基因的表达与调控

第八章第八章 基因的表达与调控基因的表达与调控 第一节 基因的概念 孟德尔称控制性状的因子为孟德尔称控制性状的因子为遗传因子；遗传因子；19091909年约翰森提出了年约翰森提出了基因基因这个名词，取代孟德尔这个名词，取代孟德尔 的遗传因子；的遗传因子；摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建 立了以基因和染色体为主体的立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。经典遗传学。一、基因的概念及其发展一、基因的概念及其发展 1 1、经典遗传学的基因概念：、经典遗传学的基因概念：基因能够自我复制，具有相对稳定性；基因能够自我复制，具有相对稳定性；基因在染色体上占有一定的位置，是交基因在染色体上占有一定的位置，是交 换的最小单位；换的最小单位；基因是突变的最小单位；基因是突变的最小单位；基因是一个功能单位。基因是一个功能单位。v基因基因结构单位结构单位功能单位功能单位重组单位重组单位突变单位突变单位2 2、分子遗传学的基因概念、分子遗传学的基因概念基因基因是是DNADNA分子上的一定区段分子上的一定区段,携带携带有特殊的遗传信息，可转录为有特殊的遗传信息，可转录为RNA（mRNA、tRNA、rRNA），），或进或进一步翻译成多肽链。一步翻译成多肽链。分子遗传学研究表明：分子遗传学研究表明：F突变子突变子 (muton)：性状突变时，产生突变的最小：性状突变时，产生突变的最小单位。一个突变子可以小到一个核苷酸；单位。一个突变子可以小到一个核苷酸；F重组子重组子 (recon)：性状重组时，可交换的最小单：性状重组时，可交换的最小单位。一个交换子可以只包含一对核苷酸；位。一个交换子可以只包含一对核苷酸；F顺反子顺反子 (cistron)：是决定一条多肽链合成的功：是决定一条多肽链合成的功能单位能单位。v精细的微生物遗传分析表明，并不是不可分割的精细的微生物遗传分析表明，并不是不可分割的最小单位；根据现代遗传学的概念，可分为突变单最小单位；根据现代遗传学的概念，可分为突变单位、重组单位和功能单位：位、重组单位和功能单位：&基因的概念：基因的概念：可转录一条完整的可转录一条完整的RNA分子，或编码一条分子，或编码一条多肽链；多肽链；功能上被互补（顺反）测验所规定的核苷酸功能上被互补（顺反）测验所规定的核苷酸序列。序列。v假定有两个独立起源的隐性突变，如假定有两个独立起源的隐性突变，如a a1 1与与a a2 2，它它们具有类似的表型。们具有类似的表型。v如何判断它们是属于同如何判断它们是属于同一个基因的突变，还是分一个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？别属于两个基因的突变？即如何测知它们是否是等即如何测知它们是否是等位基因？位基因？二、基因的微细结构二、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)需要建立一个需要建立一个双突变杂合二倍体双突变杂合二倍体，测定这两个突，测定这两个突变间有无互补作用；变间有无互补作用；如果有互补作用，个体应表现为野生型，表明这如果有互补作用，个体应表现为野生型，表明这两个突变来自两个基因；两个突变来自两个基因；如果无互补作用，个体应表现为突变型，表明这如果无互补作用，个体应表现为突变型，表明这两个突变来自一个基因。两个突变来自一个基因。a1a1a2a24顺反测验：顺反测验：这种根据功能确定等位基因的测验称为这种根据功能确定等位基因的测验称为互补测验。互补测验。4杂合的双突变体有两种不同的排列形式：顺式排列杂合的双突变体有两种不同的排列形式：顺式排列和反式排列。和反式排列。2 2、顺式与反式调控、顺式与反式调控 4 假设某一基因的表达受一种调控蛋白质控制，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，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。这个基因才能表达。4 如果该基因的启动子或调控这个基因的调控蛋如果该基因的启动子或调控这个基因的调控蛋白突变，则可以使该基因不能表达。白突变，则可以使该基因不能表达。顺式调控顺式调控:如果该基因的启动子发生突变，使调如果该基因的启动子发生突变，使调控蛋白不能识别这个位点，从而导致该基因不能控蛋白不能识别这个位点，从而导致该基因不能表达，这种突变称为顺式调控。表达，这种突变称为顺式调控。RNANo RNANo RNANo RNARpRNARNA123pR-12RNANo RNANo RNANo RNARpRNARNA123pR-12反式调控：反式调控：如果是调控蛋白质发生突变，形成的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，从而导致蛋白质不能与这个基因的启动子结合，从而导致这些基因不能表达，这种突变称为反式调控。