基因选择性表达

生物学名词

生物体在个体发育的不同时期、不同部位，通过基因水平、转录水平等的调控，表达基因组中不同的部分，其结果是完成细胞分化和个体发育。基因的选择性表达是指在细胞分化中，基因在特定的时间和空间条件下有选择表达的现象，其结果是形成了形态结构和生理功能不同的细胞。

定义

由于细胞分化发生于生物体的整个生命进程中，所以基因的选择性表达在生命过程各阶段都在体现。不仅如此，基因的选择性表达在单细胞原核、真核生物生长发育中，甚至病毒的生命活动中都有明显体现，这充分体现了基因的选择性表达的普遍性。

原理

截至2014年底，科学界认为这是一种RNA抑制机制。

从大量的研究结果中我们可以推测，生物体内有一套RNA监视系统，可以通过多种异常RNA来激发。如果外来核酸是DNA（包括转基因、重组基因、DNA病毒、扩增子等），靶标RNA需要在细胞核中完全成转录后运转到细胞质中，而侵入细胞质的病毒RNA可以直接提供靶标RNA。各种不同的靶标RNA（包括与外源基因同源的内源基因和外来的DNA产生的RNA以及病毒的RNA）由寄主的RdRP（RNA聚合酶）或病毒自身的RdRP通过多种不同的途径反靶标RNA转变成为双链RNA,从而通过RNAi（RNA干扰）引发的PTGS（转录后基因沉默）。PTGS被引发后就不再需要RdRP。关于双链RNA介导的RNAi特异性靶标RNA的降解，Bass[5]提出了这样一个假说：认为生物体内存在着一种复合酶：RNAi核酸酶，该酶具有双链RNA结合、RNase（核糖核酸酶）和RNA解旋酶三个活性区。首先双链RNA结合到该酶的双链RNA结合区并引导该酶识别靶标RNA，接着该酶的解旋酶完成ATP 依赖性的靶标RNA与该酶结合的双链RNA的正义链的换位，RNase在靶标RNA结合位点附近完成切割，从而使靶标RNA能被进一步降解，产生大量的小片段RNA，包括序列特异性的-25nt RNA。载有序列特异性的双链RNA的游离复合酶再去识别并降解其它的靶标RNA，产生更多-25nt RNA，从而使PTGS具有持久性系统性。

基因沉寂需要经历不同的反应过程才能实现，包括组蛋白 N端结构域的赖氨酸残基的去乙酰基化加工、甲基化修饰（由甲基转移酶催化），修饰可以是一价、二价和三价甲基化修饰，后者又被称为‘过度’甲基化修饰（Hypermethylation）、以及和甲基化修饰的组蛋白结合的蛋白质（MBP）形成“异染色质”，在上述过程中，除了部分组蛋白的N端尾部结构域需要去乙酰化、甲基化修饰之外，有时也许要在其他的组蛋白N端尾部结构域的赖氨酸或精氨酸残基上相应地进行乙酰化修饰，尽管各种修饰的最终结果会导致相应区段的基因“沉寂”失去转录活性。

细胞分裂

在多细胞生物的个体发育中，受精卵有丝分裂增加细胞数目，产生的细胞大多数不再分裂，细胞中特定的基因通过转录翻译合成蛋白质，表现出特定的形态、结构和生理功能，形成不同的细胞和组织。

如：动物和人的红细胞和心肌细胞都来自同一胚层，后来分化出的红细胞合成出血红蛋白，而心肌细胞则能够合成肌动蛋白和肌球蛋白。

即使在细胞分裂过程中，基因的选择性表达同样存在。如在细胞分裂间期、分裂期，仅仅是部分基因在表达，合成了特定的蛋白质、酶用于分裂过程，绝大部分基因没有表达。

成熟衰老

植物

在成熟期，参与细胞分裂的基因基本不表达，用于物质转化的相关蛋白质等的基因在表达，合成相应的蛋白质、酶等。如马铃薯块茎、甜菜块根形成后，细胞中用于合成葡萄糖转化为乳酸的酶的基因进行了表达，故它们无氧呼吸时产物是乳酸，有利于减少物质能量浪费，还降低了对细胞的伤害程度。

