第五章生物的调控

第五章生物的调控生物的复杂的调节控制过程是在长期进化发展和自然选择过程中逐步建立起来的。低等的单细胞生物体内就已经存在着酶和细胞水平的调控过程，如酶的反馈变构调节，酶自身合成的诱导和阻断，以及酶在细胞内的定向输送等。细胞水平的调节在遗传信息的流向的各个层次都可能发生。酶和细胞水平的调节是最基本的调节方式，为一切生物所共有。单细胞生物只含有细胞水平和酶水平的调控，植物除此之外还有激素水平的调控，动物细胞在进化上处于最高地位，还产生了神经水平的调节。多细胞生物的进化，形成了一个由生物大分子、细胞器、细胞、组织、器官组成的多层次的统一整体，在各个层次之间，彼此间的相互协调，对于完成细胞分裂、分化及生长发育都极为重要，因而，在这些生物中，出现了更高一级的调节控制如激素水平调节、神经水平调控，但它们仍然是以酶和细胞水平调控作为基础。生物调控的重要性：例子1．细胞全能性植物细胞的全能性(totipotancy)指植物的每一个细胞具有该植物的全部遗传信息和离体细胞在一定培养条件下具有发育成完整植株的潜在能力。在一个完整的植株上，某部分的体细胞只表现一定的形态，行使一定的功能，这是由于它受到具体器官或组织所在环境的束缚，但其遗传潜力并没有丧失。一旦脱离原来的器官或组织影响，如处于离体状态时在一定的培养条件下，就可能表现出全能性，并发育成完整植株。动物细胞也具有全能性，克隆羊“多莉”。2．肿瘤的分子生物学研究肿瘤细胞之所以成为恶性细胞，其关键的生物学特征就是增殖与分化调控的失常，它们能持续地生长和分裂。在高等生物体内，体细胞的生长分化是有限度的，它们受到了严密的控制，主要通过增殖因子(Proliferativefactor,RF)、抑制因子(Inhibitingfactor,IF)和分化因子(Differentiatingfactor，DF)的相互作用，彼此制约而维持一定的平衡，协调着细胞的分裂与成熟，使细胞生长分化处在一个网络系统的整体调控之下。增殖因子是一类对细胞生长必不可少的物质。包括常见的多肽类生长因子，如上皮细胞生长因子EGF、神经生长因子NGF、某些激素、小分子生长因子如环核苷酸、Ca2+。癌基因(Oncogenes)最早发现于逆转录病毒，在动物的正常细胞中也存在与病毒癌基因相似的DNA序列称为原癌基因(Proto-oncogenes)，它们具有正常功能，但又易受各种因素的影响，通过不同的途径被激活，导致细胞癌变。在正常情况下，原癌基因是一大类与细胞分裂调控有关的基因群，涉及细胞信号传递，系统的各个层次，其产物包括生长因子、生长因子受体、信号传递物、蛋白激酶及转录激活因子等。他们的正常生理功能是调节细胞增殖活动，与细胞的生长分化密切相关，因而在细胞的发育中具有不可替代的重要作用。抑癌基因(Tumer-suppressorgene，Antioncogenes)则是一类可阻止细胞分裂，抑制细胞生长并能潜在抑制癌变作用的基因，包括编码抑制细胞生长物质的结构基因、调控基因表达的调控序列及某些与基因组稳定性有关的基因等。抑癌基因的主要生理功能就是参与组织；细胞的分化过程。原癌基因与抑癌基因都是控制细胞生长分化的基因，是细胞生长分化一般调控途径的：组成成分。它们通过所编码蛋白的相互作用而构成了细胞生长正负调节的两个方面，如果：所原癌基因是正常细胞增殖调控的正信号，促进细胞进入增殖周期，阻止其发生分化，那么抑癌基因就是细胞增殖调控的负信号，促进其发生分化成熟。细胞癌变就是体细胞中本已关闭的与细胞增殖活动相关的基因群中某些基因又被重新打开，或是功能分化基因群中某些基因被不适当地关闭所造成的后果。3．“后基因组时代”的生物学20世纪生物学最宏伟的计划是《人类基因组的作图与测序》(MappingandSequencingtheHumangenome)，该计划总的目标是以美国为主，通过国际合作，在15年内完成人基因组23条染色体上基因的作图和DNA全长(3X109bases)的测序。从1989年计划实施以来，进展迅速。