part14 细胞分化与基因表达调控-细胞生物学
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part14 细胞分化与基因表达调控
第十四章 细胞分化与基因表达调控
多细胞有机体是由各种不同类型的细胞组成的，而这些细胞又都是由一个受精卵细胞经增殖分裂和细胞分化衍生而来的后裔。在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化(cell differention)。细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。
真核细胞基因表达的调控
第一节 细胞分化
一、细胞分化的基本概念
（一）细胞分化是基因选择性表达的结果
早期人们推测细胞分化是由于细胞在发育过程中遗传物质的选择性丢失所致。现代分子生物学的证据表明，细胞分化是由于基因选择性的表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。
不同类型的细胞在发育过程中表达一套特异的基因，其产物不仅决定细胞的形态结构，而且执行各自的生理功能。
输卵管细胞—合成卵清蛋白
鸡的 成红细胞 —合成b珠蛋白
胰岛细胞 —合成胰岛素
Southern杂交（DNA)：三种细胞基因组DNA中均含有上述三种基因
Northern杂交(RNA)：各自表达其自身的mRNA
(二)组织特异性基因与管家基因
细胞分化是通过严格而精密调控的基因表达实现的。分化细胞基因组中所表达的基因大致可以分为两种基本类型：
管家基因(house-keeping genes)：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的。如微管蛋白基因、核糖体蛋白基因等。
组织特异性基因(tissue-specific genes),或称奢侈基因(luxury genes)：不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的生理功能。如卵清蛋白基因等。
调节基因(regulatory gene)，其产物用于调节组织特异性基因的表达，或者起激活作用，或者起阻抑作用。
细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达(differential express)。这种差异表达不仅涉及到基因转录水平和转录后加工水平上的精确调控，而且还涉及染色体和DNA水平，翻译和翻译后加工与修饰水平上的复杂而严格的调控过程。
(三)组合调控引发组织特异性基因的表达
有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化。其机制就是组合调控(combinational control)的方式，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调控完成的。
在启动细胞分化的各类调控蛋白组合中，其中往往是只有一两种调控蛋白是起决定性的因子。这样，单一调控蛋白就有可能启动整个细胞分化过程。
最明显的例子是在成肌细胞分化为骨骼肌细胞的过程中，一种关键性调控蛋白MyoD在体外培养的成纤维细胞中表达，结果使来自皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征，如表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白并构成收缩器，在质膜上产生对神经刺激敏感的受体蛋白和离子通道蛋白，并融合成肌细胞样的多核细胞等。显然在成纤维细胞中已经具备了肌细胞特异性基因表达所需要的其他必要调控蛋白，一旦加入MyoD后，即形成了启动肌细胞分化的特异的调控蛋白组合。
(四)单细胞有机体的细胞分化
细胞分化并非多细胞有机体独有的特征。单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化问题。如枯草杆菌芽孢的形成，啤酒酵母单倍体孢子的形成及萌发形成的a和α两种交配型。单细胞与多细胞有机体细胞分化的不同之处是：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。
(五)转分化与再生
一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称转分化(transdifferentiation)，经历去分化和再分化。
去分化是指分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化细胞特征的过程。
再生(regeneration)是指生物体缺失一部分后发生重建的过程。广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。
再生现象又从另一个侧面反映了细胞的全能性。
二、影响细胞分化的因素
通过组合调控的方式启动组织特异性基因的表达是细胞分化的基本机制。因此有必要从细胞的基因组入手来了解与分析影响细胞分化的因素。
(一)细胞的全能性
细胞全能性(totipotency)是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。受精卵及早期胚胎细胞都是具有全能性的细胞，植物的体细胞在适宜条件下可培育成正常的植株也是细胞全能性的有力证据。
多潜能性(pluripotency)高等动物细胞随着胚胎的发育，细胞逐渐丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能
干细胞(stem cell)具有多潜能性的细胞；胚胎干细胞、多能造血干细胞。单能干细胞——仅具有分化形成某一种类型能力的细胞。
终末分化(terminal differentiation)由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程称为终末分化
一般情况下，在整个发育过程中，细胞分化潜能逐渐受到限制而变窄，即由全能性细胞转化为多能和单能干细胞。但是对于细胞核而言，却始终保持其分化的全能性。终末分化的细胞，其细胞核也具有全能性。
高等动物卵细胞的细胞质对细胞分化具有重要作用。
(二)影响细胞分化的因素
细胞中组织特异性基因的选择性表达主要是由调控蛋白所启动。调控蛋白的组合是影响细胞分化的主要的直接因素。一般来说，这种影响主要受胞外信号系统的调控，而胞外信号甚至细胞微环境的调控又是通过细胞自身的因素如胞内因素、细胞位置等起作用的。
此外，外部环境对某些物种细胞分化乃至个体发育也会产生很大的影响。
(二)影响细胞分化的因素