这些基因不能表达，这种突变称为反式调控。RNANo RNANo RNANo RNARpRNARNA123pR-1212RNANo RNANo RNANo RNARpRNARNA123pR-3 3、基因的微细结构、基因的微细结构 2020世纪世纪5050年代的生化技术还无法进行年代的生化技术还无法进行DNADNA的序列的序列测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，对对T T4 4噬菌体噬菌体r r区基因的微细结构进行了详细分析区基因的微细结构进行了详细分析。F野生型野生型T T4 4噬菌体噬菌体F可侵染可侵染B B株和株和K12K12株株F噬菌斑小而模糊噬菌斑小而模糊Fr r突变型突变型T T4 4噬菌体噬菌体F只能侵染只能侵染B B株，株，不能侵染不能侵染K12K12株株F噬菌斑大而清晰噬菌斑大而清晰用两种的用两种的r r区突变体对大区突变体对大肠杆菌肠杆菌B B菌株进行双重感染；菌株进行双重感染；双重感染双重感染重组值重组值=r+r+rxry噬菌体总数噬菌体总数100%=2r+r+噬菌体总数噬菌体总数100%形成噬菌斑后形成噬菌斑后,收集溶菌液收集溶菌液,并接种在并接种在B B菌株上，计算总噬菌株上，计算总噬菌数；菌数；同时将溶菌液接种在同时将溶菌液接种在K K1212菌菌株上，计算野生型重组体的株上，计算野生型重组体的数目；数目；基因基因三、基因的作用与性状的表达三、基因的作用与性状的表达 结构蛋白结构蛋白酶酶人的镰刀形贫血症人的镰刀形贫血症豌豆皱粒表现型是由于缺少了豌豆皱粒表现型是由于缺少了淀粉分支酶而导致的淀粉分支酶而导致的 作 用 子ADNAGTACATCATGTACTTGAAACTTGACCTGGAGAACTTGAACTTAAATTTmRNA密码子GUACAUCUUACUCCUGAAGAAAAA氨基酸缬缬组组亮亮苏苏脯脯谷谷谷谷赖赖SDNA GTACAT mRNA密码子 GUA 氨基酸 缬缬 CDNA AAATTT mMRNA密码子 AAA 氨基酸 赖赖 v19411941年，年，Beadle and Tatum Beadle and Tatum 根据红色面包根据红色面包 霉的研究提出了霉的研究提出了“一个基因一个酶一个基因一个酶”的假说的假说。v后来又被修改为后来又被修改为“一个基因种多肽链一个基因种多肽链”。第二节 基因调控 v每个细胞都含有整套遗传密码，在不同的发每个细胞都含有整套遗传密码，在不同的发育阶段和不同的细胞中，只有各自需要的遗传育阶段和不同的细胞中，只有各自需要的遗传密码子被转录和翻译。密码子被转录和翻译。&这种控制特定基因产物合成的机制称为这种控制特定基因产物合成的机制称为基因基因调控。调控。原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。一、原核生物的基因调控一、原核生物的基因调控 当需要某一特定基因产物时，合成这种当需要某一特定基因产物时，合成这种mRNAmRNA。当不需要这种产物时，当不需要这种产物时，mRNAmRNA转录受到抑制。转录受到抑制。1、转录水平的调控转录水平的调控 v正调控：正调控：是经诱导物诱导转录的调控机制，即诱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导物与另一蛋白质结合形成一种激活子复合物，激活子复合物，与基因启动子与基因启动子DNADNA序列结合，激活基因起始转录。序列结合，激活基因起始转录。v负调控：负调控：阻遏物阻止转录过程的调控，即阻遏物阻遏物阻止转录过程的调控，即阻遏物 与与DNADNA分子结合，阻碍分子结合，阻碍RNARNA聚合酶转录，使基因处聚合酶转录，使基因处 于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才 能起动，产生能起动，产生mRNAmRNA分子。分子。&原核生物中基因表达以负调控为主。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。真核生物中则主要是正调控机制。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 2、乳糖操纵元、乳糖操纵元 MonodMonod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳糖的培养等发现，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，乳糖代谢酶合成有乳糖时，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成 停止。停止。为此，为此，JacobJacob和和MonodMonod（19611961）提出了）提出了乳糖操纵元乳糖操纵元模型模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制。