[摘 要] 基因表达的时空性体现了,按人体不同组织空间顺序表达的空间选择性和在个体发育调节过程中某些基因只在特定时间表达的时间选择性。基因表达依赖的环境,除了伴随人类进化的自然环境和社会环境外还有人的生活方式,特别是人类的生活方式极大的左右了基因的表达方式。

[关键词] 遗传基因,基因表达,基因表达调控


一,基因和基因表达[1]

1.1 遗传基因

遗传基因也称为遗传因子,是决定生物遗传特征,具有复杂结构的化学物质 。1953年美国遗传学家沃森和英国生物物理学家克里克 、威尔金斯发现在人的受精卵的46个染色体中,含有脱氧核糖核酸(DNA)的化学物质,被称为遗传基因。遗传基因是存储、传递遗传信息和复制细胞的主要物质基础。基因携带的遗传信息可以实现从一代细胞到下一代细胞和从一个个体到其后代的储藏和传递。

1.2 遗传信息传递与基因表达

人体各组织细胞的DNA分子中蕴藏的遺传信息,通过转录翻译形成蛋白质或转录形成RNA并发挥功能的过程,即遗传信息的传递过程,称为基因表达(gene expression)。基因表达是在一个四维空间完成的。即使是噬菌体和病毒这样简单的生物,其基因组的基因也分为早,中,晚等基因群,受环境和自身基因及表达产物调节。一般认为,各种组织细胞,即便是代谢旺盛的组织,如神经和肝脏组织,也只有基因组5%的基因在表达,大部分基因只在发育的早期阶段短暂表达。不同的生物,表达调控不相同。

1.3 基因表达时空性

在原核生物中,随着mRNA转录,核糖体便与之结合,伴随着mRNA的逐渐加长,翻译产生的多肤链相应延长,转录和翻译这两个过程同步进行。在真核生物中,结构基因转录和转录后的加工修饰是在细胞核内进行,而翻译则是在细胞质内进行的。所以表达是在不同时间不同地点进行,表现出时空性。多细胞生物体是由一个受精卵经过多次分裂及分化发育而成的,每个细胞都含有全部遗传密码。 但是并非每个细胞的整套遗传密码都能翻译,而是“各取所需”,例如,红细胞中是能编码的血红蛋白的基因发挥作用,肌细胞中主要是能编码肌动蛋白和肌球蛋白的基因表达。 这种按不同组织空间顺序表达是空间上表现出的选择时空性。在个体发育调节过程中,某些基因只在特定时间表达,这是时间上表现出的选择时空性。


二, 表观遗传学

2.1 基因分类

人类遗传基因根据其不同的表达方式主要分为不受环境变化影响表达变动管家基因(housekeeping gene)和容易受环境变化影响表达变动的表观基因(expression gene)两大类。其中表观基因的表达如果因环境条件变化表达量增高,称为诱导表达(induction expression); 相应的基因称为诱导基因(induction gene)。反之,随环境条件变化表达量降低的现象称为阻遏表达(repression ex presion),相应的基因称为阻遏基因(repressible gene)(图-1)。

2.2 基因表达方式

基因表达的方式一般有组成性表达(constitutive exprssion),适应性表达(adaptive expression)和协调性表达(lonerdinate expression)三种形式。组成性表达指不受环境变动而变化的一类基因表达。 这类基因是管家基因(housekeeping gene)。 这些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的,在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达。适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。基因表达依赖的环境,除了伴随人类进化的自然环境和社会环境外还有人的生活方式,特别是人类的生活方式极大的左右了基因的表达方式。本世纪初美国前奥巴马总统,提倡的精准医疗就包括了基因测序和基因表达以及生活方式。环境是复杂的,为了更好地适应环境,常常是功能上相关的一组基因协调一致,共同表达,这称为协调性表达,而调节方式称为协调调节。

图-1 基因分类与基因表达

2.2 基因表达的生物学意义

基因表达与调控具有重要的生物学意义。

首先,通过基因的表达调控,使生物体适应环境,维持生长和增殖。 生物体赖以生存的外环境是在不断变化的,所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应,调节代谢过程使生物体能更好地适应变化的外环境。例如,长期卧床的患者的身体肌肉系统受地球重力影响的环境发生变化,肌肉中抗重力肌肉细胞中的肌动蛋白和肌球蛋白的表达呈阻遏性表达(repression ex presion),肌肉量减少和肌肉力量减弱(表达量降低),卧床时间越长肌肉衰退的越多。卧床一周肌肉量将会萎缩10-15%,恢复需要1个月 ,卧床两周肌肉量将会萎缩20-30%, 恢复需要2个月。肌肉量减少和肌肉力量减弱更好会波及人体其他系统,卧床20天心脏大小减少11%全身血液量减少5%-10%。