1．胞外信号分子对细胞分化的影响
在研究早期胚胎发育过程中发现，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用(promixate tissue interaction)，也称为胚胎诱导。
一个典型的例证：眼的发生中本身的逐级诱导过程
正常情况下：视泡→上皮细胞发育成晶状体→二者共同诱导表皮细胞形成角膜。
另一种情况：早期视泡移植在头部的其他部位，诱导其外胚层晶状体
近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素(又称细胞生长分化因子)来实现的。
另一种远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素来调节的。
2．细胞记忆与决定
信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化。
细胞决定(cell determination) 细胞分化意味着某些特异性蛋白质的优先合成，以适应某种生理功能。另一方面，从形态上看，大多数细胞适应于特化的功能，在形态上发生相应的改变。这种在结构与功能上逐渐特化的结果，使机体细胞之间产生了稳定的差异，出现了执行不同生理功能的各组织的分化细胞。而在许多情况下，在能识别一个细胞的分化以前，就有了一个预先保证细胞怎样变化的时期，这一阶段称为细胞决定。
细胞的决定与细胞的记忆有关，而细胞记忆可能通过二种方式实现：一是正反馈途径(positive feedback loop)，即细胞接受信号刺激后，活化转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因的表达，还诱导其他组织特异性基因的表达；二是染色体结构变化(DNA与蛋白相互作用)的信息传到子代细胞，如同两条X染色体中，其中一条始终保持凝集失活状态并可在细胞世代间稳定遗传一样。
3．受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响
在不同细胞胚胎发育过程中，细胞决定的时间是不同的，这与卵细胞质中物质分布的不均一性有密切关系。
受精卵每次卵裂，细胞核物质包括基因组(genome)都均匀地分配到子细胞中，它们都是等能的，但受精卵的细胞质物质分布及其在细胞中的分配并不是十分均匀的，有的物质在细胞中有一定的区域分布。这种不均匀性，对胚胎的早期发育有很大影响，在一定程度上决定了细胞的早期分化。这种特殊物质被称为决定子(determinant)，它们在受精卵中的特殊定位以及卵裂时对各子细胞分配的不均匀性，称为细胞质定域。
4．细胞间的相互作用与位置效应
胚胎学研究中，把细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建的影响，称为胚胎诱导(embryonic induction)。胚胎诱导作用不断强化并可分成不同的层次，虽然人们对胚胎诱导作用的机制还不清楚，但包括旁泌素等信号分子的作用显然是其重要原因之一。
细胞所处的位置不同对细胞分化的命运也有明显的影响。改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应(position effect)。“位置信息”是产生效应的主要原因。位置信息实际上是一种信号分子，它可影响邻近细胞的分化方向。
5．环境对性别决定的影响
性别决定是细胞分化和生物个体发育研究领域的重要课题之一。
环境因素对细胞分化可产生影响，并进而影响到生物的个体发育。但是，这些影响因素又都是通过细胞自身的遗传机构发挥作用的。因此总的来说，个体发育中的细胞分化的基础是建立在细胞的内部，而环境因素只是条件。
6．染色质变化与基因重排对细胞分化的影响
染色体丢失是细胞分化的一个特例。马蛔虫仅有1对或两对染色体，卵裂过程中出现染色体消减现象，追溯至32个细胞的分裂球阶段，发现除将分化为生殖细胞的细胞保留正常染色体外，其余全部出现染色体丢失现象。
基因重排是细胞分化的另一种特殊方式。抗体是由浆细胞分泌的，而浆细胞是由B淋巴细胞分化而来。在这一过程中，B淋巴细胞中的DNA经过断裂丢失与重排的复杂变化从而利用有限的免疫球蛋白基因，在理论上可表达出数百亿种抗体。
三 细胞分化与胚胎发育
人们发现一套在果蝇体节发育中起关键作用的基因群，称同源异型基因(Hox genes)。因其在基因表达调控中的主导作用又称homeotic selector gene，亦称Hox基因。在控制果蝇体节发育中为表达较晚的一类基因，是最后控制发育为成体果蝇前后各体节形态特征的基因。
同源异形基因的特点：①许多同源异形基因都含有一段高度保守的由180bp组成的DNA序列，称同源框（homeobox)。同源框编码的60个氨基酸又称同源异型结构域，所形成的α螺旋-转角α螺旋结构可与特异DNA片段中的大沟相互作用启动基因的表达。②同源异形基因特异性沿动物体轴定位。③Hox基因不仅存在于果蝇中，而且存在于多种无脊椎动物和高等的脊椎动物中。果蝇中有一套Hox基因，而脊椎动物中有4套Hox基因，它们都具有非常保守的同源框结构。不同动物中的同源异型结构域氨基酸序列的同源性一般为60％～80％。
第二节癌细胞
癌细胞(cancer cell)与正常分化细胞不同的一点是：不同类型的分化细胞都具有相同的基因组；而癌细胞的细胞类型与特征相近，但基因组却发生不同形式的突变。随着环境因素的影响，基因突变率提高，细胞癌变的几率也随之增加。
细胞增殖的失控是肿瘤细胞一个非常显著的标志，两大类基因的突变会造成细胞癌变：一类是增殖基因，它们编码推进细胞分裂的周期蛋白；另一类为抗增殖基因，它们编码那些在关卡阻滞细胞周期的蛋白。
基因突变使细胞及其子代细胞内的原癌基因激活或抑癌基因失活，造成细胞的无限制地增殖。
动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞(tumor cell)。具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤(malignancy)，上皮组织的恶性肿瘤称为癌。目前癌细胞已作为恶性肿瘤细胞的通用名称。其主要特征是：
1．细胞生长与分裂失去控制
在正常机体中细胞或处于生长与分裂状态，或处于静止状态，执行其特定的生理功能(如肝细胞和神经细胞)。在成体的一些组织中，会有新生细胞的增殖，衰老细胞的死亡，在动态平衡中维持组织与器官的稳定，这是一种严格受控的过程。而癌细胞失去控制，成为“不死”的永生细胞，核质比例增大，分裂速度加快，结果破坏了正常组织的结构与功能。
2．具有侵润性和扩散性
