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基因調(diào)控是現(xiàn)代分子生物學(xué)研究的中心課題之一。因?yàn)橐私鈩?dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律。形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及生物學(xué)功能，就必須搞清楚基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間和空間概念，掌握了基因調(diào)控機(jī)制，就等于掌握了一把揭示生物學(xué)奧秘的鑰匙。基因表達(dá)調(diào)控(regulation of gene expression or gene control)是對(duì)從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程叫基因表達(dá)(gene expression)過(guò)程的調(diào)節(jié)?；虮磉_(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控；②mRNA加工、成熟水平上的調(diào)控；③翻譯水平上的調(diào)控。
基因表達(dá)調(diào)控的指揮系統(tǒng)有很多種，不同生物使用不同的信號(hào)來(lái)指揮基因調(diào)控。原核生物和真核生物之間存在著相當(dāng)大差異。原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)境因素對(duì)基因表達(dá)起著十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、發(fā)育階段等是基因表達(dá)調(diào)控的主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響則為次要因素。
1、原核基因表達(dá)調(diào)控
原核生物的基因表達(dá)調(diào)控雖然比真核生物簡(jiǎn)單，然而也存在著復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)。在原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中，現(xiàn)已搞清楚了細(xì)菌的幾個(gè)操縱子模型，現(xiàn)以乳糖操縱子和色氨酸操縱子為例予以說(shuō)明。
（1）乳糖操縱子
大腸桿菌乳糖操縱子包括4類基因：①結(jié)構(gòu)基因，能通過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯使細(xì)胞產(chǎn)生一定的酶系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)蛋白，這是與生物性狀的發(fā)育和表型直接相關(guān)的基因。乳糖操縱子包含3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成透過(guò)酶，lacA合成乙酰基轉(zhuǎn)移酶。②操縱基因O，控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄速度，位于結(jié)構(gòu)基因的附近，本身不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。③啟動(dòng)基因P，位于操縱基因的附近，它的作用是發(fā)出信號(hào)，mRNA合成開(kāi)始，該基因也不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。④調(diào)節(jié)基因i：可調(diào)節(jié)操縱基因的活動(dòng)，調(diào)節(jié)基因能轉(zhuǎn)錄出mRNA，并合成一種蛋白，稱阻遏蛋白。操縱基因、啟動(dòng)基因和結(jié)構(gòu)基因共同組成一個(gè)單位——操縱子（operon）。
乳糖操縱子其調(diào)控機(jī)制簡(jiǎn)述如下：
抑制作用：調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其構(gòu)象能夠識(shí)別操縱基因并結(jié)合到操縱基因上，因此RNA聚合酶就不能與啟動(dòng)基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因也被抑制，結(jié)果結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄出mRNA，不能翻譯酶蛋白。
誘導(dǎo)作用：乳糖的存在情況下，乳糖代謝產(chǎn)生別乳糖（alloLactose），別乳糖能和調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白改變構(gòu)象，不能在和操縱基因結(jié)合，失去阻遏作用，結(jié)果RNA聚合酶便與啟動(dòng)基因結(jié)合，并使結(jié)構(gòu)基因活化，轉(zhuǎn)錄出mRNA，翻譯出酶蛋白。
負(fù)反饋：細(xì)胞質(zhì)中有了β—半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖為半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。
2）色氨酸操縱子
色氨酸操縱子負(fù)責(zé)調(diào)控色氨酸的生物合成，它的激活與否完全根據(jù)培養(yǎng)基中有無(wú)色氨酸而定。當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時(shí)，該操縱子自動(dòng)關(guān)閉；缺乏色氨酸時(shí)，操縱子被打開(kāi)。色氨酸在這里不是起誘導(dǎo)作用而是阻遏，因而被稱作輔阻遏分子，意指能幫助阻遏蛋白發(fā)生作用。色氨酸操縱子恰和乳糖操縱子相反。
2、真核基因表達(dá)調(diào)控
真核生物基因表達(dá)調(diào)控與原核生物有很大的差異。原核生物同一群體的每個(gè)細(xì)胞都和外界環(huán)境直接接觸，它們主要通過(guò)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，以開(kāi)啟或關(guān)閉某些基因的表達(dá)來(lái)適應(yīng)環(huán)境條件（主要是營(yíng)養(yǎng)水平的變化），故環(huán)境因子往往是調(diào)控的誘導(dǎo)物。而大多數(shù)真核生物，基因表達(dá)調(diào)控最明顯的特征時(shí)能在特定時(shí)間和特定的細(xì)胞中激活特定的基因，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)定”的，有序的，不可逆的分化和發(fā)育過(guò)程，并使生物的組織和器官在一定的環(huán)境條件范圍內(nèi)保持正常的生理功能。真核生物基因表達(dá)調(diào)控?fù)?jù)其性質(zhì)可分為兩大類：第一類是瞬時(shí)調(diào)控或叫可逆調(diào)控，相當(dāng)于原核生物對(duì)環(huán)境條件變化所做出的反應(yīng)。瞬時(shí)調(diào)控包括某種代謝底物濃度或激素水平升降時(shí)及細(xì)胞周期在不同階段中酶活性和濃度調(diào)節(jié)。第二類是發(fā)育調(diào)節(jié)或稱不可逆調(diào)控，這是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的精髓，因?yàn)樗鼪Q定了真核生物細(xì)胞分化，生長(zhǎng)，和發(fā)育的全過(guò)程。按照基因調(diào)控發(fā)生的先后順序，可將其分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后的水平調(diào)控；轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控又可分為表觀修飾調(diào)控及由諸多轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶控制的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控；而轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控又可細(xì)分為轉(zhuǎn)錄后的水平調(diào)控，翻譯水平調(diào)控及蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控。研究基因調(diào)控應(yīng)回答下面三個(gè)主要問(wèn)題：①什么是誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄的信號(hào)？ ②基因調(diào)控主要是在那個(gè)環(huán)節(jié)（模板DNA轉(zhuǎn)錄，mRNA的成熟或蛋白質(zhì)合成）實(shí)現(xiàn)的？③不同水平基因調(diào)控的分子機(jī)制是什么？而現(xiàn)階段大多數(shù)的分子機(jī)制的研究主要體現(xiàn)在表觀遺傳調(diào)控（代表DNA水平）、轉(zhuǎn)錄調(diào)控（代表RNA水平）和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（代表蛋白水平）。