用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制。AAIPOLZYba132BAIPOLZYCAIPOLZYm R N ADAIPOLZYm R N AEAIPOLZYm R N AZYAZYAZYAMMP:O:I:Z:Y:A:抑制基因抑制基因启动子启动子操纵子操纵子-半乳糖苷酶半乳糖苷酶渗透酶渗透酶乙酰转移酶乙酰转移酶v乳糖操纵元模型乳糖操纵元模型AAIPOLZYba132BAIPOLZYCAIPOLZYmRNADAIPOLZYmRNAEAIPOLZYmRNAZYAZYAZYAMMIIII-4乳糖操纵元乳糖操纵元 的负调控的负调控4两种组成型突变：两种组成型突变：组成型表达组成型表达 OOOOc cAAIPOLZYba132BAIPOLZYCAIPOLZYmRNADAIPOLZYmRNAEAIPOLZYmRNAZYAZYAZYAMMAAIPOLZYba132BAIPOLZYCAIPOLZYmRNADAIPOLZYmRNAEAIPOLZYmRNAZYAZYAZYAMMAAIPOLZYba132BAIPOLZYCAIPOLZYmRNADAIPOLZYmRNAEAIPOLZYmRNAZYAZYAZYAMMAAIPOLZYba132BAIPOLZYCAIPOLZYmRNADAIPOLZYmRNAEAIPOLZYmRNAZYAZYAZYAMM4乳糖操纵元模型是从分子间的互作来解释乳糖操纵元模型是从分子间的互作来解释结构基因的调控方式的：结构基因的调控方式的：F当没有乳糖时，因不需要乳糖代谢酶，故转录终当没有乳糖时，因不需要乳糖代谢酶，故转录终止；止；F当有乳糖时，通过乳糖与阻遏蛋白结合，间接诱当有乳糖时，通过乳糖与阻遏蛋白结合，间接诱导激活基因表达；导激活基因表达；F当乳糖被消耗殆尽时，没有乳糖与阻遏蛋白结合，当乳糖被消耗殆尽时，没有乳糖与阻遏蛋白结合，阻遏蛋白又可以与操纵子结合，阻止基因转录表达。阻遏蛋白又可以与操纵子结合，阻止基因转录表达。异丙基异丙基-D-硫代半乳糖硫代半乳糖(isopropyl-D-thiogalactoside)IPTG 此结果说明，诱导过程并不涉及诱导物与酶此结果说明，诱导过程并不涉及诱导物与酶之间的作用。之间的作用。4根据乳糖操纵元模型可知，根据乳糖操纵元模型可知，-半乳糖苷半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是降解乳糖形成酶在乳糖代谢中的作用是降解乳糖形成葡萄葡萄糖糖和和半乳糖，半乳糖，半乳糖最终也将被转变成葡萄半乳糖最终也将被转变成葡萄糖加以利用；糖加以利用；4当细菌处于既有当细菌处于既有大量乳糖，大量乳糖，又有又有葡萄糖葡萄糖存在存在的情况下的情况下,-半乳糖苷酶的合成又将如何呢？半乳糖苷酶的合成又将如何呢？4研究结果显示，只要有研究结果显示，只要有葡萄糖葡萄糖存在，细菌存在，细菌细胞将不会产生细胞将不会产生-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；4由此可以说明，除了阻遏蛋白能够抑制乳由此可以说明，除了阻遏蛋白能够抑制乳糖操纵元的转录外，还有其他因子也能有效糖操纵元的转录外，还有其他因子也能有效地抑制乳糖地抑制乳糖mRNAmRNA的转录，而且，这个因子的的转录，而且，这个因子的活性应该与葡萄糖有关。活性应该与葡萄糖有关。当当cAmp-CAPcAmp-CAP复合物的二聚体插入到复合物的二聚体插入到laclac启动子区启动子区 域特异核苷酸序列时，使启动子域特异核苷酸序列时，使启动子DNADNA弯曲形成新的弯曲形成新的 构型，构型，RNARNA聚合酶与这种聚合酶与这种DNADNA新构型的结合更加牢新构型的结合更加牢 固，因而转录效率更高。固，因而转录效率更高。ACAP-cAMPRZ Y AcAMPabmRNAEnzymes+CAPPBGCAPRabPXZ Y A4乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调控ACAP-cAMPRZ Y AcAMPabmRNAEnzymes+CAPPBGCAPRabPXZ Y AcAmpcAmpATPATP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶CAPCAPcAmp-CAPcAmp-CAPv在有葡萄糖存在时，不能形成在有葡萄糖存在时，不能形成c cAmp，也就不能，也就不能形成正调控因子形成正调控因子cAmp-CAP，因此，基因不表达。，因此，基因不表达。v目前，通过遗传分析证明了目前，通过遗传分析证明了laclac操纵元的存在；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。列结合的结构。