分子水平的血红蛋白基因开关

基因是否表达以及表达的状况如何，是由很多机制调控的。就好像“开关”一样，打开则表达，关闭则不表达。对血红蛋白而言，影响基因开关的因素从分子水平来看，有以下几种。
1. 启动子： 基因启动子包括与RNA聚合酶结合以达到精确高效的转录所必需的DNA顺序。启动子顺序靠近转录起始部位，其功能对相应的编码顺序是单方向的。比较分子生物学法和突变法用于启动子的研究，通过对多种珠蛋白基因的比较，鉴定了启动子区域几个保守的核苷酸片段，这些片段在相当于mRNA 5′端150核苷酸范围内。习惯上称为盒。三种保守盒的核苷酸顺序分别是：TATA盒——ATAAAA、CAT盒——CCAAT、CACA盒——CACC。它们在β珠蛋白基因上的分布如表。

保守盒在β类珠蛋白基因上的分布情况

基因	保 守 盒			总数
	TATA	CAT	CACA
s γ δ β	1 1 1 1	1 2 1 1	1 1 0 2	3 4 2 4

突变法分为人工突变与自然突变两种。人工突变法即改变启动子区域的DNA顺序以产生不同部位的缺失、单核苷酸取代和多核苷酸取代。将这些珠蛋白基因启动子突变体和相应基因的重组质粒导入猴肾细胞或HeLa细胞，48小时后珠蛋白基因在细胞表达体系内转录，收集RNA作分析，用正确起始的mRNA的相对量来比较突变基因和正常基因的启动子功能。发现β珠蛋白基因启动子从CAP部位伸展到上游110bp(-110)。启动子区域的保守顺序对珠蛋白基因的高效表达是非常重要的。TATA盒与CAT盒的缺失，这些顺序的单核苷酸突变，或者两盒之间的相对距离改变，都导致转录功能的显著降低。γ启动子的CACA盒缺失，在HeLa细胞内其功能仅为正常的25%；进一步去除远端的CAT盒，其功能减少到正常的10%; 但若去除近端的CAT盒而保留上游顺序完整，在HeLa细胞内这种启动子功能较正常升高2～4倍。
自然突变法即分离地中海贫血或遗传性持续性胎儿血红蛋白增多症(HPFH)的相应珠蛋白基因启动子，测定其突变顺序，并将启动子和相应基因导入细胞表达体系。四种启动子区域有单核苷酸突变的β地中海贫血的β基因，在细胞表达体系中其中三种较正常转录水平低，可见启动子区域的单核苷酸突变可致地中海贫血表现型。γ基因启动子区域的点突变可使成年γ基因的表达增加。这些突变有些紧靠CAT盒。在HeLa细胞内的基因转移试验中，去除一个或两个CAT盒，可使γ基因的表达增加1.5～4倍。可见CAT盒及其旁侧序列在成年珠蛋白基因表达中可能是γ基因的负调节成分。
2. 顺式作用元件与反式调节因子：影响启动子功能的因素可分为两大类。在同一条DNA链上影响启动子活性的序列称为顺式作用元件，是指DNA序列本身的调节； 另一类如影响因子是由远距离基因编码的蛋白质则称为反式调节因子，是指蛋白因子对基因表达的调节。顺式作用元件包括CAP部位的3′侧序列和启动子5′端的远距离序列，就功能而言，有增强子成分和抑制序列。将兔β珠蛋白启动子截短至从CAP部位起剩58个核苷酸，仍有一定程度的诱导作用。这说明与诱导表达有关的顺序一部分可能位于CAP部位的3′侧，即功能基因的编码序列。
启动子上游的远距离序列不仅影响珠蛋白基因的表达，并有数个启动子外的转录起始部位，其中至少有一个由RNA聚合酶Ⅲ从一个Alu序列开始转录。人类ε珠蛋白基因的相当上游有多个特异转录起始部位，最远的达上游4500bp。ε珠蛋白基因-200bp部位可独立于主要CAP部位而起作用
将γ和β珠蛋白启动子诱导入非红系细胞48小时后，启动子在载体分子内的功能取决于载体分子内一个增强子的存在。SV40的72bp重复的增强子能使正确起始的兔β珠蛋白mRNA的量增加200倍。人类β珠蛋白基因启动子在猴肾细胞和海拉细胞内均表现几乎完全依赖SV40增强子的存在。
在细胞转化试验中，发现含有鼠主要β基因上游的一个DNA片段(H₁)对珠蛋白基因启动子的功能有强烈的抑制作用且此作用具特异性。H₁片段是启动子的抑制序列。
从红系核蛋白对β基因启动子上形成高敏区的试验发现，核蛋白具有组织特异性和发育阶段的特异性。核蛋白是与DNA结合并影响其作用的蛋白质，它即是一种反式调节因子。这个结合蛋白在鸡发育完全的红系细胞核发现，在这种细胞内β珠蛋白基因表达，而在原始成红细胞和非红系细胞核内无此蛋白，β珠蛋白基因不表达。
3. DNA修饰状态与高级结构： 精子DNA珠蛋白基因区全部甲基化；在珠蛋白基因不表达的组织，甲基化程度相当高但有一定变异范围；在珠蛋白基因表达的组织，珠蛋白基因及其周围低水平甲基化，而相邻的DNA序列甲基化程度较高。用生血器官的成红细胞分析了β珠蛋白基因簇的甲基化与基因表达，发现当珠蛋白基因处于表达状态时，基因旁侧序列的DNA低甲基化。胎儿珠蛋白基因表达时相邻序列的DNA呈现去甲基化，而此时与其紧密相连的成年珠蛋白基因却保持甲基化状态。此后当成年珠蛋白基因逐渐去甲基化时，γ基因反呈甲基化状态。这种去甲基化状态的演变顺序与珠蛋白基因簇从5′到3′的依次开启表达相同。可见珠蛋白基因的开启表达与DNA去甲基化状态密切相关，但这种关系不是绝对的。与表达有关的是某些特异残基的去甲基化状态，它对表达非充分条件可能是一个先决条件。
DNA甲基化状态影响DNA的构象。使DNA上C残基甲基化能够稳定ZDNA,ZDNA是抑制基因转录的构象。
DNA甲基化与染色质结构有关，胞苷甲基化消失与DNaseI敏感性增加在时间上和空间上均相关。染色质结构与非组蛋白密切相关。从染色质重组实验发现，非组蛋白有量的组织专一性和质的组织专一性。从比较生物学和细胞分化的研究发现，非组蛋白在进化的不同阶段和不同细胞周期的量、质均不同。组蛋白无此特异性，这说明非组蛋白在基因表达调控中起重要作用。