遗传学15第十四章基因表达的调控.ppt

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1、 第十四章 基因的表达与调控 第六节基因的概念与发展一、经典遗传学中基因的概念二、生化遗传和早期分子遗传学对基因概念的发展三、基因的微细结构与性质四、现代分子遗传学关于基因的概念一、经典遗传学中基因的概念18651865年，年，MendelMendel遗传因子遗传因子19091909年，丹麦年，丹麦JohanssenJohanssen基因基因1915191519281928年，年，MorganMorgan等认为基因是以念珠等认为基因是以念珠状直线排列在染色体上的三维一体的一种状直线排列在染色体上的三维一体的一种化学实体。即基因是功能的基本单位、是化学实体。即基因是功能的基本单位、是突变的基本单

2、位、是交换的基本单位，基突变的基本单位、是交换的基本单位，基因是不可再分的。因是不可再分的。二、生化遗传和早期分子遗传学对基因概念的发展生化遗传及早期分子遗传研究在两个重生化遗传及早期分子遗传研究在两个重要方面发展了基因的概念：要方面发展了基因的概念：1.1.基因是基因是DNADNA分子上带有遗传信息的特定分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段，并且在染色体上位置核苷酸序列区段，并且在染色体上位置固定、序列连续；遗传信息就存在于核固定、序列连续；遗传信息就存在于核苷酸苷酸(碱基碱基)序列中。序列中。2.19442.1944年，年，G.BeadleG.Beadle和和E.TatumE.Tatum

3、 通过研究通过研究脉胞菌突变，提出：一基因一酶假说。脉胞菌突变，提出：一基因一酶假说。基因表达为蛋白质；基因的核苷酸序列基因表达为蛋白质；基因的核苷酸序列决定蛋白质氨基酸序列决定蛋白质氨基酸序列三、基因的微细结构与性质(一)、位置效应(二)、遗传的最小结构单位(三)、遗传的最小功能单位(一)、位置效应位置效应及意义：位置效应及意义：基因在染色体上位置不同，对性状表现的基因在染色体上位置不同，对性状表现的作用作用(程度程度)也可能不同也可能不同染色体并非基因的简单容纳器，基因在染染色体并非基因的简单容纳器，基因在染色体上的位置也对其功能具有重要影响色体上的位置也对其功能具有重要影响“念珠理论念珠

4、理论”的第一点的第一点(基因与染色体的关基因与染色体的关系系)得到了发展得到了发展“念珠理论念珠理论”的另一个内容是基因的的另一个内容是基因的结构不结构不可分性可分性(最小遗传结构单位最小遗传结构单位)。不可分性最早。不可分性最早遇到的挫折也是来自对果蝇的研究遇到的挫折也是来自对果蝇的研究(二)、遗传的最小结构单位重组值检测精度可达十万分之一，但实际结重组值检测精度可达十万分之一，但实际结果不会低于果不会低于0.01%基因内存在最小重组单基因内存在最小重组单位位本泽尔将最小重组单位定义为本泽尔将最小重组单位定义为重组子重组子(recon)rII区段存在复等位基因已经表明区段存在复等位基因已经表

5、明基因也并非最小突变单位基因也并非最小突变单位基因突变的最小单位基因突变的最小单位突变子突变子(muton)理论上讲突变子不必等于重组子。但以后研理论上讲突变子不必等于重组子。但以后研究显示：突变子和重组子都是一个核苷酸对究显示：突变子和重组子都是一个核苷酸对或者碱基对或者碱基对(bp)。所以基因内所以基因内每个碱基每个碱基均可均可能发生突变，能发生突变，任意两个碱基间任意两个碱基间均能发生交换均能发生交换重组重组1.双突变杂合体的互补作用对于两个独立起源的、表型相似的隐性突变，如对于两个独立起源的、表型相似的隐性突变，如何判定是属于何判定是属于同一基因同一基因(功能单位功能单位)还是还是两个

