第六節
隨機應變的基因調控

DNA取代RNA，儲存原核生物細胞中所有蛋白質的信息，即DNA能夠為細胞中所有的蛋白質編碼，但是只有這樣的信息還不夠。細胞的狀況是在不斷變化的，例如處于生長期和分裂期的細胞所需要的蛋白質就不同。把它們同時生產出來，不僅是浪費，有時還會造成互相干擾。“食物”的種類變化時，利用這些食物分子的蛋白質（酶）也需要更換。所以在任何時候，細胞只生產這些蛋白質中的一部分，這就需要一個控制機制，按需要生產蛋白質。

從DNA中的信息到mRNA中的信息再到蛋白質的生產，首先要把位于DNA分子上的信息轉錄到mRNA分子上。這個任務是由RNA聚合酶來執行的。問題是，DNA不過是由4種脫氧核苷酸組成的線性分子，RNA聚合酶怎么知道從哪里開始轉錄所需要的蛋白質信息呢？為了解決這個問題，在為蛋白質編碼的DNA序列前，還出現了一些特殊的DNA序列，它們可以結合一些蛋白質分子，這些蛋白質分子再“召集”RNA聚合酶，讓它結合到DNA特定的位置上，開始DNA的轉錄，合成mRNA。這些起控制作用的DNA序列就叫做啟動子（promoter），意思是啟動轉錄。結合到啟動子上，控制DNA轉錄的蛋白質則叫做轉錄因子（transcription factor）。有的轉錄因子可以使轉錄過程開始，相當于把基因“打開”，叫做激活因子（activator）。有的轉錄因子能夠阻止轉錄過程的開始，相當于把基因“關閉”，叫做阻遏因子（repressor）。為不同的蛋白質編碼的DNA序列有不同的啟動子，結合不同的轉錄因子，這些為蛋白質編碼的DNA序列就可以選擇性地被轉錄了。為一種蛋白質編碼的DNA序列，連同起控制作用的DNA序列（啟動子），就叫做這種蛋白質的基因（gene）。控制基因開關的機制叫做基因調控（gene regulation），把基因里面為蛋白質編碼的信息實現為該蛋白質合成的過程叫做基因表達（gene expression）。我們說某個基因被表達了，就是說它里面的信息被釋放出來了。表達一般是指蛋白質的合成，但是有些DNA序列被轉錄成RNA分子后，這些RNA分子并不去指導蛋白質的合成，而是以RNA分子的身份起作用，例如核糖體里面的RNA（rRNA）和轉運RNA（tRNA）。為這些RNA儲存序列信息的DNA序列和它的控制序列也被稱為基因。所以基因不只是為蛋白質編碼，也可以為RNA編碼。

在原核生物中，常常是幾個功能相關的基因排列在一起，共用一個啟動子，這樣啟動子就可以同時表達一組功能相關的基因。這種由一個啟動子控制幾個彼此相關基因的DNA結構叫做操縱子（operon），大腸桿菌的乳糖操縱子就是基因的表達隨食物種類變化的好例子。

大腸桿菌最喜歡的食物是葡萄糖。葡萄糖既可以提供能量，又可以作為合成有機物時碳原子的來源。但是在沒有葡萄糖的情況下，大腸桿菌也能利用乳糖。大腸桿菌中和利用乳糖有關的基因有好幾個，其中一個基因的產物（lacZ）能夠把乳糖分解為半乳糖和葡萄糖；另一個基因的產物（lacY）可以把乳糖從細胞外轉運到細胞內，第3個基因的產物（lacA）可以在半乳糖上加上一個乙酰基。這些基因依次相連，共用一個啟動子，組成乳糖操縱子（Lac operon）。在沒有乳糖的情況下，一個阻遏因子結合在轉錄開始的地方（DNA序列為TGGAATTGTGAGCGGATAACAATT，即阻遏序列），阻止RNA聚合酶的工作，這樣利用乳糖的蛋白質就不能被合成，以免浪費資源去生產用不到的蛋白質。在有乳糖的情況下，乳糖分子能夠結合在阻遏因子上。乳糖的結合使阻遏因子蛋白質的形狀改變，不再能夠結合在DNA上。這樣RNA聚合酶就可以結合在DNA上面，開始轉錄，進而生產利用乳糖的蛋白質（圖2-15）。

圖2-15 大腸桿菌的乳糖操縱子。在葡萄糖缺乏的情況下，細胞中環腺苷酸cAMP的濃度升高，cAMP結合在其受體蛋白上，使其變為激活因子，結合于DNA上，促進RNA聚合酶的工作

不過乳糖操縱子中的啟動子的功能不強，需要激活因子來增強它。在葡萄糖濃度很低的情況下，細胞內會產生大量的環腺苷酸（cAMP）。cAMP可以結合在另一個蛋白質——cAMP受體蛋白（cAMP receptor protein，CRP）上。由cAMP和CRP組成的蛋白質復合物就成為激活因子，可以結合到啟動子中一個DNA激活序列GTGAGTTAGCTCAC上，促進基因的轉錄，使細胞去利用乳糖。如果有葡萄糖，cAMP的濃度就會降低，形成的cAMP-CRP復合物的數量也很少，不能促進乳糖操縱子中基因的轉錄，利用乳糖的酶就會減少，細胞也就轉而利用葡萄糖了。

基因調控機制的建立，是原核生物的偉大發明，地球上的生物才因此能夠根據需要合成相應的酶，對外界環境的變化做出適當的反應。真核生物基因調控的機制使用的是和原核生物同樣的原理，也是通過轉錄因子與基因啟動子的結合來控制基因的“開”和“關”。不過真核細胞的活動要比原核細胞復雜得多，基因調控的機制也更復雜，所使用的轉錄因子的種類也更多。真核生物的基因是分別控制的，即每個基因都有自己的啟動子，以實現更為精細的調控。