动物体内特别是衰老的动物体内常常出现肿瘤，这些肿瘤细胞仅位于某些组织特定部位，称之为良性肿瘤，如疣和息肉。如果肿瘤细胞具有浸润性和扩散性，则称之为恶性肿瘤，即癌症发生。
良性肿瘤与恶性肿瘤细胞的最主要区别是：恶性肿瘤细胞(癌细胞)的细胞间粘着性下降，具有浸润性和扩散性，易于浸润周围健康组织，或通过血液循环或通过淋巴途径转移并在其他部位粘着和增殖。经转移并在身体其他部位增殖产生的次级肿瘤称为转移灶(metastasis)。这是癌细胞的基本特征；此外，在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组织细胞的结构和功能。
3．细胞间相互作用改变
正常细胞之间的识别主要是通过细胞表面特异性蛋白的相互作用实现的，进而形成特定的组织与器官。癌细胞冲破了细胞识别作用的束缚，在转移过程中，除了要产生水解酶类(如用于水解基底膜成分的酶类)，而且要异常表达某些膜受体蛋白，以便与别处细胞粘着并生长。同时借此逃避免疫监视作用，防止天然杀伤细胞等的识别和攻击。
4．蛋白表达谱系或蛋白活性改变
癌细胞的蛋白表达谱系中，往往出现一些在胚胎细胞中所表达的蛋白，如在肝癌细胞中表达胚肝细胞中的多种蛋白。多数癌细胞中具有较高的端粒酶活性。此外癌细胞还异常表达与其恶性增殖、扩散等过程相关的蛋白成分，如纤连蛋白减少，某些癌蛋白过度表达。
5．mRNA转录谱系的改变
癌细胞的种种生物学特征主要归结于其基因表达及调控方向的改变。人们曾用基因表达谱分析技术(serialanalysiso{gene expression。SAG-E}刘乳腺癌和直肠癌细胞与正常细胞中基因表达谱进行了比较。在检测的30万个转录片段(transcripts)，至少相当于4．5万个所表达的基因中约有500个转录片段(相当于75个基因)有明显不同，仅占整个基因表达谱中的很少——部分。
此外，由于癌细胞突变位点不同，同一种癌甚至同一癌灶中的不同癌细胞之间也可能具有不同的表型，而且其表型不稳定，特别是具有高转移潜能的癌细胞其表型更不稳定，这就决定了癌细胞异质性的特征。
6．体外培养的恶性转化细胞的特征
应用人工诱导技术可培养出恶性转化(malignanttransformation)的细胞及恶性程度不同的转化细胞。恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖的潜能，在体外培养时贴壁性下降，可不依附在培养器皿壁上生长，有些还可进行悬浮式培养；正常细胞生长到彼此相互接触时，其运动和分裂活动将会停止，即所谓接触抑制(contactinhibition)。癌细胞失去运动和分裂的接触抑制，在琼脂培养基中可形成细胞克隆，这也是细胞恶性程度的标志之一。当将恶性转化细胞注入易感生物体内，往往会形成肿瘤。对体外培养的恶性转化细胞及癌细胞的比较 研究有助于了解癌细胞的特征及发生机制。
癌基因与抑癌基因
增殖基因的突变能导致该基因所编码的蛋白过量或过度活化，从而导致细胞过量增殖。这类突变的基因便称为癌基因。而将其未突变的同源物称为原癌基因。
反过来，导致抗增殖基因失活的突变，则使细胞生长不受限制，结果也使细胞过度繁殖。所以将正常细胞内未突变的抗增殖基因称为抑癌基因。
一般认为原癌基因被激活导致癌变是显性的，即一个等位基因被活化即可显示其致癌作用，而正常细胞中所存在的抑制癌变的基因却是隐性的，仅在两个等位基因都缺失或失活的情况下才能发生癌变。
目前发现近百种癌基因。癌基因编码的蛋白主要包括生长因子、生长因子受体、信号转导通路中的分子、基因转录调节因子和细胞周期调控蛋白等几大类型。细胞信号转导是细胞增殖与分化过程的基本调节方式，而信号转导通路中蛋白因子的突变是细胞癌变的主要原因。
生长因子是细胞增殖调控中的重要因素，它是一类通过与特异的、高亲和性的细胞膜上的受体结合、最终刺激细胞增殖和其他生物学效应的多肽类物质。生长因子受体具有激酶活性，如酪氨酸蛋白激酶、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶等。
癌基因的产物常常是正常细胞不表达、或表达量很少、或表达产物不能调控的一类蛋白。
关于抑癌基因：在视网膜母细胞瘤的细胞中，是由于一种称为Rb的基因突变失活，而导致肿瘤发生。随后又发现p53等基因均有类似的现象，这类基因称为抑癌基因。抑癌基因实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子，它编码的蛋白往往在细胞周期的检验点上起阻止周期进程的作用。如果抑癌基因突变，丧失其细胞增殖的负调控作用，则导致细胞周期失控而过度增殖。
通过细胞增殖相关基因和抑制细胞增殖相关基因的协同作用，共同调控细胞的正常增殖进程。肿瘤的基本特征之一是细胞增殖失控，恰恰也是这两大类基因的突变，破坏了正常细胞增殖的调控机制，形成了具有无限分裂潜能的肿瘤细胞。
癌症是由携带遗传信息的DNA的病理变化而引起的疾病。与遗传病不同，癌症主要是体细胞DNA突变，而不是生殖细胞DNA突变。
癌基因(oncogenes)是控制细胞生长和分裂的正常基因的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。癌基因最早发现于诱发肿瘤的劳氏肉瘤病毒(RousSarcomaVirus，属逆转录病毒科)。它携带Src基因，该基因对病毒繁殖不是必要的，但当病毒感染鸡体后可引起细胞癌变。后来人们发现在鸡的正常细胞基因组中也有一个与病毒Src基因同源性很高的基因片段；鸡体内的Src基因编码一种与细胞分裂调控相关的蛋白激酶。它不具有致癌能力，但由于它的发现源于病毒癌基因及其与病毒癌基因的高同源性，因而不恰当地称为细胞癌基因(cellular oncogene)或原癌基因(proto—oncogene)，但也以此表明该基因突变可能有致癌的危险。
对多种致癌的逆转录病毒中存在的癌基因(v—oncogene)的研究，均导致正常细胞中原癌基因的发现，其中很多原癌基因的产物都是细胞生长分裂的调控因子。反过来，在人的多种癌细胞中证实了这些基因发生了突变。
逆转录病毒所携带的癌基因可能是由于这类病毒特殊的增殖方式而从宿主细胞中捕获的，由于碱基序列的突变导致所编码的蛋白产物超活化或失去控制，最终导致肿瘤的形成。
目前已发现近百种癌基因。癌基因编码的蛋白主要包括生长因子(growth factor)、生长因子受体、信号转导通路中的分子、基因转录调节因子和细胞周期调控蛋白等几大类型(表12—3)。当然，因突变而诱发癌症的基因还不只这些。细胞信号转导是细胞增殖与分化过程的基本调节方式，而信号转导通路中蛋白因子的突变是细胞癌变的主要原因。如人类各种癌症中约30％的癌症是信号转导通路中的RaS基因突变引起的。癌基因的产物常常是正常细胞不表达、或表达量很少、或表达产物活性不能调控的一类蛋白。然而人们注意到，在视网膜母细胞瘤(retinoblastoma)的细胞中，是由于一种称为Rb的基因突变失活，而导致肿瘤发生。随后又发现P53等基因均有类似的现象。这类基因称为抑癌基因(tumor-suppressorgene)。抑癌基因实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子，它编码的蛋白往往在细胞周期的检验点上起阻止周期进程的作用。如果抑癌基因突变，丧失其细胞增殖的负调控作用，则导致细胞周期失控而过度增殖。
