第六节
随机应变的基因调控

DNA取代RNA，储存原核生物细胞中所有蛋白质的信息，即DNA能够为细胞中所有的蛋白质编码，但是只有这样的信息还不够。细胞的状况是在不断变化的，例如处于生长期和分裂期的细胞所需要的蛋白质就不同。把它们同时生产出来，不仅是浪费，有时还会造成互相干扰。“食物”的种类变化时，利用这些食物分子的蛋白质（酶）也需要更换。所以在任何时候，细胞只生产这些蛋白质中的一部分，这就需要一个控制机制，按需要生产蛋白质。

从DNA中的信息到mRNA中的信息再到蛋白质的生产，首先要把位于DNA分子上的信息转录到mRNA分子上。这个任务是由RNA聚合酶来执行的。问题是，DNA不过是由4种脱氧核苷酸组成的线性分子，RNA聚合酶怎么知道从哪里开始转录所需要的蛋白质信息呢？为了解决这个问题，在为蛋白质编码的DNA序列前，还出现了一些特殊的DNA序列，它们可以结合一些蛋白质分子，这些蛋白质分子再“召集”RNA聚合酶，让它结合到DNA特定的位置上，开始DNA的转录，合成mRNA。这些起控制作用的DNA序列就叫做启动子（promoter），意思是启动转录。结合到启动子上，控制DNA转录的蛋白质则叫做转录因子（transcription factor）。有的转录因子可以使转录过程开始，相当于把基因“打开”，叫做激活因子（activator）。有的转录因子能够阻止转录过程的开始，相当于把基因“关闭”，叫做阻遏因子（repressor）。为不同的蛋白质编码的DNA序列有不同的启动子，结合不同的转录因子，这些为蛋白质编码的DNA序列就可以选择性地被转录了。为一种蛋白质编码的DNA序列，连同起控制作用的DNA序列（启动子），就叫做这种蛋白质的基因（gene）。控制基因开关的机制叫做基因调控（gene regulation），把基因里面为蛋白质编码的信息实现为该蛋白质合成的过程叫做基因表达（gene expression）。我们说某个基因被表达了，就是说它里面的信息被释放出来了。表达一般是指蛋白质的合成，但是有些DNA序列被转录成RNA分子后，这些RNA分子并不去指导蛋白质的合成，而是以RNA分子的身份起作用，例如核糖体里面的RNA（rRNA）和转运RNA（tRNA）。为这些RNA储存序列信息的DNA序列和它的控制序列也被称为基因。所以基因不只是为蛋白质编码，也可以为RNA编码。

在原核生物中，常常是几个功能相关的基因排列在一起，共用一个启动子，这样启动子就可以同时表达一组功能相关的基因。这种由一个启动子控制几个彼此相关基因的DNA结构叫做操纵子（operon），大肠杆菌的乳糖操纵子就是基因的表达随食物种类变化的好例子。

大肠杆菌最喜欢的食物是葡萄糖。葡萄糖既可以提供能量，又可以作为合成有机物时碳原子的来源。但是在没有葡萄糖的情况下，大肠杆菌也能利用乳糖。大肠杆菌中和利用乳糖有关的基因有好几个，其中一个基因的产物（lacZ）能够把乳糖分解为半乳糖和葡萄糖；另一个基因的产物（lacY）可以把乳糖从细胞外转运到细胞内，第3个基因的产物（lacA）可以在半乳糖上加上一个乙酰基。这些基因依次相连，共用一个启动子，组成乳糖操纵子（Lac operon）。在没有乳糖的情况下，一个阻遏因子结合在转录开始的地方（DNA序列为TGGAATTGTGAGCGGATAACAATT，即阻遏序列），阻止RNA聚合酶的工作，这样利用乳糖的蛋白质就不能被合成，以免浪费资源去生产用不到的蛋白质。在有乳糖的情况下，乳糖分子能够结合在阻遏因子上。乳糖的结合使阻遏因子蛋白质的形状改变，不再能够结合在DNA上。这样RNA聚合酶就可以结合在DNA上面，开始转录，进而生产利用乳糖的蛋白质（图2-15）。

图2-15 大肠杆菌的乳糖操纵子。在葡萄糖缺乏的情况下，细胞中环腺苷酸cAMP的浓度升高，cAMP结合在其受体蛋白上，使其变为激活因子，结合于DNA上，促进RNA聚合酶的工作

不过乳糖操纵子中的启动子的功能不强，需要激活因子来增强它。在葡萄糖浓度很低的情况下，细胞内会产生大量的环腺苷酸（cAMP）。cAMP可以结合在另一个蛋白质——cAMP受体蛋白（cAMP receptor protein，CRP）上。由cAMP和CRP组成的蛋白质复合物就成为激活因子，可以结合到启动子中一个DNA激活序列GTGAGTTAGCTCAC上，促进基因的转录，使细胞去利用乳糖。如果有葡萄糖，cAMP的浓度就会降低，形成的cAMP-CRP复合物的数量也很少，不能促进乳糖操纵子中基因的转录，利用乳糖的酶就会减少，细胞也就转而利用葡萄糖了。

基因调控机制的建立，是原核生物的伟大发明，地球上的生物才因此能够根据需要合成相应的酶，对外界环境的变化做出适当的反应。真核生物基因调控的机制使用的是和原核生物同样的原理，也是通过转录因子与基因启动子的结合来控制基因的“开”和“关”。不过真核细胞的活动要比原核细胞复杂得多，基因调控的机制也更复杂，所使用的转录因子的种类也更多。真核生物的基因是分别控制的，即每个基因都有自己的启动子，以实现更为精细的调控。