第十四章 基因的表达与调控

1. 第十四章 基因的表达与调控

2. 第一节 基因的概念 一、基因的概念及其发展 1、经典遗传学 →孟德尔称控制性状的因子为遗传因子 →1909年约翰生提出了基因这个名词， 取代孟德尔的遗传因子 →摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗 传研究，建立了以基因和染色体为主 体的经典遗传学

3. 经典遗传学关于基因的概念有如下几个要点： • 1、基因是不连续的颗粒状因子，在染色体上有固定的位置，并且呈直线排列，具有相对的稳定性。2、基因作为一个功能单位控制有机体的性状表达。3、基因以整体进行突变，是突变的最小单位。4、基因在交换中不再被分割，是重组的最小单位，。5、基因能自我复制，在有机体内通过有丝分裂有规律地传递，在上下代之间能通过减数分裂和受精作用有规律地传递。

4. 结构单位 重组单位 基因 突变单位 功能单位 2、分子遗传学 基因是DNA分子上的一定区段,携带有特殊的遗传信息，可转录、翻译，可对其他基因起调节作用

5. 突变子：突变的最小单位 基因 重组子：交换的最小单位 顺反子（作用子）：功能单位 （基因） 基因可进一步分为不同类型： (1)结构基因：可编码RNA或蛋白质的一 段DNA序列 (2)调控基因：其产物参与调控其他结 构基因表达的基因

6. (3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序 ，由于阅读框架(ORF)的不同或终止 早晚的不同，同时编码两个或两个 以上多肽链的现象 (4)隔裂基因：指一个结构基因内部为 一个或更多的不翻译的编码顺序， 如内含子所隔裂的现象 (5)跳跃基因：可作为插入因子和转座 因子移动的DNA序列，有人将它作为 转座因子的同义词 (6)假基因：同已知的基因相似，但位 于不同位点，因缺失或突变而不能 转录或翻译，是没有功能的基因

7. 二、基因的微细结构 1、互补作用与互补测验(顺反测验) 假定有两个独立起源的隐性突变如a1与a2，它们具有类似的表型，如何判断它们是属于同一个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？即如何测知它们是等位基因？

8. 需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用

9. 图 8－2 顺反测验

10. 2、顺式与反式调控 →假设某一基因的表达受一种调控 蛋白质控制，只有在调控蛋白质 与该基因的启动子位点结合时， 这个基因才能表达。 →如果这个基因的启动子位点发生 突变，调控蛋白不能识别这个位 点，也就不能转录形成RNA，基因 就不能表达。

11. 顺式调控：突变只影响到与其邻近 的编码序列，即基因本身不能表 达，并不影响其它等位基因。这 种突变称为顺式调控 反式调控：如果是调控蛋白质发生 突变，形成的蛋白质不能与这个 基因的启动子结合，这将会影响 到与这个蛋白质结合的所有等位 基因位点，导致这些基因不能表 达，这种突变称为反式调控

12. 图8－3 顺式调控与反式调控 • P为启动子，R为调控蛋白，两个正常的等位基因表达产生RNA。 • 2.启动子突变(P-)后，调控蛋白不能与其结合，顺式调控突变的基因不表达，另一个等位基因正常表达。 • 3.调控蛋白突变(R-)后，不能与启动子结合，这种反式调控蛋白质突变，使受其控制的所有基因不表达。

13. 3、基因的微细结构 20世纪50年代的生化技术还无法进行DNA的序列测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，对T4噬菌体rⅡ区基因的微细结构进行了详细分析

14. 图 8－6 突变座位与互补图解

15. 三、基因的作用与性状的表达 结构蛋白/功能蛋白→直接性状 表达。人类的镰形红血球贫血 症：正常血红蛋白基因(A)的 基因 两个不同的突变(S或C)，即 A → S或A → C导致镰形 红血球 酶→间接地影响生物性状的表达

