基因表达调控可以发生在诸如转录、翻译等许多不同的层次上。请简要说明发生在DNA水平上的基因表达调控方式。
参考答案:
解析:DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式,它包括了基因丢失、扩增、重排和移位等方式。通过这些方式可以消除或变换某些基因,并改变它们的活性。这些调控方式与转录及翻译水平的调控是不同的,因为它从根本上使某些细胞的基因组发生了改变。
1.基因丢失。在细胞分化时,消除某个基因活性的方式之一就是从细胞中除去那个基因。某些原生动物、昆虫及甲壳纲动物细胞分化过程中就发现有部分染色体丢失现象。研究在受精卵里只有一对染色体(2n=2)的马蛔虫,发现当个体发育到一定阶段后,在将分化为体细胞的那些细胞中的这对染色体破碎成许多小染色体。有的小染色体具有着丝粒,在细胞分裂中得到保留,不具有着丝粒的小染色体因为在以后的细胞分裂中不能分配到下一代中而丢失,在将形成生殖细胞的那些细胞里却没有染色体破碎和丢失现象。因此,马蛔虫的生殖细胞核内保存着个体发育所必需的全部基因(完整的基因组),而在体细胞核中却失去了一部分基因。毫无疑问,这些基因的丢失决定了细胞的命运。原生动物和昆虫(小麦瘿蚊)在个体发育中也存在类似的部分染色体丢失现象。
因为在高等生物中目前还未观察到基因丢失现象,所以一般认为这种调节方式可能仅存在于进化程度较低的生物中。当然也不能肯定高等生物中就不发生DNA的丢失,要从至少50 000个基因中检测出一个或数个基因的丢失实在不是件容易的事。用蛙卵所进行的实验结果表明,至少发育过程中必需的基因是不丢失的。
2.基因扩增。基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象,它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要,是基因活性调控的一种方式。例如,非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因(rDNA)约500个拷贝,在减数分裂Ⅰ的粗线期,这个基因开始迅速复制,到双线期它的拷贝数约为200万个,扩增近4000倍,可以用来合成1012个核糖体,以满足卵裂期间和胚胎期间合成大量蛋白质的需要。在基因扩增之前,整个rDNA区位于单个核仁中(人们发现大部分动物细胞中都有这种含rRNA的核内小体)。在此细胞前体发育成卵母细胞的过程中(约3周时间),不但rDNA数量猛增,核仁数量也大大增加,每个核中可有几百个这样的小核仁。
扩增后新生的rDNA并不是一条长链,而是形成许多环状的小分子,其中大部分含有2~4个甚至多达16个rDNA基因。rDNA扩增机制现在还不清楚,很可能像大肠杆菌质粒那样进行滚环式复制。首先以某种方式把rDNA上的一个重复单位切割下来,被割离的这段rDNA随即形成环状封闭,然后结合在核基质上进行滚环式复制。那么,剪下来的单位环是如何变成多单位环的呢研究证明,一个rDNA单位长约4.3μm,通过滚动环复制形成这个单位长度的侧链大约需要1个半小时,基因扩增约进行72小时。在这段时间里,每个单位环可产生144个拷贝,而事实上rDNA大约被扩增了4000倍。所以为了合成更多的rDNA,至少有一部分被切下来的单位必须先被复制,以产生出进一步复制所需要的模板。
3.基因重排与变换。一个基因可以通过从远离其启动子的地方移到距它很近的位点而被启动转录,这种方式称基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是小鼠免疫球蛋白结构基因的表达。我们知道,免疫球蛋白的肽链主要是由可变区(V区)、恒定区(C区)以及两者之间的连接区(J区)组成的,而且V基因、C基因和J基因在小鼠胚胎细胞中是相隔较远的。当免疫球蛋白形成细胞(如淋巴细胞)发育分化时,能通过染色体内重组,把3个远离的基因紧密地连接在一起,从而产生免疫球蛋白。
此外,日本人本庶佑还提出了一个“基因变换”模式。他认为Gurdon的实验不能断言生物体所有细胞中全部DNA在分化、发育过程中都不会发生变化,可能在一部分细胞里,DNA会发生微小的、不可逆的变化。例如,基因变换可能在细胞分化的决定性阶段起着重要的调控作用。本庶佑认为,在细胞分化过程中,由于调节基因和受体基因的连接可形成“新”的基因,即调节启动基因,这种连接是由DNA片段缺失造成的。
环境条件不仅能影响生物的表型,也能修饰其基因型,即引起遗传物质的永久性变化。有人用栽培亚麻做实验发现,当可塑型株系生长在高温及特定的水分平衡和土壤pH条件下,根据养分供应情况,它可能转变成大(L)或小(S)的营养遗传型。L和S型在遗传学上是稳定的,能传递给子代。研究指出,核内DNA总量及25S、18S和5S rRNA基因数量等的变化与上述表型变化有关系。这些由环境引起的稳定变异,很可能起因于某些DNA序列的不等复制、不等交换或者某些染色体外因子所导致的基因重排。