通过细胞增殖相关基因和抑制细胞增殖相关基因的协同作用，共同调控细胞的正常增殖进程。肿瘤细胞的基本特征之一是细胞增殖失控，恰恰也是这两大类基因的突变，破坏了正常细胞增殖的调控机制，形成了具有无限分裂潜能的肿瘤细胞(图12—3)。
肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果
癌症的发生一般并不是单一基因的突变，而至少在一个细胞中发生5~6个基因突变。才能赋予癌细胞所有的特征，即癌细胞不仅增殖速度快，而且其子代细胞能够逃脱衰老的命运，取代相邻正常细胞的位置，不断从血液中获取营养，进而穿越基膜与血管壁在新的组织部位安置、存活与生长。
因此细胞基因组中产生与肿瘤发生相关的某一原癌基因的突变，并非马上形成癌，而是继续生长直至细胞群体中新的偶发突变的产生。某些在自然选择中具有竞争优势的细胞，再经过类似的过程，逐渐形成具有癌细胞一切特征的恶性肿瘤。
根据DNA复制过程中的基因突变率及人的一生中细胞分裂次数推测，在人的一生中，其基因组中每个基因都可能发生10-10次的突变。如果再考虑生活环境中的致癌因素(如辐射等物理因素，化学诱变剂等化学因素和肿瘤病毒感染等生物因素)，令人们感到惊奇的并不是细胞为什么会癌变，而是肿瘤的发生频率为什么如此之低。
根据大量的病例分析，癌症的发生一般并不是单一基因的突变，而至少在一个细胞中发生5~6个基因突变，才能赋予癌细胞所有的特征，即癌细胞不仅增殖速度快，而且其子代细胞能够逃脱细胞衰老的命运，取代相邻正常细胞的位置，不断从血液中获取营养，进而穿越基膜与血管壁在新的组织部位安置、存活与生长。
因此细胞基因组中产生与肿瘤发生相关的某一原癌基因的突变，并非马上形成癌，而是继续生长直至细胞群体中新的偶发突变的产生。某些在自然选择中具有竞争优势的细胞，再经过类似的过程，逐渐形成具有癌细胞一切特征的恶性肿瘤。如直肠癌发生的病程中开始的突变仅在肠壁形成多个良性的肿瘤(息肉)，进一步突变才发展为恶性肿瘤(癌)，全部过程至少需要10~20年或更长时间(图12-4)。因此从这一点上看，癌症是一种典型的老年性疾病，它涉及一系列的原癌基因与肿瘤抑制基因的致癌突变的积累。
在人的二倍体细胞中肿瘤抑制基因有两个拷贝，只要其中一个基因拷贝正常，便可保证正常的调控作用。如两个基因都丢失或失活，才能引起细胞增殖的失控，而原癌基因的两个拷贝中只要有一个基因发生突变，便可能起到与癌基因类似的作用。
在某些癌症病例中，其生殖细胞中原癌基因或肿瘤抑制因子发生致癌突变，致使体内所有的体细胞的相应基因都已变异。在这种情况下，癌变发生所需要的基因突变数的积累时间就会减少，携带这种基因突变的家族成员更易患癌症。
第三节 真核细胞基因表达的调控
原核细胞基因表达与调控在很大程度上取决于环境的诱导和对环境的适应，而对于真核细胞，特别是由数百种不同类型的细胞构成的高等动植物，其基因表达与调控更多地表现在细胞分化和细胞“社会”的协同与稳定。
过去，生物学家曾认为：“细胞分化伴随着某些遗传信息的丢失”，直到20世纪50~60年代，随着一系列关键性实验，这一想法终被屏弃。实验表明，已经分化了的细胞仍保留着细胞全能性(植物)和细胞核全能性(动物)。例如，康奈尔大学的F．Steward等证实了从成熟植物体上分离下来的单个细胞，在适当的条件下，经诱导能长成一株完全发育的植株，而且含有自然条件下正常植株所有类型的细胞。虽然来自成熟动物的单个细胞不能长成新个体，但实验表明这些细胞的核仍包含了发育成新个体的所有必要遗传信息。1997年，Ian Wilmut和他的同事们公布了第一个克隆哺乳动物(Dolly羊)。为了完成这一目前备受争议的成果，他们准备了两种细胞：一种是去核的未受精的绵羊卵细胞，另一种是取自一头成年雌绵羊的乳腺并经过培养的细胞。去核卵细胞与乳腺细胞经电脉冲技术使其融合，该程序实质上是细胞核移植。其后，依靠来自新核的遗传指令，这个卵细胞就发育成一只健康的小羊。上述实验说明，分化细胞的核，无论是来自植物的根还是动物的腺体，都含有分化成许多不同类型细胞所必需的遗传信息。通常一个细菌细胞拥有足以编码大约3 000种多肽的DNA，其中约有三分之一会在任何时间都会典型表达。与此对照，一个人的细胞拥有足以编码几百万种多肽的DNA(60亿bp)，尽管这些DNA中的大多数实际上并不含有编码蛋白质的信息，但据估计，哺乳动物在其一生中还是能合成100 000种不同的多肽。由此估计，一个典型的哺乳类细胞任何时候都在制造大约5 000种不同的多肽。这些多肽的大部分，如糖酵解酶系和呼吸链中的电子传递体，实际上所有体细胞都能合成。与此同时，每种细胞又都在合成与分化状态相应的特有蛋白质。由于在真核细胞中，DNA信息量大，合成的蛋白质种类繁多，因此，真核细胞基因表达的调控是非常复杂的过程，而对它的深入认识可以说才刚刚开始。
想象一下，从一个骨髓的多能造血干细胞发育成一个红细胞的情形。在红细胞的蛋白质中，血红蛋白(hemoglobin)占了95％，但编码血红蛋白的基因在总DNA中还占不到百万分之一。这就意味着细胞不仅要像大海捞针般地在染色体中找到必需的基因，而且对基因表达的调节必须达到高度精密的程度，以使这寥寥几种多肽的合成在细胞中成为占支配地位的活动。由于导致特定蛋白质合成的系列事件是由若干步骤组成的，所以真核细胞基因表达的调控是多级调控系统(multistage regulation system)，主要发生在三个彼此相对独立的水平上(图12-5)：转录水平的调控(transcriptional-level control)，决定某个基因是否会被转录，并决定转录的频率；加工水平的调控(processing level control)，决定初始mRNA转录物(hn RNA)被加工为能翻译成多肽的信使RNA(mRNA)的途径；翻译水平的调控(translational-level contro1)，决定某种mRNA是否会真正得到翻译，如果能得到翻译，还决定翻译的频率和时间长短。
一、转录水平的调控
(一)真核生物的转录激活