1994年，全套遗传连续图;1996年，高密度遗传图。1995年春，在美国冷泉港等地召开的一系列人类基因组会议上，许多科学家乐观地预测2001年就可能提前完成全部测序任务。人类基因组计划已经于几年前完成，但是它给人类社会带来的变化并没有如过去想象的那么大，很是令人失望。在完成人类基因组DNA测序以后，更艰巨的任务是蛋白质基因纽及其基因的功能，人和生物是由细胞组成的多层次的复杂系统，其生长、发育和各种功能活动都是系统的行为，只能通过对系统的分，析研究才能了解，因此，除需要进一步寻找在生物学上重要的个别基因并研究其结构和功能外，更重要地应了解整个基因组及其产物，如何协同调节细胞和生物体的功能活动。这就需要了解在一定分化时期或功能状态的细胞是全套基因表达谱(GeneExpressionpattern)及全部基因产物谱——蛋白质谱。光了解基因并不能完全了解生物，如人类疾病，例如镰刀形贫血症。艾滋病作为“超级癌症”，已有传染全球之势。它的病因明确、发病过程基本清楚、病原体的基因细微结构都已探明，但是找不到有效的治疗和预防办法。第一节基因表达的调控一、转录前水平的调控(一)染色体的丢失某些低等真核生物，如原生动物、线虫、昆虫和甲壳类如剑水虱(Cyclops)在个体发育过程中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分染色体，从而使染色质减少约一半，只有将来产生生殖细胞的那些细胞一直保留整套染色体。马蛔虫受精卵细胞内只有一对染色体(2n=2)。这对染色体上排列着许多着丝点，在由受精卵发育为成体的早期阶段只有其中一个着丝点行使功能，保证了正常有丝分裂的进行，当个体发育到一定阶段后，在将采分化产生体细胞的细胞中这对染色体破碎，形成许多小的染色体，其中有的小染色体含有着丝点。它们在以后的细胞分裂中都将保持下去，而有些小染色体不含着丝点，它们因而不能在细胞分裂中正常分配而丢失，而在将来形成生殖细胞的细胞中，不存在染色体破碎现象。原生动物四膜虫（Tetrahymena）含有一个大核和一个小核，大核由小核发育而采。大核为营养核，可进行转录，小核为生殖核，无转录活性。在发育过程中，有多处染色质断裂，并删除约10％的基因组DNA，有些部位DNA切除后两端又重新连接。在删除这些序列之前基因并不表现转录活性，删除之后即成为表达型的基因，因此推测这些被删除序列的存在可能抑制了基因正常功能的表达。哺乳类的红细胞，它在成长过程中整个核都丢失了。(二)异染色体质化凝缩状态的染色质称为异染色质，为非活跃转录区哈真核生物可以通过异染色质化而关闭某些基因的表达。例如：雌性哺乳动物细胞有两个X染色体，其中一个高度异染色质化而永久性地失去活性。(三)基因扩增基因扩增指细胞内某些特定基因的拷贝数大量增加的现象，它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段。某些脊椎动物和昆虫的卵母细胞，为储备大量核糖体以供卵细胞受精或发育的需要，通常都要专一性地增加rRNA的基因rDNA。例如非洲爪蟾体细胞中rDNA拷贝数，约有500个，而在卵母细胞中的拷贝数约2,000,000个，增加了4000倍。这些rDNA约占了整个卵母细胞DNA的75％，可以形成1000个以上的核仁，可以用来转录合成卵裂期所需的1012个核糖体所需的rRNA。一般认为在扩增中基因组上的一个rDNA重复单位(包括转录区和间隔区)被切除下来且两头连成环，然后再以这个环状rDNA为模板，进行滚环复制。扩增后，新形成的rDNA并不是以一条长链rDNA串联重复的形式出现，而是以一个个及环状DNA小分子的形式出此现。这些小分子含有的rDNA拷贝数多少不等，绝大多数有两个以上的拷贝。扩增一般在卵细胞成熟时停止。所合成的rDNA开始逐渐降解，当受精卵经过儿轮分裂产生数百个细胞后，这类染色体外rDNA便完全消失。原生动物纤毛虫的大核在发育过程中也要扩增rDNA，这些rDNA以微染色体(mini-chromosome)的形式大量存在于大核内。