基因的选择性表达（也称为差异基因表达）是细胞分化和多细胞生物体复杂性的核心基础。它指的是在同一个生物体的不同细胞类型中，或在同一细胞类型的不同发育阶段或环境条件下，只有特定基因的子集被激活（转录和翻译），而其他基因则保持沉默的状态。
这种精密的调控主要发生在转录起始阶段（即决定一个基因是否被转录成RNA），但也可能涉及转录后、翻译及翻译后水平的调控。以下是实现选择性表达的关键机制：
1. 转录因子（Transcription Factors, TFs）:
作用： 这是最核心的调控机制。TFs 是能够特异性结合到 DNA 特定序列（如启动子、增强子、沉默子）上的蛋白质。
激活因子： 一些 TFs 是激活因子。它们结合到启动子或增强子上，招募 RNA 聚合酶（负责转录 RNA 的酶）以及其他辅助激活因子（如组蛋白乙酰转移酶，见下文），形成转录起始复合物，从而启动基因转录。
抑制因子： 另一些 TFs 是抑制因子。它们结合到 DNA 的沉默子区域或与激活因子竞争结合位点，阻止转录起始复合物的形成或招募抑制复合物（如组蛋白去乙酰化酶），从而关闭基因转录。
组合调控： 特定基因的表达通常由多种 TFs 的组合决定。一个细胞类型特有的 TFs 组合决定了该细胞中哪些基因被激活，哪些被抑制。例如，肌肉细胞中有高水平的 MyoD 转录因子，它激活了大量肌肉特异性基因。
2. 表观遗传修饰（Epigenetic Modifications）:
作用： 在不改变 DNA 序列本身的情况下，通过化学修饰 DNA 或其包装蛋白（组蛋白）来影响基因的可及性和活性。这些修饰可以在细胞分裂时遗传给子细胞，维持细胞的身份。
DNA 甲基化：
通常在胞嘧啶（C）上加一个甲基（形成 5-甲基胞嘧啶）。
通常发生在基因启动子区域富含 CG 的“CpG岛”上。
主要作用： 抑制转录。甲基化的 DNA 会阻碍转录因子的结合，并招募抑制性蛋白（如甲基化结合蛋白），导致染色质凝缩（异染色质化）。
组蛋白修饰：
组蛋白（H2A, H2B, H3, H4）的尾部可以被添加多种化学基团，如乙酰基、甲基、磷酸基等。
组蛋白乙酰化： 通常激活转录。乙酰基中和了组蛋白的正电荷，削弱了组蛋白与带负电的 DNA 之间的相互作用，导致染色质结构变得松散（常染色质化），使 DNA 更易于被转录机器接近。
组蛋白甲基化： 效应复杂，取决于被修饰的氨基酸残基和甲基化的程度（单甲基、二甲基、三甲基）。例如，H3K4me3（组蛋白 H3 第 4 位赖氨酸的三甲基化）通常与活跃基因启动子相关；而 H3K27me3 则通常与基因沉默相关。
组蛋白变体： 核心组蛋白可以被特定的变体（如 H2A.Z, H3.3）替换，这些变体可以改变染色质的结构和稳定性，影响基因表达。
3. 染色质重塑（Chro ma tin Remodeling）:
作用： 由 ATP 依赖的染色质重塑复合物执行。这些复合物利用 ATP 水解的能量来滑动核小体、驱逐核小体或用组蛋白变体替换核心组蛋白。
影响： 改变核小体在 DNA 上的位置和紧密程度，从而暴露或遮蔽特定的调控序列（如启动子、增强子），决定这些序列能否被转录因子和 RNA 聚合酶接近和使用。
4. 非编码 RNA（Non-coding RNA）:
作用： 不编码蛋白质的 RNA 分子在基因调控中扮演重要角色。
长链非编码 RNA（lncRNA）： 如 Xist RNA，它包裹在雌性哺乳动物的一条 X 染色体上，招募抑制性复合物（包括组蛋白修饰酶），导致该条 X 染色体大部分基因失活（剂量补偿）。
微小 RNA（miRNA）和小干扰 RNA（siRNA）： 主要在转录后水平调控。它们与目标 mRNA 结合，导致其降解或阻止其翻译成蛋白质。虽然不直接决定转录起始，但通过降解特定 mRNA，它们也实现了基因表达的差异。