正如原核细胞一样，差别基因转录(differential gene transcription)是一种重要的调控机制，在特定时间真核细胞通过差别基因转录选择性地合成蛋白质。许多事实表明，在胚胎发育的不同阶段，不同的组织以及暴露在不同刺激下的细胞，其表达的基因均不相同。近十年来，关于在特定细胞内，某些基因在其他基因均无转录活性的情况下是如何转录的研究取得了很大进展。转录调控由为数众多的蛋白质即转录因子(transcription factors)的作用所主导。这类蛋白质从功能上可分为两类：通用转录因子(general transcription factors)，与结合RNA聚合酶的核心启动子位点结合；特异转录因子(specific transcription factors)，与特异基因的各种调控位点结合，促进或阻抑这些基因的转录。事实上，即使知道了一些转录因子的结构和它们与靶DNA序列之间的相互作用，有时仍不能勾画出它们调控机制的统一蓝图。有时单个基因可能被许多不同的DNA调控位点调节，而这些位点又与各种不同的调控蛋白结合。另外，一个DNA结合蛋白又可联系周围的许多位点，从而控制许多不同基因的表达。基因转录水平的调控错综复杂，且受多种因素影响，包括转录因子与特异DNA序列的亲和力，及其与DNA邻近位点结合的转录因子之间彼此协同作用的能力。
基因转录调控固有的复杂性可以通过研究单基因(以PEPCK基因为例)内部及周围DNA来说明。磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK)是葡萄糖异生作用的关键酶之一，在代谢途径中，将丙酮酸转化为葡萄糖。当久未进食，体内葡萄糖水平降低时，就会在肝细胞中合成此酶；相反，如刚消化了一餐高糖食品之后，该酶的合成明显下降。PEPCK mRNA的合成水平是由多种不同的转录因子共同调控的，包括多种参与调节糖代谢的激素受体。探明PEPCK基因表达调控的关键在于：①阐明为数众多的位于启动子内部的DNA调控序列即顺式作用元件(cis-acting elements)的功能；②确定与这些调控序列结合的转录因子即反式作用因子{trans-actmgfactors}；③解释信号通路即应答选择性基因表达的激活机制。
该基因最邻近的上游调控序列是TATA框，它是基因启动子(promoter)的一个主要元件，启动子位于基因上游的一个调节区，它与RNA聚合酶结合并调节转录的开始，TATA框是许多通用转录因子的装配位点(assemblysite)，这是RNA聚合酶Ⅱ转录真核基因至关重要的前提。除TATA框序列之外，另外两种启动子序列称作CAAT框和GC框，它们对RNA聚合酶起始一个基因的基础水平的转录往往是必需的。CAAT框、GC框与转录因子结合(如NFl和SPl)，存在于许多组织中并广泛参与基因表达调控。一方面TATA框决定转录起始的位点，另一方面CAAT框和GC框决定RNA聚合酶转录基因的效率。这三种普遍的启动子元件的位置见图12-6第1行。
现有两种被普遍采用的方法用于鉴定启动子区域上述特殊位点的功能，一是缺失作图法(deletion mapping)，这种方法要求制备基因启动子区带有各种不同缺失的DNA分子(图12-6)，然后用这些带有不同缺失的DNA分子转染细胞，最后确定细胞转录那些转染DNA的能力。在许多情况下，少数几个核苷酸的缺失并不影响它邻近基因的转录或者说影响很小。然而，如果这些缺失涉及上述几个顺式作用元件时，转录的水平将显著降低(图12-6第2、4、5行)。若启动子区其他部分缺失，则对基础转录的影响较小(图12-6第3、6行)；另一种是DNA足迹法(DNA foot printing)，当转录因子与DNA特异序列结合，可以防止该序列被核酸酶降解，根据这一特性，从细胞中分离染色质并用DNA消化酶(DNA-digesting enzymes)处理，则将降解未与转录因子结合而受到保护的DNA区域。一旦染色质被消化，结合蛋白被去除，即可通过凝胶电泳鉴定被转录因子保护的DNA序列，一旦这些序列被鉴定，便可用于进一步实验来分离识别各种特异序列的转录因子。
具有完整启动子的大部分DNA都能起始基础水平的转录，然后这种基础水平的转录由结合在DNA其他位点上的特异转录因子(活化剂和阻抑物)所调控(促进或阻抑)。
影响PEPCK基因表达的各种激素中有胰岛素、甲状腺激素、胰高血糖素、糖皮质激素等，它们都是作为与DNA结合的特异转录因子而起作用。现以糖皮质激素(glucocorticoids)为例，糖皮质激素是在应激反应中由肾上腺合成的一组甾类激素，它与特异DNA序列结合而促进PEPCK基因表达，该DNA序列称为糖皮质激素反应元件(glucocorticoid response element，GRE)。当甾类激素透过膜进人靶细胞，就与胞质中糖皮质激素受体蛋白结合，导致受体构象的改变，并促使它与另一受体分子相互作用形成二聚体。结合配体的二聚体转移进人细胞核并与DNA分子中GRE序列特异性结合。受体—激素复合物作为一种‘‘活化的”转录因子与基因组中不同的GREs结合(包括位于PEPCK基因上游的GRE)，从而增加基因转录起始速率。相同的GRE序列位于不同染色体上不同基因的上游，这就使单个刺激(糖皮质激素浓度的升高)能同时激活综合性应激反应所必需的多个基因。
除上述启动子内部和周围的DNA序列外，大多数基因的表达还受到远处DNA元件即增强子(enhancer)的调控。增强子与其他DNA调控元件相比有其独特的性质：它们在一个DNA分子内可以试验性地迁移，从一个地方转移到另一个地方，甚至颠倒(旋转180&)，但不影响结合转录因子促进转录的能力。一个增强子的缺失可使转录水平降低100倍或更多。尽管增强子和启动子之间可被大量核苷酸所隔离，有的增强子位于离它们所作用的基因上游或下游成千上万对碱基，但增强子仍可能通过影响启动子而促进转录。因为增强子与启动子之间的间隔DNA能形成环，因此它们也能靠得很近，通过结合蛋白之间的相互作用帮助DNA形成环化结构已经得到证实。与增强子结合的转录因子能通过下列方式促进转录：①诱导染色质变化，促进基础转录装置(如TFⅡB，TFⅡD和RNA聚合酶Ⅱ)在启动子处的装配；②结合增强子的转录因子与结合在基因启动子上的基础转录装置的各种组分相互作用并激活基础转录装置的活性。
像大多数蛋白质一样，在转录水平上参与基因表达调控的转录因子也含有不同的结构域，以介导蛋白质功能的不同方面，典型的转录因子至少包括两个结构域：一个DNA结合结构域(DNA—binding domain)，它结合DNA的特异碱基对序列；另一个是激活结构域(activation domain)，它通过与其他蛋白质相互作用激活转录。此外，许多转录因子还含有一个促进该蛋白与其他蛋白形成二聚体的表面，二聚体的形成被证明是许多不同类型转录因子的共同特征，在基因表达调控中起重要作用。通过比较大量的转录因子的DNA结合结构域发现，大多数转录因子都具有与DNA序列相互作用的几种相关结构模式，在DNA结合蛋白中最常见的结构模式是“锌指”、“螺旋—转角—螺旋”、“螺旋—环—螺旋”、“亮氨酸拉链”结构和HMG框。DNA结合蛋白几大家族的存在事实提示，在进化中已出现了构建可结合DNA3X螺旋的多肽的多种不同机制。绝大多数这种结构模式都含有一段插入DNA双螺旋大沟的结构(通常是一个α螺旋)，并识别其碱基序列。这些基因表达调控蛋白与DNA的结合是靠氨基酸残基和DNA各部分(包括骨架链)之间形成范德华力、离子键和氢键来完成的。DNA结合蛋白不同的结模式分别提供了一个结构上稳定的框架，蛋白质的特异DNA序列识别表面被正确定位在此框架上并和DNA双螺旋相互作用。从真菌到各种动、植物，在调节不同类型细胞活动的大量蛋白质中都发现了这些结构模式。不过应当注意的是尽管转录因子是调节基因表达的主要因素，但它并不是唯一的调控机制。