基因型基因型-半乳糖苷酶活性半乳糖苷酶活性有乳糖有乳糖无乳糖无乳糖一一I I+O O+Z Z+-I I+O O+Z Z-I I-O O+Z Z+I I+O Oc cZ Z+二二I I-O O+Z Z+/F/FI I+-I I+O Oc cZ Z+/F/FO O+三三I I+O O+Z Z+/F/FI I-+-I I+O O+Z Z+/F/FO Oc c+-四四I Is sO O+Z Z+-I Is sO O+Z Z+/F/FI I+-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：形成抑制环的：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区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数 abO2O3O1la c Ip ro m o te rla c Ola c Z -8 2 -5 0 +1 1 +3 5+4 1 2R3 3、色氨酸操纵元、色氨酸操纵元 v大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中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。基因调控的典型例子。v色氨酸操纵元包括色氨酸合成中色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5 5种酶的结种酶的结构基因构基因TrpE、TrpD、TrpC、TrpB 和和 TrpA。色氨酸操纵元的组成色氨酸操纵元的组成RNA聚合酶聚合酶无辅基无辅基阻遏物阻遏物Trp无辅基无辅基阻遏物阻遏物Trpv阻遏物阻遏物trpRtrpR由相距较远的阻遏物基因编码由相距较远的阻遏物基因编码无辅无辅基阻遏物基阻遏物 +trp+trp活性复合物，与操纵子结合，阻活性复合物，与操纵子结合，阻止转录。止转录。v色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三维空间结构发色氨酸不足时，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。生改变，不能与操纵子结合，进行转录。弱化作用弱化作用无辅基无辅基阻遏物阻遏物Trp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 当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5 5种酶的种酶的 转录同时受到抑制；转录同时受到抑制；&色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控 色氨酸色氨酸mRNAmRNA的转录。可以被最终合成产物所阻的转录。可以被最终合成产物所阻 遏的操纵元叫做遏的操纵元叫做可阻遏操纵元可阻遏操纵元。在色氨酸供应不足时，发生转录。在色氨酸供应不足时，发生转录。&衰减作用的生物学意义衰减作用的生物学意义除除trp操纵元外，许多负责氨基酸合成的操纵元操纵元外，许多负责氨基酸合成的操纵元的表达均可受衰减作用的调控的表达均可受衰减作用的调控,如如His操纵元、操纵元、Phe操纵元等。操纵元等。trp操纵元中，阻遏作用与衰减作用一起协同控操纵元中，阻遏作用与衰减作用一起协同控制其基因的表达，显然比单一的阻遏负调控系统制其基因的表达，显然比单一的阻遏负调控系统更为有效、更为灵敏。更为有效、更为灵敏。4 4、阿拉伯糖操纵元、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，它具有一些与统，它具有一些与lac操纵元相似的特点，但操纵元相似的特点，但 与前述两种操纵元系统的显著区别是：与前述两种操纵元系统的显著区别是：F它的同一种调控蛋白它的同一种调控蛋白AraCAraC调控蛋白既可起调控蛋白既可起 正调控正调控,也可起负调控作用。也可起负调控作用。R R：调控基因：调控基因araC araC 编码编码AraCAraC蛋白蛋白；ara CO2CAPara Bara Aara DAO IO1Rara CO2CAPara Bara Aara DO1BImRNACBADCCAPO1IO2DXAraCCAP-cAMP4阿拉伯糖操纵元的组成阿拉伯糖操纵元的组成O O：操纵子位点；：操纵子位点；I I：诱导位点，具有：诱导位点，具有CAPCAP结合位点；结合位点；B,A,DB,A,D：结构基因。：结构基因。F无无araara时，时，AraCAraC二聚体二聚体(D)(D)与与I I及及O O2 2同时结合，形成抑制环，同时结合，形成抑制环，阻遏阻遏CAP-cAmpCAP-cAmp复合体与复合体与CAPCAP位点结合，从而抑制转录，表位点结合，从而抑制转录，表 现为现为负调控负调控。