（1）表觀遺傳調(diào)控
現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，異常的表觀遺傳可能導(dǎo)致發(fā)生腫瘤、自身免疫病、衰老、神經(jīng)精神異常和多種兒科綜合征。表觀遺傳學(xué)主要是對(duì)染色質(zhì)重塑、DNA甲基化及組蛋白修飾、X染色體失活、非編碼RNA調(diào)控等多方面進(jìn)行研究。對(duì)表觀遺傳中各種因子的突變導(dǎo)致疾病的研究，將有助我們了解表觀遺傳機(jī)制、基因表達(dá)和環(huán)境之間的關(guān)系，并期望能糾正或降低那些能夠?qū)е录膊〉谋碛^基因的不穩(wěn)定性，指導(dǎo)疾病的診治和新藥的研制。表觀遺傳學(xué)是研究基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)的可遺傳的變化的一門遺傳學(xué)分支學(xué)科。表觀遺傳的現(xiàn)象很多，已知的有DNA甲基化（DNA methylation），基因組印記（genomic imprinting），母體效應(yīng)（maternal effects），基因沉默（gene silencing）等。表觀遺傳調(diào)控主要通過(guò)DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA調(diào)控4種控制表觀遺傳的沉默或激活。而表觀遺傳調(diào)控在DNA水平上調(diào)控，主要體現(xiàn)在DNA甲基化、組蛋白甲基化以及組蛋白乙酰化。
（2）轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控
真核生物在轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控主要是通過(guò)反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子）、順式作用元件（啟動(dòng)子）和RNA聚合酶的相互作用來(lái)完成的,主要是反式作用因子結(jié)合順式作用元件后影響轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成過(guò)程。轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成：真核生物RNA聚合酶識(shí)別的是由通用轉(zhuǎn)錄因子與DNA形成的蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物,只有當(dāng)一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DNA上,形成有功能的啟動(dòng)子,才能被RNA聚合酶所識(shí)別并結(jié)合.轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成過(guò)程為：TFⅡD結(jié)合TATA盒；RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合TFⅡD-DNA復(fù)合物形成一個(gè)閉合的復(fù)合物；其他轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶結(jié)合形成一個(gè)開(kāi)放復(fù)合物.在這個(gè)過(guò)程中,反式作用因子的作用是：促進(jìn)或抑制TFⅡD與TATA盒結(jié)合；促進(jìn)或抑制RNA聚合酶與TFⅡD-DNA復(fù)合物的結(jié)合；促進(jìn)或抑制轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成。反式作用因子（轉(zhuǎn)錄因子）：一般具有三個(gè)功能域（DNA識(shí)別結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄活性域和結(jié)合其他蛋白結(jié)合域）；能識(shí)別并結(jié)合上游調(diào)控區(qū)中的順式作用元件（啟動(dòng)子）；對(duì)基因的表達(dá)有正性或負(fù)性調(diào)控作用。
（3）轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控
真核生物基因轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，而翻譯則在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中真核基因有插入序列，結(jié)構(gòu)基因被分割成不同的片段，因此轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的一個(gè)重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各種基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA，無(wú)論rRNA、tRNA還是mRNA，必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄后的加工才能成為有活性的分子。
（4）翻譯水平的調(diào)控
蛋白質(zhì)合成翻譯階段的基因調(diào)控有三個(gè)方面：① 蛋白質(zhì)合成起始速率的調(diào)控；② MRNA的識(shí)別；③ 激素等外界因素的影響。蛋白質(zhì)合成起始反應(yīng)中要涉及到核糖體、mRNA蛋白質(zhì)合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，這些結(jié)構(gòu)和諧統(tǒng)一才能完成蛋白質(zhì)的生物合成。mRNA則起著重要的調(diào)控功能。
真核生物mRNA的“掃描模式”與蛋白質(zhì)合成的起始。真核生物蛋白合成起始時(shí)，40S核糖體亞基及有關(guān)合成起始因子首先與mRNA模板近5’端處結(jié)合，然后向3’方向移行，發(fā)現(xiàn)AUG起始密碼時(shí)，與60S亞基形成80S起始復(fù)合物，即真核生物蛋白質(zhì)合成的“掃描模式”。
mRNA5’末端的帽子與蛋白質(zhì)合成的關(guān)系。真核生物5’末端可以有3種不同帽子：0型、I 型和 II 型。不同生物的mRAN可有不同的帽子，其差異在于帽子的堿基甲基化程度不同。帽子的結(jié)構(gòu)與mRNA的蛋白質(zhì)合成速率之間關(guān)系密切：① 帽子結(jié)構(gòu)是mRNA前體在細(xì)胞核內(nèi)的穩(wěn)定因素，也是mRNA在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的穩(wěn)定因素，沒(méi)有帽子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物會(huì)很快被核酸酶降解；② 帽子可以促進(jìn)蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中起始復(fù)合物的形成，因此提高了翻譯強(qiáng)度；③ 沒(méi)有甲基化(m7G)的帽子(如GPPPN-)以及用化學(xué)或酶學(xué)方法脫去帽子的mRNA，其翻譯活性明顯下降。