(二)真核生物的转录阻抑
原核细胞的转录阻抑(transcriptional repression)主要依赖于阻抑物(repressor)，即一种能与DNA结合并阻断附近基因转录的蛋白质。尽管对真核生物基因表达的研究主要集中在转录激活及其调控元件和调控蛋白方面，但很明显真核细胞也同样具有负调控机制。许多与特异启动子元件结合的负调控蛋白已被鉴定，这些负调控蛋白能阻断启动转录所必需的前起始复合体(preinitiation complex)的装配。还有一些阻抑物能与上游DNA序列结合，并抑制转录激活子(transcriptional activator)的结合或其功能。因此，像原核细胞一样，一个真核细胞在特定的生命时期某特定基因的转录方式主要依赖于正调控与负调控因子的平衡。
现有研究发现，DNA甲基化(DNA methylation)与基因表达阻抑有关。对哺乳动物及其他脊椎动物的DNA研究表明，每100个核苷酸就有一个含有甲基基团，并通常是结合在胞嘧啶的5’-C位上。这种简单的化学修饰被认为是一种“标记”，使特定的DNA区域与其他区域区别开来。几乎所有的甲基化胞嘧啶残基都出现在对称序列(symmetrical sequence)的5‘-GC-3’二核苷酸上。这种序列在DNA上并不是随机分布，而是趋向于集中在GC富含“岛”(GC—rich island)上，GC&岛”常位于转录调控区或其附近。
脊椎动物的DNA甲基化是一个动态修饰过程，酶既能将甲基加上，也能将甲基除去。细胞内负责甲基化修饰作用的有两类酶：一是维持性甲基化酶(maintenance methylase)，可在甲基化的DNA模板链指导下使其对应部位发生甲基化；二是构建性甲基化酶(establishment methylase)，它不需要甲基化的DNA模板作指导，可以使完全非甲基化的DNA完成甲基化修饰。实验表明，一个完全非甲基化的DNA分子注射到小鼠受精卵中，它们几乎每个CG位点都会被加上甲基基团。由于维持性甲基化酶不能使完全非甲基化的DNA甲基化，因此在卵中必然存在一种构建性甲基化酶，但这种酶很快消失，于是发育中的组织细胞的DNA依靠维持性甲基化酶维持其甲基化的核苷酸。在哺乳动物一生中DNA甲基化水平存在显著地变化(图12-8)。第一个主要变化发生在受精卵最初几次分裂时期，去甲基化酶清除DNA上几乎所有从亲代遗传下来的甲基化标记。其后，大约在胚胎植入子宫的时候，一种新的甲基化波遍布细胞，构建性甲基化酶使DNA重新建立一个新的甲基化模式。一旦细胞内新的甲基化模式建成，将通过维持性甲基化酶以“甲基化维持”的方式将新的甲基化模式传递到每个子细胞的DNA上。DNA甲基化对哺乳动物的发育很重要，通过基因工程技术，剔除使老鼠产生新甲基化的酶，则幼鼠会在怀孕的中途死亡。
利用特异性切割，CG二核苷酸对的限制性内切酶可以检测DNA甲基化与否。HpgⅡ识别并切割未甲基化的CCGG序列，但对甲基化的CG-二核苷酸对则不起作用；而MspI则可以识别并切割所有CCGG序列，不管是否甲基化。因此，可用MspI来鉴别CCGG的存在，用HpaⅡ来鉴别这些CCGG序列是否甲基化。
应用上述限制性内切酶对许多生物的不同DNA序列进行检测，发现非活跃转录基因的DNA甲基化程度普遍高于活跃转录的基因；而且，含有甲基化DNA的非活性基因在基因活化后通常伴随失去许多甲基基团。因此有人把活性基因的状态称为甲基化不足(under methylation)。在发育过程中，正处于活化状态的基因的调节区的甲基化水平会显著下降。例如，与其他组织相比，在婴儿肝细胞DNA中，位于r球蛋白基因上游区域的甲基化水平显著降低。造成这种差异的原因是在婴儿发育期，这个基因处于高水平转录状态。特别是许多活跃表达的基因，虽然3’端保持甲基化，但其5’端是非甲基化的，这被认为与基因被转录的能力有关。许多研究证据表明，DNA甲基化对维持基因处于非活化状态比其作为起始失活机制起的作用更大。比如，雌性哺乳动物一条X染色体上基因的失活发生在细胞甲基化波出现之前，这被认为是使DNA转入一个更持久地被阻抑的条件。
甲基化作用通过两种方式抑制转录：一是通过干扰转录因子对DNA结合位点的识别；二是将转录因子识别的DNA序列转换为转录阻抑物的结合位点。
不过需要指出，DNA甲基化和去甲基化与基因活性的关系并不是绝对的，DNA甲基化也不是使基因表达失活的一种普遍机制。脊椎动物尤其是哺乳动物比无脊椎动物甲基化程度高得多。有些无脊椎动物如果蝇和其他双翅目昆虫至今未发现DNA甲基化，这说明DNA甲基化是一种进化事件，并随进化程度的提高而逐步增强，因此甲基化和去甲基化在基因表达活性调控中的意义依生物不同而有差异。比较而言，植物的DNA常表现高度甲基化。正如动物的情况一样，研究人工培养的植物细胞表明，植物细胞DNA的甲基化与基因的失活相关。最新研究发现，应用反义寡聚核酸(antisense oligonucleotide)技术可以干扰与DNA甲基化相关的甲基转移酶(methyl transferase)的合成，经过该技术处理的植物，DNA甲基化水平显著降低，结果植物花柄的数目大大增加，这些花柄上着生的花在形态上也有显著变化。
基因组印记(genomic imprinting)是说明甲基化作用在基因表达中具有重要意义的最好例证，也是哺乳动物所特有的现象。直到20世纪80年代中期人们还认为，自父亲遗传来的一套染色体与相应自母亲遗传来的一套染色体在功能上是等价的。但根据许多更深入的研究结果表明，这并不是实际情况。事实上，在哺乳动物发育早期，某些特定基因是活化还是失活仅仅依赖于它们是否被精子或卵子带入受精卵。例如，在小鼠的早期发育中，编码类胰岛素生长因子2(insulinlike growth factor 2，IGF2)的基因只在由父亲传递下来的染色体上有活性，而编码这种蛋白的受体(IGF2R)的基因，只在由母亲传递下来的染色体上有活性。这些类型的基因被认为是按照其亲本的来源带上印记。据估计，哺乳动物的基因组含有超过100个这类基因，定位在几个不同的差异表达类型的染色体群(chromosomal cluster)。
