基因表达的调控

多细胞有机体的细胞各式各样，但是它们都含有相同的遗传信息。在发育过程中，相同的遗传信息被调节，使细胞表现出不同的分化的机制，是个体发育的基本问题。
既然发育中个体的每个细胞都具有相同的细胞核，决定分化方向的影响必定来自细胞核之外，必定是由于在不同的细胞中激活的基因信息不同。细胞质的影响在受精卵的早期发育中就可以看到，卵质的区域性在马蛔虫影响染色质的行为，并对以后胚胎的发育起决定性的作用。细胞核移植的实验也揭示出细胞质对基因活动的调控作用。把细胞核移植到事先去除核的受精卵中，它将按照细胞质的状态发生反应。鸡的红细胞虽然具有细胞核，但是后者已经失去合成RNA和DNA的能力，如果使红细胞和去核的HeLa细胞融合，在HeLa细胞的细胞质中，原来已经失去合成能力的鸡的细胞核又重新获得了这种能力。这些都说明，核周围的细胞质对基因活动起着调控的作用。
正常的基因表达包含了许多步骤： mRNA转录的启动、加工和拼接；mRNA从核转移到质； 然后mRNA和核糖体结合以形成进行活跃翻译的多聚核糖体。基因的调控可以发生在以上任何一步，也就是可以从两方面考虑：
❶发生在转录的水平：分化细胞中只有为完成分化所需要的蛋白质的基因被激活，才可以进行转录，产生的mRNA指导有关蛋白质的合成。
❷发生在转录以后的水平： 分化细胞的细胞核中不是选择性地转录某些所需要的mRNA，而是转录出更多种的。有的在细胞核中即被降解，不进入细胞质，或者，即使进入细胞质也不被翻译，而只有分化所需要的mRNA选择性地被翻译，后一种情况称为翻译水平的调节。
转录水平调节 真核细胞的基因调控是在转录，也就是RNA合成的水平上进行调控的。用核酸酶分析染色质结构的工作指出，转录和非转录的基因对酶解的反应不同。用脱氧核糖核酸酶l(DNasc I) 处理小鸡红细胞核，组蛋白基因被消化降解，而卵清蛋白基因则不受影响，前者在小鸡红血球核中是转录活跃的，后者则不是。同样，在小鸡输卵管细胞核中，卵清蛋白基因在DNase I短暂处理后就被消化，而在这种细胞中它是转录活跃的。转录活跃基因对酶处理的敏感性可能说明，组成这种染色质的核小体处于较为伸展的状态，因而更容易受到酶的影响。现在一般认为真核细胞的基因调控包括两步：首先染色质局部改变构形变得松展，然后基因被激活启动转录。
转录调控最令人信服的证据是多线染色体转录活跃区段在细胞学上的表现。在某些双翅目昆虫，如果蝇和摇蚊幼虫的一些增大的细胞中，多线染色体在光镜下可以清楚地观察到。它们是间期染色体，是多次染色体复制而不伴随细胞分裂的结果，它们的横断面可以比正常染色体宽10 000倍，这就使在正常染色体上看不到的结构细节能够显示出来。这些染色体上满布横纹，由相间的深色带和浅色带间所组成（见下图），在深色带上，DNA的含量比浅色带间要多得多。有足够的事实证明，多线染色体的带相当于一组基因，甚至单个基因。应该特别指出的是，同一个体不论那种细胞的多线染色体的一般形态都是相同的，也就是相当的染色体都具有相同的带和带间。在某些带上呈现肿涨的情况，称为涨泡。已经知道，分化细胞中的涨泡反应了这种细胞特有的旺盛的基因转录活动。放射性同位素示踪法显示，在涨泡区放射性尿嘧啶(RNA特有的核苷)的掺入量特别高，说明这个部位正在进行着旺盛的RNA合成。各种细胞形成涨泡的部位不相同，在一种细胞中染色体的某些部位形成涨泡，而在另一种细胞中另一些部位形成涨泡。

果蝇的唾腺染色体

比较各种细胞多线染色体涨泡的形式，可以看到转录有时间的调节，也有空间的调节。在同一种细胞的不同发育时期，涨泡的转录形式不相同。不同类型的细胞各自具有独特的涨泡形式，摇蚊(chironomus pallidivit-tatus)的唾液腺是说明这一点的一个很好例子。大多数的腺细胞分泌一种清澈的物质，少数细胞的分泌物含有颗粒，这种分泌物比清澈的分泌物多一种蛋白质成分，正是这额外的一种使分泌物具有颗粒。这两种细胞的一个多线染色体的转录活动也不一样。清澈的细胞有三个巨大的涨泡，这是唾液腺所特有的，认为是产生清澈分泌物基因活动的表现。颗粒细胞也有这三个涨泡，但是它们还有一个额外的涨泡。分泌物的颗粒成分的基因信息显然是位于这个额外的涨泡上，而这种分泌物的合成似乎是依赖于这个涨泡的形成。
转录后水平调节 另外一方面，也很难想象，细胞质仅仅是一条装配线，核里产生哪些mRNA，它就合成哪些蛋白质。例如，海胆原肠早期细胞核中的RNA，其复杂性要比核糖体上的(mRNA)大10倍以上。这表明某些结构基因mRNA在核糖体上的出现是经过转录后调节的。同一个体的两种细胞之间RNA复杂性的比较指出同样情况。两种细胞的核RNA之间的复杂性的差别，要比这两种细胞的核糖体上的RNA(mRNA)的差别小得多。这就是说虽然两种细胞用于合成蛋白质的mRNA不同，但是，细胞核中产生的RNA却很相似。这似乎指出，要保证在正确的时间、正确的细胞里产生某种专一的蛋白质，而且产生一定的量，在相当程度上依赖于转录后的调节。
尽管如此，关于调节是怎样进行的，还较少了解。曾经有人提出过一些解释，如像延迟翻译的进行，卵子在受精前已合成mRNA，但不立即进行翻译；各种mRNA的寿命不同，合成细胞专有的蛋白质所需要的mRNA寿命长些，其他的则很快降解。这些解释对于某些事例可能是适用的，但是，很可能调节的机制也是各式各样的。由此可见，真核细胞基因表达的调节控制是一个十分复杂的过程，目前的认识还很不充分。很可能在蛋白合成的各个阶段，从mRNA的转录到翻译，都含有调控的机制。有可能不同的细胞在其发育中的基因表达的调节控制不同； 也可能相同的细胞在其发育的各阶段中，调节控制的机制不同。在目前的情况，似乎不应该强调基因表达在某一阶段的调节控制，而忽略其他的可能性。