F有有araara时，时，AraCAraC与与I I位点结合，位点结合，CAP-cAmpCAP-cAmp与与CAPCAP位点结合，位点结合，诱导表达结构基因，为诱导表达结构基因，为正调控正调控。a r a CO2C A Pa r a Ba r a Aa r a DAO IO1Ra r a CO2C A Pa r a Ba r a Aa r a DO1BIm R N ACBADCC A PO1IO2DXA r a CC A P-c A M Pa r a CO2C A Pa r a Ba r a Aa r a DAO IO1Ra r a CO2C A Pa r a Ba r a Aa r a DO1BIm R N ACBADCC A PO1IO2DXA r a CC A P-c A M Pa r a CO2C A Pa r a Ba r a Aa r a DAO IO1Ra r a CO2C A Pa r a Ba r a Aa r a DO1BIm R N ACBADCC A PO1IO2DXA r a CC A P-c A M P5 5、翻译水平的调控、翻译水平的调控 反馈调控机制：反馈调控机制：大肠杆菌有大肠杆菌有7 7个操纵元与核糖体蛋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。能够被同一操纵元编码的核糖体蛋白质识别与结合。这种结合位点通常包括这种结合位点通常包括mRNA 5mRNA 5端非翻译区，端非翻译区，也包也包括启动子区域的括启动子区域的Shine-DalgarnoShine-Dalgarno序列序列。如果其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与如果其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与其自身的其自身的mRNAmRNA结合，阻止进一步翻译。结合，阻止进一步翻译。反义反义RNARNA调控：调控：反义反义RNARNA可与目的基因的可与目的基因的5UTR5UTR互补互补配对，配对的区域通常也包括启动子的配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno序列，使序列，使mRNAmRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。白质的合成。真核生物中的应用：真核生物中的应用：v将乙烯形成酶基因的反义将乙烯形成酶基因的反义RNARNA导入蕃茄，大大延导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。长了蕃茄常温贮藏期。科学家采用反义科学家采用反义RNARNA技术封闭番茄细胞中上述两个酶编技术封闭番茄细胞中上述两个酶编码基因的表达，由此构建出的重组番茄的乙烯合成量分码基因的表达，由此构建出的重组番茄的乙烯合成量分别仅为野生植物的别仅为野生植物的3%3%和和0.5%0.5%，明显增长了番茄的保存期。，明显增长了番茄的保存期。S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸氨基环丙烷羧酸合成酶氨基环丙烷羧酸合成酶乙烯合成酶乙烯合成酶EFEEFE抗病毒番茄抗病毒番茄 玫瑰花香番茄玫瑰花香番茄 二、真核生物的基因调控二、真核生物的基因调控 真核生物具有精确的发育程序以及大量分化的真核生物具有精确的发育程序以及大量分化的特殊细胞群体，它需要更为多样化的调控机制，特殊细胞群体，它需要更为多样化的调控机制，因此，真核生物的基因调控远比原核生物复杂：因此，真核生物的基因调控远比原核生物复杂：F高等真核生物的基因组远比细菌的基因组大高等真核生物的基因组远比细菌的基因组大得多；得多；F染色质结构的变化可以调控基因表达；染色质结构的变化可以调控基因表达；基因组大小基因组大小编码基因编码基因大肠杆菌大肠杆菌4.6106bp4288啤酒酵母啤酒酵母1.2107bp5885拟南芥拟南芥1.25108bp25498水稻水稻4.3108bp46022-55615人人3109bp3.5万万不同物种基因组比较不同物种基因组比较v调控发生在染色体水平、调控发生在染色体水平、DNADNA水平、转录水平、转水平、转录水平、转 录后修饰、翻译水平和翻译后修饰等多种层次。录后修饰、翻译水平和翻译后修饰等多种层次。F真核生物的转录和翻译存在时间和空间上的差异；真核生物的转录和翻译存在时间和空间上的差异；F不同个体、不同细胞可能具有不同的调控机制；不同个体、不同细胞可能具有不同的调控机制；F在真核生物中，基因的差别表达是细胞分化和功在真核生物中，基因的差别表达是细胞分化和功能的核心；能的核心；(一一)染色质的结构特性与转录染色质的结构特性与转录 活性染色质：处于可及状态的染色质。活性染色质：处于可及状态的染色质。RNARNA聚合酶可识别活聚合酶可识别活性染色质性染色质DNADNA序列中的序列中的结合位点，因而能进结合位点，因而能进行有效的转录。行有效的转录。