印记模式的失真，特别是那些定位在15号染色体上一簇带有印记的基因的失真与很多罕见的人类遗传失调(genetic disorder)有关。Prader-Willi综合症(PWS)是一种可遗传的神经紊乱，表现为智力迟钝、肥胖和性腺发育不全。当从父亲遗传来的15号染色体携带有包含印记基因的一段很小的缺失时，这种神经紊乱就显现出来。因为父亲染色体带有一个基因的缺失，而母亲染色体带有一个无活性的印记基因，所以个体缺乏有功能的基因拷贝。
由于双亲印记基因的模板在甲基化模式上保持不同，所以DNA甲基化在基因组印记中具有重要作用。在某些情况下，甲基化不足的基因模板是有活性的，反之，在另一些情况下，含有额外甲基的基因是有活性的，而甲基化不足的模板是无转录活性的。印记基因的这些差异，不受在早期胚胎中出现的去甲基化和复甲基化波以及改变非印记基因甲基化状态的影响。生殖细胞有例外，当个体产生配子(精子或卵)的时候，从亲本遗传来的印记必须消除以便重排。必定存在某种机制，在精子形成时某些特殊的基因(如IGF2)带上失活的标记，而另一些基因(如IGF2)在卵子形成时带上失活的标记。无论通过哪种机制，DNA的甲基化在构建和维持印记状态方面都起着关键作用。
二、加工水平的调控
细胞的蛋白质通常是由多基因家族的成员编码的。构成多基因家族的各种基因是在进化过程中，从一个简单原始基因经过重复复制并产生序列分歧演化而来的。一个基因家族编码一组具有功能联系的同源蛋白质，因此多基因家族的形成是产生蛋白质多样性的一种进化机制。此外；蛋白质多样性也能在个体内，通过选择性剪接(alternate splicing)而产生，这是在RNA加工水平上调节基因表达的重要机制。
选择性剪接是一种广泛存在的RNA加工机制，通过这种方式，一个基因能编码两个或多个相关的蛋白质。我们知道，大多数真核细胞的基因为不连续基因，除编码的外显子(exon)之外，还有较长的不编码的内含子；而且在转录时整个基因(包括外显子和内含子)都被忠实地转录，形成细胞内mRNA的前体。在细胞内mRNA的前体有两种基本剪接方式：一是编码蛋白质的不连续基因通过RNA剪接将内含子从mRNA前体中去除，然后规范地将外显子剪接成成熟的mRNA，这种剪接方式称为组成型剪接(constitutivesplicing)。通过组成型剪接，一个基因只产生一种成熟的mRNA，一般也只产生一种蛋白质产物；另一种剪接方式是可调控的选择性剪接。真核生物中有些基因的mRNA前体有几种不同的剪接方式，因而产生不同的成熟mRNA，翻译产生不同的蛋白质。不过，一般情况下通过选择性剪接所导致的外显子改变并不产生根本不同的蛋白质，而是产生一套结构相关、功能相似的蛋白质异形体(protein isoforms)。
在许多情况下，一个特定的mRNA前体被加工的途径不只一条。一种最简单的情况是，一个特殊的内含子可以从转录物上剪切掉，也可以作为最后mRNA的一部分保留下来。这种类型的选择性剪接的一个典型例子是纤连蛋白的合成，这种蛋白在血浆和胞外基质中均存在，但由成纤维细胞产生并滞留在基质中的纤连蛋白与由肝细胞产生并分泌到血浆中的这种蛋白相比，多了两条肽段。这两条肽段是由mRNA前体的一部分编码的，这部分mRNA前体序列在成纤维细胞中加工时被保留下来，而在肝细胞中加工时被切除。
在大多数情况下，某一特定基因、经过选择性剪接产生的蛋白质在长度上是相等的，但在关键区域却有所不同，这些区域会影响一些重要性质，如蛋白质的胞内定位，它们所结合的配体类型或者其催化活性动力学性质。例如，抗体分子既可以是膜结合型蛋白，也可以是分泌型可溶性蛋白，这取决于两个可变外显子中哪一个定位在mRNA的3’端。许多转录因子也是由能进行选择性剪接的基因产生的，所以这些转录因子产生许多变异体，决定细胞不同的分化途径。例如果蝇在胚胎发育过程中，导致胚胎性别决定的发育途径就是通过某些基因的转录产物经过选择性剪接决定的。
由于在成熟mRNA产物中，可能存在的外显子的不同组合，使可选择性剪接变得十分复杂。根据这种机制，某一特定的外显子是否被包括在成熟mRNA内，主要取决于它的3’和5’端剪接位点是否被剪接机器选择为切割位点。有些剪接位点可用“弱’’来形容，表示在一定条件下。它们可以不被剪接机器剪切。这种弱剪接位点的识别和使用被一段RNA序列所主宰，这段RNA序列称为剪接增强子(splicing，enhancer)。剪接增强子位于那些保留-与否受到调节的外显子内，其功能是作为特殊的调节蛋白的结合位点。如果某种特殊的调节蛋白在细 胞内产生，这种蛋白很容易与剪接增强子结合，并进一步募集某些必要的剪接因子到3’或5’端弱剪接位点附近。这类剪接位点的使用导致外显子被包括在mRNA中(图12-9)。如果细胞内不产生某种特殊的调节蛋白，则外显子附近的剪接位点就不会被识别，这个外显子就会随同侧翼的内含子一起被切除。
三、翻译水平的调控
真核细胞翻译水平调控包括多种不同的影响mRNA翻译的调控机制，这些成熟的mRNA是事先从细胞核转运到细胞质中的。在多种不同的调控机制中，我们侧重讨论三个方面：①细胞内特定部位的mRNA的定位；②mRNA是否被翻译及其翻译的频率；③mRNA的半寿期或mRNA稳定性的问题。
翻译水平的调控机制，一般都是通过细胞质中特异的mRNA和多种蛋白质之间的相互作用来实现的。细胞质中成熟mRNA在5’和3’端都含有非编码片段，称作非翻译区(untranslatedregions，UTRs)。5’UTR从mRNA起点的甲基鸟嘌吟核苷帽延伸到AUG起始密码子，而3’UTR从编码区末端的终止密码子延伸至多聚(A)尾巴的末端。多年来，mRNA非翻译区部分大都被忽视了，但近年来人们明显注意到，UTR是大多数翻译调控的影响位点。
(一)mRNA的细胞质定位
启动一个动物受精卵形成胚胎所需要的信息预存在卵子发生期的卵母细胞里。我们将简要地讨论一下果蝇，它的卵、幼虫和成虫期见图12-10。果蝇幼虫和成虫的前后(头-腹)轴的发育由特定mRNA在卵母细胞中沿相同的前后轴向的定位所决定。例如，通过果蝇卵母细胞原位杂交显示，由Biocoid基因转录的mRNA优先定位在卵母细胞的前端，而由Oskar基因转录的mRNA定位在后端。由Biocoid mRNA编码的蛋白质在头部和胸部的发育中起重要作用，而Oskar mRNA编码的蛋白质对在幼虫后端发育的生殖细胞的形成是必需的。
控制mRNA在细胞质中定位的信息位于3’UTR，这可以用携带一个外源基因的果蝇来证明。这个外源基因的编码区和一段编码Biocoid或者Oskar mRNA的3’UTR的DNA序列相连接，当该外源基因在卵子发生期被转录时，则转录的mRNA被定位在由3’UTR决定的位点上。虽然mRNA定位的机制还不很清楚，但可以认为是通过能识别mRNA中定位序列的蛋白质所介导的。