6、基因两个基因突变产生的呢突变产生的呢在二倍体生物中，可以建立在二倍体生物中，可以建立双突变杂合体双突变杂合体。双突。双突变体杂合体有两种形式：顺式变体杂合体有两种形式：顺式(cis)和反式和反式(trans)(三三)、遗传的最小功能单位遗传的最小功能单位顺反测验与顺反子根据两突变反式双杂合体的表现，就可以解决刚才的问题突变型无互补作用为同一功能单位的突变野生型有互补作用为不同功能单位的突变互补测验，也称顺反测验(cis-transtest)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron)顺反子内发生的突变间不能互补基因的顺反子测试示意图基因的顺反子测试示意图四、现代

7、分子遗传学关于基因的概念(一一)、现代基因概念现代基因概念基因是基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段酸序列区段基因由重组子、突变子序列构成基因由重组子、突变子序列构成重组子是重组子是DNA重组的最小可交换单位重组的最小可交换单位突变子是基因突变的最小单位突变子是基因突变的最小单位重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp)基因基因(决定某一性状表现决定某一性状表现)可以包含多个功能单位可以包含多个功能单位(顺反子顺反子)(二)、基因的功能类型根据基因的原初功能可以将基因分为：根据基因的原初功能可以将基因分为：1.

8、1.编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因蛋白的调节基因2.2.没有翻译产物，不产生蛋白质的基因没有翻译产物，不产生蛋白质的基因转录产物转录产物RNARNA不翻译，如编码不翻译，如编码tRNAtRNA、rRNArRNA3.3.不转录的不转录的DNADNA区段区段如启动基因、操纵基因。启动基因是转如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时录时RNARNA多聚酶与多聚酶与DNADNA结合的部位。操纵结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNADNA结合的结合

9、的部位部位(三)、基因的几种特殊形式1.1.重复基因：重复基因：指在染色体组上存在指在染色体组上存在多份拷贝多份拷贝的基因，的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基往往是生命活动中最基本、最重要的基因因最典型的重复基因是最典型的重复基因是rRNArRNA、tRNAtRNA和组蛋和组蛋白基因等白基因等2.2.重叠基因：重叠基因：同一段同一段DNADNA序列，由于阅读框架序列，由于阅读框架(转录范转录范围围)不同，同时成为两个或两个以上基因不同，同时成为两个或两个以上基因的组成部分的组成部分因此基因在染色体上可能有重叠，甚至因此基因在染色体上可能有重叠，甚至一个基因完全存在于另一个基因内部一个基

10、因完全存在于另一个基因内部3.断裂基因或隔裂基因早期分子遗传认为基因是一个连续的、完整的结构早期分子遗传认为基因是一个连续的、完整的结构19771977年年DoelDoel研究表明：卵清蛋白基因中间存在研究表明：卵清蛋白基因中间存在不表不表达的碱基序列达的碱基序列，表明基因的，表明基因的DNADNA序列可能是不连续序列可能是不连续的的外显子：参加蛋白质编码的外显子：参加蛋白质编码的DNADNA片段片段内含子：不参加蛋白质编码的内含子：不参加蛋白质编码的DNADNA片段片段真核生物基因可能是不同外显子的组合真核生物基因可能是不同外显子的组合断裂基断裂基因因4.跳跃基因(jumpinggene)早

11、期分子遗传学还认为：早期分子遗传学还认为：基因在染色体上的相对位置是固定的基因在染色体上的相对位置是固定的转座子转座子(transposontransposon)、转座因子、转转座因子、转位因子位因子(transposable element)(transposable element)某些某些DNADNA序列可以在染色体上转变位序列可以在染色体上转变位置置转座子转位的过程也是一个遗传重组转座子转位的过程也是一个遗传重组过程过程(四四)、基因概念发展19441944年，年，AveryAvery首次证实基因的化学本质是首次证实基因的化学本质是DNADNA。19531953年提出了年提出了DNAD