研究表明研究表明,活性染色活性染色质具有对质具有对DNaseDNase作作用超敏感位点用超敏感位点,原因原因是没有形成核小体单是没有形成核小体单位。位。体外实验表明，在基因的启动子部位形成一个体外实验表明，在基因的启动子部位形成一个核小体单位，就足以有效阻止转录的启动。核小体单位，就足以有效阻止转录的启动。与此相反，一旦转录启动，与此相反，一旦转录启动，核小体核心便可以转录到底核小体核心便可以转录到底,表明转录本的延长并没有被表明转录本的延长并没有被核小体阻断。核小体阻断。推测，推测，发生了发生了核小体的解折叠作用。核小体的解折叠作用。（二）（二）DNADNA水平的调控水平的调控v基因剂量与基因扩增基因剂量与基因扩增 基因剂量可经基因扩增临时增加。如：蟾蜍基因剂量可经基因扩增临时增加。如：蟾蜍 卵母细胞的卵母细胞的rRNA基因可以扩增基因可以扩增40004000倍倍。基因的多拷贝使其剂量增加。如：组蛋白。基因的多拷贝使其剂量增加。如：组蛋白。基因的扩增与肿瘤的形成和细胞的衰老有关。基因的扩增与肿瘤的形成和细胞的衰老有关。原发性原发性成视网膜细胞瘤成视网膜细胞瘤中，含中，含mycmyc癌基因的癌基因的 DNADNA区段扩增了区段扩增了10-20010-200倍；倍；UVUV和羟基脲等致癌剂同样可诱导和羟基脲等致癌剂同样可诱导DNADNA的扩增。的扩增。vDNADNA重排重排 真核生物基因组中的真核生物基因组中的DNA序序列可发生重排，这种重排是由列可发生重排，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的，是有些基因调控的重要机制。制。酵母交配型转换酵母交配型转换 4 a a这种交配型转换这种交配型转换的基础是遗传物质的重的基础是遗传物质的重排。控制交配型的排。控制交配型的MAT基因位于酵母菌第三染基因位于酵母菌第三染色体上，色体上，MATa和和MAT 互为等位基因。互为等位基因。酵母菌交配型转换酵母菌交配型转换HMLMATaHMRaHMRaHMRaMATHMLHMLRERERE 动物抗体基因重排动物抗体基因重排 正常的哺乳动物可以产正常的哺乳动物可以产生生10108 8个抗体分子。个抗体分子。抗体基因重排中各个片抗体基因重排中各个片段之间的随机组合段之间的随机组合,可从可从约约300个抗体基因中产生个抗体基因中产生10108 8个抗体分子。个抗体分子。NNCCVVCHL重链重链(H)轻链轻链(L)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BVVVVDDDDCCCJJJJA86 V9 J30 D11 C100 kb变异区变异区(VH)多样区多样区(D)链接区链接区(J)恒定区恒定区(C)动物基因的异常无序重排动物基因的异常无序重排&哺乳动物基因组的许多重排事件都是同细胞哺乳动物基因组的许多重排事件都是同细胞的病理变化相关联的，特别是肿瘤的发生过程。的病理变化相关联的，特别是肿瘤的发生过程。慢性髓细胞白血病：慢性髓细胞白血病：细胞中具有费城染色体，细胞中具有费城染色体，它是由它是由9 9号染色体与号染色体与2222号染色体部分交换形成的。号染色体部分交换形成的。伯基特淋巴瘤：伯基特淋巴瘤：涉及涉及8 8号染色体与号染色体与14(2)14(2)号染号染色体部分交换。色体部分交换。vDNADNA甲基化甲基化 真核生物中，少数胞嘧啶第真核生物中，少数胞嘧啶第5 5碳上的氢被一个碳上的氢被一个 甲基取代，称为甲基取代，称为甲基化。甲基化。真核生物中，真核生物中，90%90%以上的甲基化作用发生在以上的甲基化作用发生在DNADNA的的CGCG双碱基序列处，而且，一经甲基化便可持续维持。双碱基序列处，而且，一经甲基化便可持续维持。5-5-甲基甲基-CG-CG-GC-GC-5-5-甲基甲基半保留复制半保留复制5-5-甲基甲基-CG-CG-GC-GC-甲基化酶甲基化酶-CG-CG-GC-GC-5-5-甲基甲基5-5-甲基甲基-CG-CG-GC-GC-5-5-甲基甲基研究表明，研究表明，C-5上的甲基突出到上的甲基突出到DNA大沟内的大沟内的暴露部位，因此，它有可能影响到暴露部位，因此，它有可能影响到DNA与转录与转录激活因子之间的结合作用。激活因子之间的结合作用。研究证实，研究证实，DNADNA甲基化程度越低，基因的表达甲基化程度越低，基因的表达活性也就越高；反之，基因表达活性越低。活性也就越高；反之，基因表达活性越低。v甲基化可降低转录效率。甲基化可降低转录效率。如果将不会被甲基化的如果将不会被甲基化的5-5-氮胞嘧啶掺入氮胞嘧啶掺入DNA分子中时，可导致正常情况下不表达的基因进分子中时，可导致正常情况下不表达的基因进行表达。行表达。（二）转录水平的调控（二）转录水平的调控1.1.