微管和微丝与细胞中特定部位的mRNA的聚集有一定关系。微管主要涉及转运mRNA到细胞质特定部位，实验表明，应用导致微管解聚的药物可以破坏Biocoid mRNA在果蝇卵母细胞中的正常定位；而微丝的作用被认为是用来锚定已到达目的地的mRNA。为了证实这种结论，用非离子去垢剂Triton X-100抽提人的成纤维细胞，然后与特异性结合mRNA多聚(A)尾巴的胶体金标记的探针进行孵育，电镜观察发现，单个的mRNA分子经常地结合在细胞骨架网络的微丝交叉处。这些微丝可以提供一个固相表面，在这个表面上细胞质的遗传信息被组织起来。细胞质mRNA的定位不只限于卵细胞和卵母细胞中，在所有具有极性的细胞中也普遍存在。例如，在可迁移的成纤维细胞里，肌动蛋白mRNA主要定位在细胞边缘，因为那里恰好是细胞运动最需要肌动蛋白分子的地方。
(二)mRNA翻译的调控
在许多脊椎动物和无脊椎动物的未受精卵细胞质中贮存许多mRNA，它们是发育早期蛋白质合成的模板，但它们大部分在卵细胞质中本身并不用来翻译合成蛋白质，因为它们在卵细胞质中与抑制蛋白结合而失去活性，这些贮存在卵细胞中没有翻译活性的mRNA常被称作“隐蔽”mRNA(masked mRNA)。以未受精的海胆卵为例，如果将这种卵细胞悬浮在含有放射标记的氨基酸的条件下进行培养，那么只有很少的放射性活性掺人到蛋白质中(图12—11A)。然而，如果相同的卵细胞制备物加人精子受精后，则标记的氨基酸的掺人量即可测定，并且掺人率在以后的几小时里慢慢地增加。当胚胎发育到囊胚阶段(大约1 000个细胞)，掺人率趋于稳定。“隐蔽”mRNA从无活性到有活性状态的转变发生得相当快，以至于受精后蛋白质的合成都不能依靠新mRNA的合成。在受精之后，马上就被翻译的mRNA在和精子接触之前就已经存在于卵细胞中，如果海胆卵在有RNA合成抑制剂放线菌素D(actinomycin D)存在的情况下受精并培养，则受精后的蛋白质合成的活性与对照培养的活性相同(图12-11B)。因为在有放线菌素D存在的情况下不能产生新的RNAs，所以蛋白质必然是依赖预存的mRNA模板合成的，这些mRNA是在受精后被激活的。这些预存mRNA的激活与两个不同的事件有关：一是结合的抑制蛋白被释放，二是通过卵细胞质中一种酶的作用使mRNA多聚(A)尾巴长度增加。
现已发现几种调节mRNA翻译速率的机制，以响应细胞需求的变化。其中有些机制可被认为起全面性的作用，因为它们影响所有mRNA的翻译。当一个细胞遭遇某种重大刺激时，比如病毒感染、营养缺乏或热休克，那么一种激酶将被激活并使翻译起始因子eIF2磷酸化。磷酸化的eIF2将起始子tRNA引渡到“mRNA—核糖体”复合物上的活性将显著降低，从而减慢蛋白质合成的速率。其他机制的作用在于改变特定mRNA的翻译速率，其中研究最好的一个例子是编码铁蛋白(ferritin)的mRNA。
铁蛋白是一种在细胞质内查封铁原子的蛋白，从而保护细胞免受游离金属原子的毒性影响。铁蛋白mRNA的翻译受一种特异性阻抑物的调节，这种阻抑物称之为铁调蛋白(iron regulatory protein，IRP)，它的活性依赖于细胞内非结合铁的浓度。在铁浓度低时，IRP与铁蛋白mRNA的5’UTR特异序列结合(图12—12)，这段特异序列称之为铁应答元件(iron-responseelement，IRE)。结合的IRP显然干扰了核糖体与mRNA 5’端的结合，从而抑制了翻译的起始；在铁浓度高时，IRP被修饰，因而丧失对IRE的亲和性，使IRP从铁蛋白mRNA上解离下来，促使翻译装置与mRNA接近并使编码的蛋白合成。
(三)mRNA稳定性的调控
一种mRNA在细胞内存在得越久，它用来作为多肽合成模板的时间就越长。如果一个细胞要控制基因表达，则调节这种mRNA的生存和调节它的合成同等重要。不像原核细胞的mRNA，边转录边翻译，甚至在它们的3’端还未完全合成之前而5’端就开始降解，大部分真核细胞的mRNA有相对较长的寿命，即便如此，真核细胞mRNA的半寿期仍有相当的差别。比如，涉及控制细胞分裂的fos mRNA，在细胞内降解得很快(半寿期为10～30min)，结果只有很短一段时间用来生产Fos蛋白。相反，编码特定细胞优势蛋白产物的mRNA，像红细胞前身中的血红蛋白或母鸡输卵管细胞中的卵清蛋白，一般有超过24h的半寿期。这样，随着mRNA的细胞质定位或mRNA翻译的起始速率不同，特定的mRNA可被细胞的调控装置所识别，然后予以不同的处理。
早期实验显示，缺乏多聚(A)尾巴的mRNA在被注射到细胞内后迅速降解，然而，同样的mRNA因拥有多聚(A)尾巴而相对的稳定，这是提示一种mRNA的寿命与它的多聚(A)尾巴长度有关的第一个证据。当一种典型的mRNA离开细胞核时，它含有一个大约200个腺苷酸残基构成的多聚(A)尾巴，这种多聚(A)尾巴并非裸露的核苷酸，而是与多聚(A)结合蛋白(poly(A)—binding protein，PABP)结合。每个PABP分子与大约30个腺苷酸残基结合，PABP被认为具有双重作用：一方面蛋白质保护多聚(A)尾巴不受普通核酸酶降解；另一方面PABP似乎增加多聚(A)尾巴对特异的多聚(A)核糖核酸酶的敏感性。
哺乳动物细胞内mRNA的降解途径已经获得一些知识。在细胞质中的mRNA，它的多聚(A)尾巴长度倾向于被多聚(A)核糖核酸酶一点一点地消化掉而逐渐减少，直至减少到大约只剩30个腺苷酸残基，而不足以保留一个结合的PABP分子时，才会观察到对mRNA稳定性的影响，即一旦多聚(A)尾巴减少到这个长度，通常mRNA会迅速降解。有趣的是，随着mRNA3’端多聚(A)的逐渐清除，mRNA也在5’端帽子处开始降解，似乎在mRNA3’端多聚(A)尾巴具有保护信使分子5’端帽子结构的作用，该事实提示，有可能这两个末端的位置非常靠近。电镜观察到的多聚核糖体的环状结构进一步证实了这种在mRNA 3’和5’端之间的RNA环化现象。一旦3’端尾巴被消除，信使分子就摘去了帽子并开始从5’端向3’端降解。
鉴于不同的mRNA即使有相同长度的多聚(A)尾巴，半寿期也不尽相同，因此除了简单的多聚(A)尾巴长度的原因之外，必定还有更多的因素关系到mRNA的寿命。发现在3’UTR的核苷酸顺序的不同似乎在多聚(A)尾巴变短时扮演一个与降解速率有关的角色。在α珠蛋白mRNA的3’UTR，包含许多CCUCC重复序列，这种序列被认为是稳定信使分子的特异性蛋白质的结合位点。如果这些序列产生突变，mRNA就不稳定。相反，在短命的mRNA的3’UTR经有富含AU的序列(如AUUUA)，这种序列被认为是使信使分子不稳定的蛋白结合的位点。如果将这种使信使分子不稳定的序列导入珠蛋白基因的3’UTR，则本来稳定的珠蛋白mRNA将变得不稳定。
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