16. 作 用 子 A DNA GTA CAT CAT GTA CTT GAA ACT TGA CCT GGA GAA CTT GAA CTT AAA TTT mRNA密码子 GUA CAU CUU ACU CCU GAA GAA AAA 氨基酸 缬 组 亮 苏 脯 谷 谷 赖 S DNA GTA CAT mRNA密码子 GUA 氨基酸 缬 C DNA AAA TTT mMRNA密码子 AAA 氨基酸 赖

17. 第二节 基因调控 每个细胞都含有整套遗传密码，只是这本密码在每个细胞中并不全部译出应用，而是不同细胞选用其中各自需要的密码子加以转录和翻译。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间，才呈现活化状态，而在它不应该发挥作用的时间和细胞内，则处于不活化的状态呢？ 这种控制特定基因产物合成的机制称为基因调控。

18. 一、原核生物的基因调控 1、转录水平的调控 →原核生物基因表达的调控主要 发生在转录水平 →当需要某一特定基因产物时， 合成这种mRNA。当不需要这种 产物时，mRNA转录受到抑制

19. 正调控：是经诱导物诱导转录的调控机制，即诱导物与另一蛋白质结合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录 负调控：阻遏物阻止转录过程的调控，即阻遏物与DNA分子结合，阻碍RNA聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才能起动，产生mRNA分子 原核生物中基因表达以负调控为主。真核生物中则主要是正调控机制。

20. 图 8－8 转录水平的负调控与正调控

21. 2、乳糖操纵元 大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制

22. 乳糖操纵元模型 乳糖操纵元的负调控 两种组成型突变： I→I—，O→Oc, 在有无诱导物时均可大量组成型表达 图 8－9 乳糖操纵元模型及对有无乳糖的反应

23. 乳糖操纵元的正调控 除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外，其它因子也能有效地抑制lac mRNA转录，这个因子的活性与葡萄糖有关： →葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性 →腺苷酸环化酶催化ATP前体→cAmp →cAmp+代谢激活蛋白(CAP)→ cAmp-CAP复合物，作为操纵元的 正调控因子

24. →当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到lac启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯曲形成新的构型，RNA聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加牢固，因而转录效率更高。 →在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达。

25. 乳糖操纵元的正调控

26. 目前，通过遗传分析证明lac操纵元的存在；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构目前，通过遗传分析证明lac操纵元的存在；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构

27. 图 8－14 乳糖操纵元的不同调控位点 a：CAP结合位点；b：RNA聚合酶结合位点；R：形成抑制环的区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数

28. 3、色氨酸操纵元 大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中基因调控的典型例子： 色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶的结构基因。当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5种酶的转录同时受到抑制；在色氨酸供应不足时，发生转录。 色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控色氨酸mRNA的转录。因此trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元

29. 图 8－15 色氨酸操纵元的组成

30. 1）阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基因编码→无辅基阻遏物 + trp→活性无辅基阻遏物—色氨酸复合物，与操纵子结合，阻止转录 2）色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三维空间结构发生改变，不能与操纵子结合，进行转录 活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制转录的起始。（弱化子）

31. 3）弱化作用：在高浓度色氨酸存在时，转录的前导序列mRNA只含有140个核苷酸，其中有一段28bp的弱化子区域，它在转录后可迅速形成发夹环结构，RNA聚合酶转录时不能通过这种发夹环结构。所以弱化子是一种内部终止子。3）弱化作用：在高浓度色氨酸存在时，转录的前导序列mRNA只含有140个核苷酸，其中有一段28bp的弱化子区域，它在转录后可迅速形成发夹环结构，RNA聚合酶转录时不能通过这种发夹环结构。所以弱化子是一种内部终止子。 4）无色氨酸时，由于前导肽中色氨酸密码子的作用，使弱化子不能形成发夹结构而成为单链。RNA聚合酶则通过弱化子，继续向前转录结构基因。

32. 图 8－16 色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构

33. 4、阿拉伯糖操纵元 阿拉伯糖操纵元也是解释代谢途径的调控系统，它具有一些与lac操纵元相似的特点，但与前述两种操纵元系统的显著区别是它的同一种调控蛋白--Ara C调控蛋白既可起正调控,也可起负调控作用