真核生物的真核生物的RNARNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶存在于核仁，负存在于核仁，负责转录责转录rRNArRNA基因基因存在于核质，负存在于核质，负责转录前体责转录前体mRNAmRNA存在于核质，负存在于核质，负责转录责转录tRNAtRNA，5S5SrRNA,snRNArRNA,snRNA等等2.2.真核基因的顺式作用元件真核基因的顺式作用元件v顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element)(cis-acting element)：DNADNA上上对基因表达具有调节活性的某些特定序列。对基因表达具有调节活性的某些特定序列。v顺式作用元件多位于基因旁侧或内含子中，不顺式作用元件多位于基因旁侧或内含子中，不编码蛋白质。编码蛋白质。(1)(1)启动子启动子&启动子：启动子：是在基因转录启始位点是在基因转录启始位点(+1)(+1)上游约上游约100bp100bp左右的一段具有独立功能的序列，为多部左右的一段具有独立功能的序列，为多部位结构，包含有位结构，包含有TATATATA框、框、CAATCAAT框及框及GCGC框等。框等。启动子的顺式调控元件启动子的顺式调控元件AG G G C G GG G C C A A T CT A T A A AG C B o xC A A T B o xT A T A B o x+1-1 1 0-7 0-3 0BT T G A C AT A T A A T-3 5-1 5-3 5 B o xT A T A B o x (A)(A)真核生物真核生物 (B)(B)原核生物原核生物&TATATATA框框(Hogness box)(Hogness box)：其中心位置约在启始位其中心位置约在启始位点上游点上游-30bp-30bp处，富含处，富含A A、T T。它决定着聚合酶对转。它决定着聚合酶对转录启始位点的选择，是控制转录的精确性序列。录启始位点的选择，是控制转录的精确性序列。框内任何一个碱基的替换都将导致强烈的下降突框内任何一个碱基的替换都将导致强烈的下降突变。变。如：如：-珠蛋白。珠蛋白。&将兔的将兔的-珠蛋白基因的珠蛋白基因的CAATCAAT框变为框变为GGCCAATCT,GGCCAATCT,其其转录效率仅为原来的转录效率仅为原来的12%12%。&CAATCAAT框：框：此框因其共有序列此框因其共有序列GGC GGC CAATCAATCT CT 而得名。而得名。位于位于-75bp-75bp附近。在决定启动子启始频率方面具有重附近。在决定启动子启始频率方面具有重要作用。要作用。C CT T&GCGC框：框：在在-90bp-90bp附近的附近的GGGCGGGGGCGG序列。它在启动子序列。它在启动子中可以有多个拷贝，并以任何方向存在而不影响其中可以有多个拷贝，并以任何方向存在而不影响其作用。作用。转录强化子：转录强化子：是真核生物基因转录中的另一种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顺式调控元件，通常位于启动子上游700-1000bp700-1000bp处，离转录起始点较远。处，离转录起始点较远。(2)(2)强化子强化子 可通过启动子大幅度提高靶基因转录的频率；可通过启动子大幅度提高靶基因转录的频率；对同源或异源基因同样有效；对同源或异源基因同样有效；位置多样，且其方向与功能无关；位置多样，且其方向与功能无关；可远距离调控转录启始。可远距离调控转录启始。v强化子的特性强化子的特性:v强化子主要有两个功能强化子主要有两个功能:与转录激活子结合，改变染色质的构型与转录激活子结合，改变染色质的构型。使使DNADNA弯曲形成环状结构，使强化子与启动弯曲形成环状结构，使强化子与启动子直接接触子直接接触,以便通用转录因子、转录激活子、以便通用转录因子、转录激活子、RNARNA聚合酶形成转录复合体，从而提高聚合酶形成转录复合体，从而提高mRNAmRNA合合成效率。成效率。DNADNA环化与转录活性环化与转录活性 RNARNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶强化子竞争控制基因表达强化子竞争控制基因表达(3)(3)静止子静止子 静止子：静止子：这是一种类似增强子但起负调控作用这是一种类似增强子但起负调控作用的順式作用元件。的順式作用元件。静止子可以不受距离和方向的限制，并且能够静止子可以不受距离和方向的限制，并且能够调控异源基因的表达。调控异源基因的表达。3.3.真核基因的反式作用因子真核基因的反式作用因子4反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)(trans-acting factor)：由不同染色体上基因编码的、能直接或间接识由不同染色体上基因编码的、能直接或间接识别或结合順式作用元件核心序列，并参与调控别或结合順式作用元件核心序列，并参与调控靶基因转录的结合蛋白。靶基因转录的结合蛋白。v激活子激活子 激活子：激活子：是一种与强化子结合的蛋白质，也属于是一种与强化子结合的蛋白质，也属于一种转录因子。