12、NA双螺旋结构模型，认为基因是双螺旋结构模型，认为基因是具有一定遗传效应的具有一定遗传效应的DNADNA片段。片段。19551955年，年，BenzerBenzer通过顺反互补测验（确定两次通过顺反互补测验（确定两次不同的基因突变是否发生在同一基因内）发不同的基因突变是否发生在同一基因内）发现一个基因内部的许多位点都可以发生突变，现一个基因内部的许多位点都可以发生突变，并且也可能在这些位点间发生交换，说明一并且也可能在这些位点间发生交换，说明一个基因并不是一个突变单位和一个交换单位。个基因并不是一个突变单位和一个交换单位。因而又把基因称为顺反子。因而又把基因称为顺反子。操纵子的发现修正了有一个

13、基因就有一条多肽或操纵子的发现修正了有一个基因就有一条多肽或决定一个蛋白质功能的就是一个基因的说法。决定一个蛋白质功能的就是一个基因的说法。6060年代，年代，JacodJacod和和MonodMonod研究细菌基因调控时发现研究细菌基因调控时发现基因是可分的，功能上是有差别的。基因是可分的，功能上是有差别的。结构基因结构基因决定合成某种蛋白质决定合成某种蛋白质 调节基因调节基因编码阻遏或激活结构基因转录的蛋白编码阻遏或激活结构基因转录的蛋白质基因质基因 无翻译产物的基因无翻译产物的基因新的发现新的发现断裂基因，重叠基因，跳跃基因断裂基因，重叠基因，跳跃基因比较比较DNADNA序列和成熟序列和

14、成熟mRNAmRNA内含子和外显子内含子和外显子综上所述，对基因可作如下描述：综上所述，对基因可作如下描述：基因是实体，它的物质基础是基因是实体，它的物质基础是DNADNA（或（或RNARNA）；）；基因是具有特定遗传效应的基因是具有特定遗传效应的DNADNA片段片段（DNADNA分子分子中的特定核苷酸序列）；中的特定核苷酸序列）；基因是遗传信息传递和性状分化发育的依据；基因是遗传信息传递和性状分化发育的依据；基因是可分的，按其功能（基因的产物）基因基因是可分的，按其功能（基因的产物）基因可分为可分为 编码蛋白质的基因（结构基因编码蛋白质的基因（结构基因+调节基因）调节基因）无翻译产物的基因（

15、如无翻译产物的基因（如rRNArRNA ，tRNAtRNA ，snRNAsnRNA ）不转录的不转录的DNADNA区段（如启动子，操纵基因等）区段（如启动子，操纵基因等）基因是遗传学中最基本的概念基因是遗传学中最基本的概念,然而基因的概然而基因的概念不是一成不变的念不是一成不变的,请概括地叙述对基因认请概括地叙述对基因认识的演变过程识的演变过程,以及目前对基因本质的看法以及目前对基因本质的看法.1866年年,孟德尔在他的豌豆杂交试验中首次提孟德尔在他的豌豆杂交试验中首次提出了遗传性状是由遗传因子控制出了遗传性状是由遗传因子控制.1909年年,约翰生第一次提出了基因一词，泛指约翰生第一次提出了基

16、因一词，泛指控制任何性状的，如遗传因子控制任何性状的，如遗传因子1911年，摩尔根通过对果蝇的研究证明基因在年，摩尔根通过对果蝇的研究证明基因在染色体上是直线排列的染色体上是直线排列的经典遗传学把基因看成是一个不可分割的结构经典遗传学把基因看成是一个不可分割的结构单位和功能单位单位和功能单位1944年通过肺炎双球转化试验证明基因的化学年通过肺炎双球转化试验证明基因的化学成为是成为是DNA基因是基因是DNA分子上的功能单位分子上的功能单位1955年本泽尔对噬菌体基因微细结构分析，证年本泽尔对噬菌体基因微细结构分析，证明了基因是可分的，提出了突变子，重组子明了基因是可分的，提出了突变子，重组子和顺