34. A、阿拉伯糖操纵元的组成。R：调控基因araC编码AraC蛋白；O：操纵子位点；I：诱导位点，具有CAP结合位点。A、阿拉伯糖操纵元的组成。R：调控基因araC编码AraC蛋白；O：操纵子位点；I：诱导位点，具有CAP结合位点。 B、有ara时，AraC与I位点结合，CAP-cAmp与CAP位点结合，诱导表达结构基因，为正调控。 C、无ara时，没有CAP-cAmp复合体与CAP位点结合，AraC二聚体(D)与I及O2同时结合，形成抑制环，抑制转录，表现为负调控。

35. 5、翻译水平的调控 反馈调控机制：大肠杆菌有7个操纵元与核糖体蛋白质合成有关。从这些操纵元转录的每一种mRNA，能够被同一操纵元编码的核糖体蛋白质识别与结合。如果其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与其自身的mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点通常包括mRNA 5’端非翻译区，也包括启动子区域的 Shine-Dalgarno 序列。

36. 反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5’UTR互补配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5’UTR互补配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。 反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。

37. 二、真核生物的基因调控 真核生物基因调控远比原核生物复杂： 1）高等真核生物的基因组远比细菌的基 因组大得多 2）很多重复序列与调控作用有关 3）染色质结构的变化可以调控基因表达 4）存在同一染色体上不同基因间的调控 ，也存在不同染色体之间的基因调控 调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修饰，翻译水平和翻译后修饰等多种层次。多数基因表达调控发生在转录水平

38. 1、DNA的改变 （1）基因剂量与基因扩增 组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型例子。为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数细胞含有数百个组蛋白基因拷贝 基因剂量可经基因扩增临时增加。人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞生长失控。有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。

39. （2）DNA重排 真核生物基因组中的DNA序列可发生重排，这种重排是由特定基因组的遗传信息所决定的，是有些基因调控的重要机制。

40. ① 酵母交配型转换 →a 这种交配型转换的基础是遗传物质的重排。控制交配型的MAT基因位于酵母菌第三染色体上，MATa和MAT互为等位基因

41. 图 8－19 酵母菌交配型转换的遗传基础

42. ② 动物抗体基因重排 图 8－20 抗体分子的基本结构 一个抗体分子包括两条重链( H )和两条轻 ( L )。氨基端( N )是变异区( V )，羧基端( C )是恒定区( C )

43. 抗体基因重排中各个片段之间的随机组合，可从约300个抗体基因中产生108个抗体分子 图 8－21 人类第14号染色体上抗体重链基因片段(A)和抗体重链基因的构建(B)

44. （3）DNA甲基化 真核生物中，少数胞嘧啶第5碳上的氢被一个甲基取代，甲基化。甲基化C在DNA复制中可整合到正常DNA序列中。C甲基化在CG双核苷酸序列中发生频率最高。许多真核 生物基因5’端 未翻译区富含 CG序列，易甲 基化。甲基化 可降低转录效率。

45. 2、转录水平的调控 (1)启动子与转录因子 →同原核生物一样，真核生物基因启动 子包括所有顺式调控元件及RNA聚合 酶识别位点，可以起始转录形成RNA →转录因子是激活真核生物基因转录的 蛋白质 →真核生物基因转录与原核生物的一个 重要区别是：真核生物基因的启动子 必须与一系列转录因子结合，才能在 RNA聚合酶的作用下起始转录

46. 图8－23 真核生物基因(A)与原核生物基因(B)在5端启动子的顺式调控元件 转录方向用箭头表示，转录起始点用+1表示

47. (2)强化子 转录强化子是真核生物基因转录中的另一种顺式调控元件，通常位于启动子上游700-1000bp处，离转录起始点较远

48. 强化子主要有两个功能: ①与转录激活子结合，改变染色 质的构型 ②使DNA弯曲形成环状结构，使 强化子与启动子直接接触，以 便通用转录因子、转录激活子 、RNA聚合酶一起形成转录复 合体，从而提高mRNA合成效率

49. 图 8－25 DNA环化与转录活性

50. 图8－26 强化子竞争控制基因表达