一种转录因子。激活子激活子正激活子正激活子负激活子负激活子促进转录促进转录抑制转录抑制转录激活子激活子真激活子真激活子抗阻遏物激活子抗阻遏物激活子v真激活子真激活子:包括包括DNADNA结合区域结合区域(DNA-binding domain)和调控激活区域和调控激活区域(trans-activating domain)两个功能区两个功能区域。域。DNADNA结合域的构型结合域的构型螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋（HTH)锌指（锌指（zinc finger)zinc finger)碱性亮氨酸拉链（碱性亮氨酸拉链（bZIP)bZIP)-螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋(Helix-turn-Helix,HTH)锌指锌指（zinc finger)v 保守重复序列：保守重复序列：Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链(basic leucin zipper,bZIP)v每隔每隔7 7个氨基酸出现一个亮氨酸，在个氨基酸出现一个亮氨酸，在-螺旋的螺旋的 侧面，每两圈出现一个亮氨酸。侧面，每两圈出现一个亮氨酸。v抗阻遏物激活子抗阻遏物激活子:通过染色质的重建来通过染色质的重建来 激活基因表达。激活基因表达。改变染色质改变染色质结构的方式结构的方式通过通过ATPATP水解酶水解酶-重建重建复合体途径复合体途径通过组氨酸乙酰转移通过组氨酸乙酰转移酶修饰组氨酸酶修饰组氨酸3.3.酵母菌乳糖代谢的正调控酵母菌乳糖代谢的正调控 804804804804g a l 1 0gal 1804804804804UASGg a l 1 0gal 1PPPPgalgalgalgalABv与细菌中的与细菌中的laclac和和araara操纵元相似：无半乳糖时，操纵元相似：无半乳糖时，基因不表达；加入半乳糖后，基因不表达；加入半乳糖后，mRNA浓度迅速浓度迅速 增加增加10001000倍。倍。4.4.选择性启动子选择性启动子 v有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动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。子，用于在不同细胞中表达。果蝇的乙醇脱氢酶基因，在幼虫和成虫期分别果蝇的乙醇脱氢酶基因，在幼虫和成虫期分别 利用不同启动子进行转录。利用不同启动子进行转录。5.5.选择性选择性mRNAmRNA切割切割 v同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式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，形成不同的成熟切割加工，形成不同的成熟mRNAmRNA分子，使翻译成的分子，使翻译成的蛋白质在含量或组成上都可能不同。蛋白质在含量或组成上都可能不同。6.6.激素的调控作用激素的调控作用 果蝇中，蜕皮激素引起唾果蝇中，蜕皮激素引起唾腺染色体腺染色体7474区区EFEF段、段、7575区区B B段和段和7878区区D D段都有疏松出段都有疏松出现，说明蜕皮激素引起该现，说明蜕皮激素引起该部位基因的活性部位基因的活性果蝇不同发育阶段唾腺第果蝇不同发育阶段唾腺第IIIIII染色体上的疏松图式染色体上的疏松图式v在组织培养中，通过调节培养基中的激素在组织培养中，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。种类和浓度，可使细胞脱分化和再分化。三、翻译水平的调控三、翻译水平的调控 4真核生物中，如果翻译过程被抑制，则已经转真核生物中，如果翻译过程被抑制，则已经转 录的录的mRNAmRNA也不能翻译成多肽，被迫以失活的状也不能翻译成多肽，被迫以失活的状 态贮存起来。例如，植物的种子可以贮存很多态贮存起来。例如，植物的种子可以贮存很多 年，一旦条件合适，即可发芽。年，一旦条件合适，即可发芽。其机制：其机制：（1 1）mRNAmRNA尾短尾短加尾加尾翻译翻译（2 2）阻遏蛋白与特异）阻遏蛋白与特异mRNAmRNA序列结合，导致蛋白序列结合，导致蛋白 质翻译受阻质翻译受阻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加工切除蛋白质内含子加工切除 SSSSSSSSSSSSNCSPA chainBC123chainchainv翻译形成的线状多肽链没有功能，需要经过加工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修饰后才具有活性。加工过程中涉及到一系列调控机制。机制。蛋白质内含子的切割及跳跃蛋白质内含子的切割及跳跃4intein12inteinA+IntB-IntB+Int3