17、反子的概念认为顺反子是属于遗传的和顺反子的概念认为顺反子是属于遗传的功能单位，相当于传统意义上的基因顺反功能单位，相当于传统意义上的基因顺反子学说否定了基因是决定遗传性状的功能单子学说否定了基因是决定遗传性状的功能单位和突变、重组的最小单位，认为一个顺反位和突变、重组的最小单位，认为一个顺反子就是一个基因。子就是一个基因。1961年提出了操纵子模型年提出了操纵子模型(雅格布、莫诺根雅格布、莫诺根)，提出了操纵子概念，揭示了原核生物基因表提出了操纵子概念，揭示了原核生物基因表达调控的规律。将基因分为结构、调节、操达调控的规律。将基因分为结构、调节、操纵基因纵基因 后来又发现了启动基因，这些概念与

18、顺后来又发现了启动基因，这些概念与顺反子学说相悖随着反子学说相悖随着DNA重组技术和重组技术和DNA序序列分析技术的发展，发现操纵基因很短由列分析技术的发展，发现操纵基因很短由于上述原因，遗传学家陆续剥夺了操纵基因于上述原因，遗传学家陆续剥夺了操纵基因和启动基因的基因资格，将其称为操作子和和启动基因的基因资格，将其称为操作子和启动子等启动子等 由此可见，人们对基因的认识是不断在由此可见，人们对基因的认识是不断在发展的和深化的到二十世纪七十年代发现发展的和深化的到二十世纪七十年代发现了断裂基因、重叠基因、跳跃基因等使基了断裂基因、重叠基因、跳跃基因等使基因的概念并不完全等同于顺反子因的概念并不完

19、全等同于顺反子根据目前人们的认识，基因是应该能够表根据目前人们的认识，基因是应该能够表达和产生基因产物的达和产生基因产物的DNA序列据产物的类序列据产物的类别可以分为蛋白质基因和别可以分为蛋白质基因和RNA基因两大类基因两大类 根据产物的功能可以分成结构基因和调根据产物的功能可以分成结构基因和调节基因两大类节基因两大类 如果按照有功能的如果按照有功能的DNA片断或实现一定片断或实现一定遗传效应的核苷酸序列来定义基因的话，则遗传效应的核苷酸序列来定义基因的话，则染色体上处处是基因关有重叠基因存在和基染色体上处处是基因关有重叠基因存在和基因内基因因内基因 在染色体上确定区分有功能的序列和无在染色体

20、上确定区分有功能的序列和无功能序列是很难办到的，做法可能就不科学，功能序列是很难办到的，做法可能就不科学，这样，即便是一个核苷酸序列已知的染色体，这样，即便是一个核苷酸序列已知的染色体，人们还是无法知道这个染色体上到底有多少人们还是无法知道这个染色体上到底有多少基因基因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 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，

21、可转录、翻译，可对其他基因起调节作用 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(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

22、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 二、基因的微细结构 1 1、互补作用与互补测验、互补作用与互补测验(顺反测验顺反测验)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？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图图 8 82 2 顺反测验顺反测验 2 2、顺式与反式调控、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

23、点，也就不能转录形成RNA，基因 就不能表达。顺式调控顺式调控：突变只影响到与其邻近：突变只影响到与其邻近 的编码序列，即基因本身不能表的编码序列，即基因本身不能表 达，并不影响其它等位基因。这达，并不影响其它等位基因。这 种突变称为顺式调控种突变称为顺式调控反式调控反式调控：如果是调控蛋白质发生：如果是调控蛋白质发生 突变，形成的蛋白质不能与这个突变，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基因位点，导致这些基因不能表 达，这种突变称为反式调控达，这种突变称为反式调

24、控 图图8 83 3 顺式调控与反式调控顺式调控与反式调控1.1.P P为为启启动动子子，R R为为调调控控蛋蛋白白，两两个个正正常常的的等等位位基基因因表表达达产生产生RNARNA。2.2.启启动动子子突突变变(P-)P-)后后，调调控控蛋蛋白白不不能能与与其其结结合合，顺顺式式调调控控突变的基因不表达，另一个等位基因正常表达。突变的基因不表达，另一个等位基因正常表达。3.3.调调控控蛋蛋白白突突变变(R-)R-)后后，不不能能与与启启动动子子结结合合，这这种种反反式式调调控蛋白质突变，使受其控制的所有基因不表达。控蛋白质突变，使受其控制的所有基因不表达。3 3、基因的微细结构、基因的微细结