人和动物

人和动物的第二特征的表现，是生长发育到一定阶段基因选择性表达的结果。而在衰老过程中，用于正常代谢的酶合成受到抑制或数量减少，加速了衰老的程度，也是基因的选择性表达的结果。

程序性死亡（apoptosis）的理论假说也认为死亡的细胞是通过基因的选择性表达实现的。

单细胞生物

作为单细胞生物，产生新个体常常通过细胞分裂的方式，细胞分裂中的仍有部分基因在表达。新细胞（或新个体）生长发育中过程中，特定的基因在不同阶段表达，细胞完成相应的生理活动适应了特定的环境。

例1：草履虫

通过实验比较双小核草履虫单独培养和与大草履虫混合培养发现其细胞内的基因表达有显著不同：混合培养时产生的蛋白质种类和数量远远超过单独培养的情况，增强了其竞争力。

例2：细菌

细菌在环境条件适应时，基因选择性表达保证正常的生长繁殖与生存，一旦环境恶化，细菌体内特定的基因进行表达，使其形态结构改变，出现荚膜、芽孢等特殊结构助其度过危机。

非细胞结构病毒

病毒寄生在宿主细胞内，基因表达也有选择性，使其衣壳有不同的形态或使其表现出不同的抗原性（或致病性）。如禽流感病毒中基因表达不同的蛋白质类物质，致病性相差较大。对人和鸟类都有致病作用的是H5N1，其他类型致病作用小得多。原因是前者基因选择性表达出了一种被称为“细胞因子”的蛋白质迅速进入被感染的肺部组织，进而免疫系统过度反应造成死亡。

特殊性

特殊性表现在基因能否在特定的空间、时间表达，以及表达量的各异性上。

环境因素

基因选择性表达可由环境因素（时间、空间）影响而调节，也可增强机体适应环境的能力。

例1：癌基因（oncogene）

在外界环境因素（如物理、化学、生物方面）的影响下，生物体内原癌基因由抑制状态转变为激活状态，能够进行正常表达导致出现癌症，而正常生物体内的原癌基因就不能表达。

例2：微生物体内酶合成的调节

常见的大肠杆菌在用葡萄糖和乳糖作碳源的培养基进行培养，开始，大肠杆菌只能利用葡萄糖而不能利用乳糖，只有当葡萄糖消耗完毕后，大肠杆菌细胞内控制合成分解乳糖的半乳糖苷酶的基因才开始表达。有了半乳糖苷酶，才能利用乳糖作碳源。这种调节既保证了代谢的需要，又避免了细胞内物质能量的浪费，增强了微生物对环境的适应能力。

例3：兼性营养型的食虫植物

当土壤中缺乏氮元素，食虫植物通过捕食昆虫获取营养，此时植物体内某些基因进行表达，产生酶分解利用昆虫的营养物质，保证自身营养需要。

例4：红螺菌

红螺菌在没有光照有有机物的条件下，它又可以利用有机物进行生长，同样有特定基因在这特定条件下表达。

量调控

高等动物体内激素分泌量的反馈调节，水平衡调节中抗利尿激素分泌量的变化，血糖平衡调节中胰岛素和胰高血糖素分泌量的高低等方面，都要通过基因的选择性表达来实现。

由此可知，基因的选择性表达是很复杂的，其影响因素既有外因，又有内因。人们已经可通过改变外界条件使生物体的有利的基因表达，抑制有害的基因的表达，为人类自身造福。如通过特定的化疗方法使癌基因处于抑制状态，从而治疗癌症。那么，基因的选择性表达的内部机制是什么呢？2006年诺贝尔奖获得者美国两名科学家安德鲁•法尔和克雷格•梅洛作出了科学的解释。他们经过多年的潜心研究，发现基因的选择性表达是体内存在RNA干扰机制。RNA干扰现象普遍存在于动植物体和人体中，这对于基因的选择性表达的管理，参与对病毒感染的防护，控制活跃基因，激活抑制基因都具有重要意义。

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