增强子 RNA（eRNA）： 在活性增强子处转录产生，可能参与增强子-启动子环的形成或招募调控因子。
5. 顺式作用元件（Cis-regulatory Elements）:
作用： 位于基因附近或内含子中的特定 DNA 序列模块，作为转录因子结合的靶点。
启动子（Promoter）： 位于基因转录起始位点上游，是 RNA 聚合酶和通用转录因子结合并启动基础转录的位置。
增强子（Enhancer）： 可以位于基因上游、下游甚至内含子中，距离启动子可能很远。它们结合特异性的转录因子（激活因子），通过 DNA 成环（Looping）与启动子区域相互作用，极大地增强转录效率。不同细胞中激活的增强子***是决定选择性表达的关键。
沉默子（Silencer）： 结合抑制性转录因子，抑制基因转录。
绝缘子（Insulator）： 阻止增强子对非目标基因的激活作用，或阻止异染色质的扩散，帮助界定功能性的染色质结构域。
6. 信号通路与细胞外环境：
作用： 细胞外的信号分子（如激素、生长因子、细胞因子、营养状况、压力信号等）通过细胞表面的受体激活细胞内信号转导通路。
影响： 这些通路最终会激活或抑制特定的转录因子（如 NF-κB, STATs, SMADs），或者影响表观遗传修饰酶的活性，从而动态地调控特定基因的表达，使细胞能够响应环境变化。
基因的选择性表达是一个极其复杂的、多层次调控的网络：
核心在于转录因子： 它们识别并结合特定的 DNA 序列（顺式作用元件）。
表观遗传修饰奠定基础： DNA 甲基化和组蛋白修饰决定了染色质的整体结构和基因的可及性（“开”或“关”的状态）。
染色质重塑提供动态调整： 改变核小***置以暴露或遮蔽调控位点。
非编码 RNA 参与精细调控： 在转录后水平或通过特殊机制（如 Xist）发挥作用。
顺式作用元件是调控的靶点： 启动子、增强子、沉默子等构成了调控信息的“地址”。
信号通路实现环境响应： 将细胞外信号转化为基因表达的变化。
所有这些机制协同工作，确保在正确的时间、正确的细胞中，只有正确的基因被表达，从而构建和维持复杂多细胞生物体的结构和功能。任何一个环节的失调都可能导致发育异常或疾病（如癌症）。
实现基因选择性表达的核心机制
| 调控层次 | 关键机制 | 主要作用 | 对基因表达的影响 |
-|
| 转录水平 | 转录因子(TFs) | 识别并结合DNA调控序列(启动子/增强子/沉默子) | ✓ 激活因子促进转录
✗ 抑制因子阻遏转录 |
| 表观遗传 | DNA甲基化 | 在CpG岛添加甲基基团(5mC) | ✗ 阻碍TF结合，招募抑制蛋白，导致基因沉默 |
| | 组蛋白修饰 | 组蛋白尾部的化学修饰(乙酰化/甲基化等) | ✓ 乙酰化松弛染色质，促进转录
✗ 某些甲基化(如H3K27me3)抑制转录 |
| | 组蛋白变体 | 核心组蛋白被特殊变体替代 | 改变染色质稳定性，影响基因可及性 |
| 染色质结构 | 染色质重塑 | ATP依赖的复合物改变核小***置 | 暴露或遮蔽调控序列，决定TF可及性 |
| RNA调控 | 非编码RNA | lncRNA/miRNA/siRNA/eRNA等 | lncRNA介导染色体沉默
miRNA/siRNA降解mRNA
eRNA参与增强子-启动子互作 |
| 调控元件 | 顺式作用元件 | 启动子/增强子/沉默子/绝缘子 | 提供TF结合位点，远程调控转录活性 |
| 环境响应 | 信号通路 | 细胞外信号(激素/生长因子等) | 激活TF或修饰酶，动态调控基因表达 |
所有机制协同作用，通过精确的时空控制实现基因的选择性表达