25、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r区基因的微细结构进行了详细分析 图图 8 86 6 突变座位与互补图解突变座位与互补图解 三、基因的作用与性状的表达 结构蛋白结构蛋白/功能蛋白功能蛋白直接性状直接性状 表达。人类的镰形红血球贫血表达。人类的镰形红血球贫血 症：正常血红蛋白基因症：正常血红蛋白基因(A A)的的基因基因 两个不同的突变两个不同的突变(S S或或 C C)，即，即 A A S S或或 A A C C导致镰形导致镰形 红血球红血球 酶酶间接地影响生物性状的表达间接地影响生物性状的表达 作 用 子ADNAGT

26、ACATCATGTACTTGAAACTTGACCTGGAGAACTTGAACTTAAATTTmRNA密码子GUACAUCUUACUCCUGAAGAAAAA氨基酸缬组亮苏脯谷谷赖SDNAGTACATmRNA密码子GUA氨基酸缬CDNAAAATTTmMRNA密码子AAA氨基酸赖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。一、原核生物

27、的基因调控 1、转录水平的调控转录水平的调控 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 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。图图 8 88 8 转录水平的负调控与正调控转录水平的负调控与正调控 2、

28、乳糖操纵元乳糖操纵元 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 图图 8 89 9 乳糖操纵元模型及对有无乳糖的反应乳糖操纵元模型及对有无乳糖的反应 两种组成型突变两种组成型突变：I II I，O OO Oc c,在有无在有无诱导物时均可大量组成诱导物时均可大量组成型表达型表达 乳糖操纵元模型乳糖操纵元模型乳糖操纵元的负调控乳糖操纵元的负调控乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元

29、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cAmpcAmp+代谢激活蛋白(CAP)cAmp-CAP复合物，作为操纵元的 正调控因子 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。乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调控目前，通过遗传分析证明la

30、c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 图图 8 814 14 乳糖操纵元的不同调控位点乳糖操纵元的不同调控位点a a：CAPCAP结合位点；结合位点；b b：RNARNA聚合酶结合位点；聚合酶结合位点；R R：形形成抑制环的区域，下面的数字表示转录起始点上下成抑制环的区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数游的碱基数 3、色氨酸操纵元、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

31、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 图图 8 815 15 色氨酸操纵元的组成色氨酸操纵元的组成 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）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

32、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。图图 8 816 16 色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构 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 A A、阿阿拉拉伯伯糖糖操操纵纵元元的的组组成成。R R：调调控控基基因因araCaraC编编码码

33、AraCAraC蛋蛋白白；O O：操操纵纵子子位位点点；I I：诱诱导导位位点点，具具有有CAPCAP结结合合位位点。点。B B、有有araara时时，AraCAraC与与I I位位点点结结合合，CAP-CAP-cAmpcAmp与与CAPCAP位点结合，诱导表达结构基因，为正调控。位点结合，诱导表达结构基因，为正调控。C C、无无araara时时，没有，没有CAP-CAP-cAmpcAmp复合体与复合体与CAPCAP位点结位点结合，合，AraCAraC二聚体二聚体(D)D)与与I I及及O O2 2同时结合，形成抑制同时结合，形成抑制环，抑制转录，表现为负调控。环，抑制转录，表现为负调控。5、

34、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。反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5UTR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

35、蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。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

36、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。（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。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 图图 8 819 19 酵母菌交配型转换的遗传基础酵母菌交配型转换的遗传基础 图图 8 820 20 抗体分子的基本结构抗体分子的基本结构一个抗体分子包括两条重链一个抗体分子包括两条重链(H)H)和两条轻和两条轻(L)L)。氨基氨基端端(N)N

