨酸拉链条，两个具有亮氨酸拉链条的反式作用因子，就能借疏水作用形成二聚体，如图2-11所示。在具有亮氨酸拉链结构的调节蛋白中，行使与DNA结合这一功能的是“拉链”区以外的结构，亮氨酸拉链结构对二聚体的形成是必需的。
图2-11 亮氨酸拉链结构
（2）螺旋—环—螺旋结构 螺旋—环—螺旋结构与亮氨酸拉链结构一样，与形成反式因子二聚体有关，许多反式作用因子往往具有这种结构。在这种结构中含有保守性较高的50个氨基酸残基组成的肽段，其中既含有与DNA结合的结构，又含有形成二聚体的结构，这部分肽段能形成两个较短的α-螺旋，两个α-螺旋之间有一段能形成环状的肽链，α-螺旋具兼性，即具有疏水面和亲水面（上述亮氨酸拉链也是兼性α-螺旋）。两个具有螺旋—环—螺旋的反式因子能形成二聚体，有利于反式因子的DNA结合域与DNA结合，如图2-12所示。
图2-12 螺旋—环—螺旋结构形成二聚体