昆虫在需要大量合成和分泌卵壳蛋白(chorion)时，其基因也先行专一性的扩增。在癌细胞中常可检查出有癌基因的扩增。(四)染色体DNA序列的重排1．啤酒酵母结合型互变(mating-typeinterconversion)单倍体酵母有α和a两种结合型，分别由MATα和MATa控制。这两个位点互为等位。一个特定的单倍体细胞或是a结合型或是α结合型。两个不同结合型的细胞可以结合，而相同的结合型不能结合。对不同结合型的识别是由于分泌激素的不同，MATα细胞产生α因子，MATa细胞产生a因子。α型可以转变为a型，a型也可以转变为α型。解释结合型互变的模型叫做匣子模型(cassettemodel)。2．高等动物和人体淋巴细胞抗体基因的重排抗体(免疫球蛋白)包括两条轻链(L链)和两条重链(H链)所组成，它们分别由三个独立的基因族(genefamily)所编码，其中两个编码轻链(κ和λ)，一个编码重链。小鼠的κ、λ和重链分别位于第6，16和12号染色体上。决定轻链的基因族上分别有L、V、J、C四类基因片段。L代表前导片段(1eadersegment)，V代表可变片段(variablesegment)，J代表连接片段joining)。决定重链的基因族上共有L、V、D、J、C五类基因片段，其中D代表多样性片段(diversitysegment)。在J和C片段之间还有增强子(enhancer)。小鼠的重链和κ链基因族共有V片段约200个，λ的V片段片段约9个。J片段和D片段各有5个和12个。人体的抗体基因族结构大体相似，但分布于不同的染色体上。当淋巴细胞受到抗原的刺激而分化成为浆细胞时，首先发生重链基因族的重排，即由一个V片段与一个D片段连接，然后与一个J片段连接，形成V-D-J可变区，当可变区链重排连接到恒定区增强子附近时即可开始表达。恒定区存在μ、δ、γ3、γ1、γ2b、γ2a、ε和α八个片段。最初转录的是μ链，经过恒定区基因重排，依此可以转录其后的各个片段。κ轻链需经过V-J连接才能表达。如果κ链重排不成功，则由λ链进行V-J连接而顶替κ链。这种重排是通过拼接机制而实现的。(五)染色质DNA的修饰(DNA甲基化和去甲基化)DNA的碱基可被甲基化，主要形成5-甲基胞嘧啶(m5C)和少量6-甲基腺嘌岭(m6A)。绝大多数甲基化发生在CG核苷酸对，而且通常两个C都发生甲基化。生物体内有两类甲基化酶，一类为保持性(maintenance)的甲基转移酶，可在甲基化的母链(模板链)指导下使对应部位的发生甲基化，另一类为从头合成(denovo)的甲基转移酶，它不需要母链的指导。去甲基化的途径可能有两种，或是由去甲基酶去除，或是在DNA复制时由于某种原因甲基化酶未能在半甲基化处催化甲基化，从而在以后的DNA复制中产生完全去甲基化的DNA分子。采用5-氮胞苷(5-azacydine)可以人为地造成去甲基。5-氮胞苷可以在DNA中取代胞苷，它没有游离的5-H，因而不能接受甲基。用5-氮胞苷处理细胞，可以改变基因的表达和细胞分化的状态。比如，使非肌肉细胞的前体分化成肌肉细胞、诱导整合在染色体中的原病毒表达、激活哺乳动物雌性动物失活的X染色体上某些基因的表达。后一发现似乎表明X染色体似乎表明X染色体的失活与DNA甲基化状态有关。基因的转录活性与基因组DNA和染色质的空间结构状态有关。DNA与染色质蛋白质和少量RNA结合，产生超螺旋化和折叠，并被高度凝缩。例如人细胞含有5.74X109bp，总长约2米，压缩在46个配对的染色体中，总长只有200微米，压缩比达10no在比较疏松的区域即所谓常染色质上，能活跃地进行转录，而在高度凝缩的异染色质上则很少出现RNA的合成。因此真核生物基因的活化可分为两个步骤：首先由某些调节分子结合在基因的特异部位并改变染色质结构，此时其疏松化，然后才能由激活蛋白和阻遏蛋白或其他调节物进一步影响基因活性。近年来，对DNA甲基化与去甲基化作为基因表达调节的控制环节这一概念已经得到了愈来愈多的实验的支持。在生物发