37、)是变异区是变异区(V)V)，羧基端羧基端(C)C)是恒定区是恒定区(C)C)动物抗体基因重排 图图 8 821 21 人类第人类第1414号染色体上抗体重链基因片段号染色体上抗体重链基因片段(A)A)和抗体重链基因的构建和抗体重链基因的构建(B)B)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（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。2、转录水平的调控(1)启

38、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 图图8 823 23 真核生物基因真核生物基因(A)A)与原核生物基因与原核生物基因(B)B)在在5 5 端启动子的顺式调控元件端启动子的顺式调控元件转录方向用箭头表示，转录起始点用转录方向用箭头表示，转录起始点用+1+1表示表示(2)(2)强化子强化子 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

39、，通常位于启动子上游700-1000bp处，离转录起始点较远 强化子主要有两个功能:与转录激活子结合，改变染色 质的构型使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 图图 8 825 25 DNADNA环化与转录活性环化与转录活性 图图8 826 26 强化子竞争控制基因表达强化子竞争控制基因表达(3)激活子 激活子是一种与强化子结合的蛋白质，也属于一种转录因子 正激活子 真激活子 （促进转录）抗阻遏物激活子激活子 负激活子：抑制转录图图8 828 28 由由CysCys-His-His与锌离

40、子形成的具有三个手指的锌指与锌离子形成的具有三个手指的锌指构型构型(a)a)模式图模式图 (b)b)与与DNADNA结合，一个手指与结合，一个手指与DNADNA大沟结合大沟结合 图图 8 829 29 二聚体形成的拉链二聚体形成的拉链(a)a)模式图模式图 (b)b)与与DNADNA结合时的剪刀状构型结合时的剪刀状构型 (4)酵母菌乳糖代谢的正调控 酵母菌半乳糖酶基因的作用方式与细菌中的lac和ara操纵元相似：无半乳糖时，基因不表达；加入半乳糖后，mRNA浓度迅速增加1000倍。(5)选择性启动子 有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子，用于在不同细胞中表达。果蝇的乙醇脱氢酶基因，在幼虫

41、和成虫期分别利用不同启动子进行转录(6)选择性mRNA切割 同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质在含量或组成上都可能不同(7)激素的调控作用 果蝇中，蜕皮激素引起唾腺染色体74区EF段、75区B段和78区D段都有疏松出现，说明蜕皮激素引起该部位基因的活性 图图 8 835 35 果蝇不同发育阶段唾腺第果蝇不同发育阶段唾腺第IIIIII染色体上的染色体上的疏松图式疏松图式 在组织培养中，通过调节培养基中的激素种类和浓度，可使细胞脱分化和再分化三、翻译水平的调控 真核生物中，如果翻译过程被抑制，则已经转录的mRNA也不能翻译成多肽，被迫以

42、失活的状态贮存起来。例如，植物的种子可以贮存很多年，一旦条件合适，即可发芽。其机制：（1）mRNA尾短加尾翻译（2）阻遏蛋白与特异mRNA序列结合 ，导致蛋白质翻译受阻 翻译形成的线状多肽链没有功能，需要经过加工修饰后才具有活性。加工过程中涉及到一系列调控机制蛋白质折叠蛋白质折叠 蛋白酶切割蛋白酶切割蛋白质的化学修饰蛋白质的化学修饰蛋白质内含子蛋白质内含子 （加工切除）（加工切除）图图 8 837 37 蛋白质内含子的切割及跳跃。蛋白质内含子的切割及跳跃。1.1.具有内含子的基因具有内含子的基因(A+A+IntInt)转录翻译形成蛋白质；转录翻译形成蛋白质；2.2.蛋白质内含子从多肽链上切割下来；蛋白质内含子从多肽链上切割下来；3.3.切下来的内含子切下来的内含子作为内切酶将不含内含子的等位基因作为内切酶将不含内含子的等位基因(B-B-IntInt)切开；切开；4.4.A+A+IntInt基因中的内含子序列插入到基因中的内含子序列插入到B-B-IntInt中形成中形成B+B+IntInt基因基因