糖化血红蛋白HbA1c是红细胞中是能编码的血红蛋白早期发生非酶糖化的产物,其随红细胞的消亡而消失,红细胞的生命期约120天。HbA1c是临床上最常用、最可靠、反映血糖控制时间最长的一个指标,是目前评价糖尿病患者血糖控制状况的"金标准"。糖尿病是种受生活方式左右的生活习惯疾病。过食糖分和缺少运动的不良生活方式,促使血红蛋白表观基因做出阻遏表达(repression ex presion),使部分血红蛋白糖化为糖化血红蛋白HbA1c。

其次,基因表达调控推持个体发育与分化。 在多细胞生物生长,发育的不同阶段,细胞中的蛋白质分子种类和含量差异很大,即使在同一生长发育阶段,不同组织器官内蛋白质分子的分布也存在很大差异,这些差异是调节细胞基因表达的关键。例如,抗重力肌肉是人体为抵抗地球引力,保持人体正常姿势,维持人体各脏器和功能系统运行功能的人体肌肉系统,是影响人类健康的重要基础因素。人体抗重力肌肉的发育从胎儿期就开始了,胎儿在母胎内的发育过程,也是抵抗地球引力抗重力肌肉发育的过程。在胎儿期母婴的围产期的保健水平如何,会影响胎儿期连接腰椎和股骨(人体上下半身)的髂腰肌和大腿四头肌等的抗重力肌肉发育的完善与否,直接影响婴儿的出产和出生后的健康。

2.3 表观遗传学与表观医学

表观遗传学是以表观基因为对象,研究表观基因的核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达的可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象很多,已知的有DNA甲基化(DNA methylation),基因组印记(genomic imprinting),母体效应(maternal effects),基因沉默(gene silencing),核仁显性,休眠转座子激活和RNA编辑(RNA editing)等。表观医学是基于表观遗传学理论和基因表达以及合理生活方式,实施的疾病治与生理机能和身体功能以及各种生活维持改善的健康医学的分支医学。


三,基因表达调控

3.1 原核生物基因表达调控的乳糖操纵子学说

基因的表达调控现象首先是由法国巴斯德研究所的著名科学家Jacob和Monod在研究大肠杆菌乳糖代谢过程中发现的。因此二人获1965年诺贝尔生理学和医学奖 ,现在乳糖操纵子学说已成为原核生物基因调控的主要学说之一。由于大肠杆菌操纵子模型的提出,使人们认识到基因的相互调节,从此开创了基因表达调控研究的新纪元。

操纵子(operon)是指功能上相关的一组基因,在染色体上串联在一起的一个转录单位。 典型的操纵子包括一组结构基因和调节结构基因转录所需的顺式作用序列,包括启动子(promoter),操纵基因(operator)以及其他与转录调控有关的调节序列。 一个操纵子的所有结构基因均由同一启动子起始转录,并受到相同调控元件的调节,所以从结构上把它们看成一个整体。操纵子的结构基因在编码某一特定代谢途径中起作用的几种酶时,首先被共同转录成一条多顺反子mRNA,这是原核生物的典型特征。

3.2 紫外光诱导的基因表达。

许多环境元素在生物体中引起压力反应。生物体必须针对这些不同类型的压力合成特定的蛋白质。例如,利用紫外光线(UV ultraviolet)能诱导基因的表达(图-2)。

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图-2 光谱

当生物体被紫外线C波段(UVC)照射时,生物体可以通过特定基因的诱导表达获得紫外线耐受性。紫外线诱导光恢复性的基因表达,它使用紫外线A波段(UVA/近紫外线)或可见光,对丙酰胺二丁二聚酯进行特异性DNA修复。用紫外线B波段(UVB)诱导了血红素的生物合成,细胞通过脱氧核糖核酸损伤(如丙胺丁二丁)的抑制获得抗紫外线。这些结果表明,一类黄酮类化合物,在保护细胞免受太阳紫外线的负面影响方面发挥作用。近期实验结果表明,紫外线不仅能进行热处理,而且还诱发应激蛋白之一的热休克蛋白(HSP72)。在人类培养细胞中施加不同应力会使基因出现不同表达。利用紫外光诱导的基因表达理论指导化妆品新产品开发,是近些年来化妆品市场关注的热点。

杨金宇 初稿(健康界): 2022.11.05

引用资料:[1] 医学生物学(第七版) P146 科学出版社