驾驭基因表达调控（1）什么是基因表达调控？为什么需要基因表达调控技术？

从基因的概念最早由生物学家 Johansen 在 1909 年基于孟德尔遗传因子概念上提出，到 Watson 和 Criek 1953 年提出 DNA 分子双螺旋结构，我们对于基因的了解经历了从个体到细胞，再到分子水平的跨越发展。

然而，尽管已经了解了人类的全基因序列，知道了生物个体表现出来的种种差异本质上是基因差异，对于基因在生命活动中的功能阐释我们依旧裹足不前。

一项 2017 年的研究表示，基因表达差异可以解释 82% 左右的癌症。了解基因表达引发的特定生物学功能改变，将极大有助于我们了解疾病甚至最终战胜疾病。

与癌症相关基因改变类型所占比例

基因可以大致分为编码基因和非编码基因两类。编码基因作用比较明确，一般用于转录翻译蛋白质。非编码基因，包括 lncRNA、circRNA、miRNA 等，一般用于编码基因的调控，目前机制还不明确。

基因表达的调控有时间和空间之分。生物体既可以在时间层面上控制基因表达先后，又能在空间水平上控制基因表达有无。

这一点在生物胚胎中体现最为明显，基因水平不仅随着胚胎的生长阶段不断变化，在胚胎不同部位也存在差异。

自然存在纷繁的基因调控方式要求我们开发多样的研究方法。

我们常说的基因表达调控技术指的是通过基因表达调控元件对基因表达水平的控制。

理论上借助优良的调控元件，这种控制可以在基因表达整个过程中任意阶段发生。比如 DNA 结构和序列、RNA 转录丰度、核酸甲基化程度等的调节都能有效调控最终基因表达水平。

为此我们 ‘借用并改造’ 了自然界已经存在的调控元件，实现了在细胞内特定基因表达的调控。如今基因表达调控技术已经发展地比较成熟。

目前成熟的基因表达调控有基因过表达、基因沉默和基因编辑三种。

基因过表达/基因沉默指人为整体上调/下调基因表达，观察基因上调/下调引发的生物功能变化，研究基因生物功能。

基因编辑则倾向于在基因组水平改变特定基因序列，研究基因序列对于生物功能的影响。此外特定位点的碱基敲除也能达到稳定基因沉默的效果。

当然为了实现更加个性化、精细的基因调控，我们开发了很多不同功能基因调控元件，这些元件的巧妙设计组合能有效实现复杂的基因表达调控。

经典的转录水平基因表达调控所需元件包括启动子、目的基因、筛选标记等。

目的基因的性质决定了基因表达调控的核心方式。对于基因过表达，我们可以导入外源基因也可以表达转录因子转录激活体内原有基因。而基因沉默则可导入外源 shRNA 和转录抑制等方式完成。

自然存在的启动子是位于结构基因 5' 端上游的 DNA 序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板 DNA 准确的结合并具有转录起始的特异性。

不同类型的启动子启动目的基因的种类不同。如 II 型启动子用于启动编码基因表达而 III 型启动子则用于非编码基因。

常见II型启动子

此外，不同类型的启动子还能决定基因表达空间特性。比如组织特异性启动子在特定组织细胞中控制基因表达水平。

常见III型启动子

筛选标记一般源于自然存在的抗性基因或荧光蛋白基因。

抗性基因是存在于生物体内抵抗外源抗生素的基因，有抗性基因的细胞对于抗生素有更强的抵抗能力，因此可以用来作为基因表达调控载体的筛选工具。帮助我们间接确定目的基因的表达情况。

天然存在的荧光蛋白是能够被激发而自发荧光的蛋白，使得表达荧光蛋白的细胞发出荧光而被筛选出来。大量性能优良颜色多样的荧光蛋白（如 EBFP、EYFP、EGFP、mchery 等）已经被改造出来，服务于基因表达调控载体的筛选。

常见荧光蛋白

当然，除上述基本调控元件外，我们还能借助更多功能专一的元件如增强子、连接子、操纵子等，实现更为复杂的基因调控。

基因组水平的表达调控可以通过基因编辑完成。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复 DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。

Cas 蛋白是一种最早在细菌中发现用于抵抗外源 DNA 的核酸酶。能够在 gRNA 的介导下精确定位并降解外源 DNA。

目前人工改造的 CRISPR/Cas 系统已经可以实现诸如基因组碱基的片段敲除/敲入和定点突变。达到基因替换或沉默的效果。这种沉默效果相比于转录水平的基因沉默能够有效沉默核内基因表达。

此外，CRISPR/Cas 系统也能实现基因转录水平的激活和抑制。融合表达没有剪切能力的 dCas 蛋白和转录激活（如 vp64）/抑制（如 krab）因子，能够在 gRNA 的介导下定点激活/抑制基因组特定基因表达。

CRISPR/Cas 系统衍生的基因调控技术

最后，构建完成的基因表达调控元件还要组装到基因递送载体上，才能被递送到宿主内完成调控功能。

常见的递送载体包括质粒和病毒等，普通体外培养的细胞宿主，一般使用质粒和慢病毒载体即可。体内实验则需要考虑使用腺病毒和腺相关病毒。调控元件表达情况的最早可检测时间点随载体类型变化，一般 1-4 天不等。

目前基因表达调控已经广泛应用于基因功能研究当中。一个经典的研究思路是借由基因沉默工具在特定宿主细胞中沉默基因，观察其生物功能变化，再用基因过表达工具在相同宿主中重启基因表达，观察变化的生物功能是否出现回复，验证特定基因和生物功能的相关性。

当然，借助不同的基因表达调控手段，基因功能研究方法也很多，这里就不一一列举了。更多相关的内容将会在之后几期内容里详细介绍，敬请期待。