第八章 基因的表达与调控

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， 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，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(调节基因、启动基因，操纵基因(动画B506)。

(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

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？

必须建立一个双突变杂合二倍体，然后测定这两个突变互补作用。 这种根据功能确定等位基因的测验称为互补测验或顺反测验。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(如图11-28)。

图 8－2 顺反测验

顺式排列总是野生型。如果反式排列表现为野生型，说明这两个突变分别属于两个基因位点，即非等位基因；如果反式排列表现为突变型，则说明这两个突变属于同一基因的不同座位，即等位基因。(如图11-29)

Bener提出了顺反子这个概念并用它表示功能的最小单位，并表示顺反的位置效应。 本泽尔所用的ｒⅡ突变型可以分成A组和B组两类，只有当一个A组的和一个B组的突变体混合感染K12(λ)时，才发生溶菌现象，即互补现象。而两个A组突变体或两个B组突变体则没有溶菌现象，即不发生互补作用。(如图11-30)

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。

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。 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。

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。 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。

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 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

图 8－6 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/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

研究这三种血红蛋白HbA、HbC、HbS的氨基酸组成，发现这三者间的不同仅仅在于β链的第六位上有一个氨基酸的不同(如图11-34)。

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

例如：高茎豌豆×矮茎豌豆(如图11-35)

研究证明，高茎豌豆中含有一种促进茎部节间细胞伸长的物质—赤霉素，赤霉素的产生需要酶的催化，高茎豌豆的T基因具有特定的核苷酸序列，它可以翻译成正常的促进赤霉素形成的酶，而矮茎豌豆的t基因则具有T基因不同的核苷酸序列，它不能翻译成促进赤霉素形成的酶，因而不产生赤霉素，细胞不能正常伸长，而表现矮茎状态。 上述例子清楚说明，T与ｔ基因控制的性状，并不是直接的，而是通过指导赤霉素的合成间接实现的。

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

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 8－8 转录水平的负调控与正调控

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

ｚ、ｙ、ｏ代表三种酶的结构基因 ｚ是β-半乳糖苷酶基因;ｙ是渗透酶基因;a是转乙酰酶基因;o是开关位点，为操纵基因; P是调节基因，起控制结构基因的转录和翻译的作用。 由调节基因编码的产物是一种组蛋白，称为阻遏物。 当培养基内没有乳糖时，阻遏物接在操纵基因上，关闭了它所控制的操纵子，以阻止核糖核酸聚合酶的通过，使结构基因处于抑制状态，从而阻止了三种酶基因的转录和翻译。

当培养基内加入乳糖后，细菌开始分解乳糖，分解的产物半乳糖便成为反阻遏的诱导物。诱导物与阻遏物结合，把阻遏物从操纵基因上拿下来，打开了操纵子的开关，开放了核糖核酸聚合酶的通道，使结构基因活化，使三种酶基因进行转录和翻译，导致三种酶量剧增。

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

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

→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

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

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

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

图 8－15 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 8－16 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、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。

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。

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。

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。

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

图 8－19 酵母菌交配型转换的遗传基础

② 动物抗体基因重排 图 8－20 抗体分子的基本结构 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 )

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) 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)

（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

(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

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

图 8－25 DNA环化与转录活性

图8－26 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 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8－28 由Cys-His与锌离子形成的具有三个手指的锌指构型 (a)模式图 (b)与DNA结合，一个手指与DNA大沟结合

(a)模式图 (b)与DNA结合时的剪刀状构型 图 8－29 二聚体形成的拉链 (a)模式图 (b)与DNA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

幼虫在三龄前期，第Ⅲ染色体不出现疏松。到三龄后期，74区EF段、75区B段和78区D段出现疏松进入蛹期，上述三个区段疏松消失71区CE段出现疏松(动画D307)。

化蛹期，71区CE段的疏松消失，而74区EF段和75区B段重新出现疏松；说明74区EF段和75区B段的基因作用与幼虫的蜕皮和化蛹有关。

如果在三龄早期用尼龙线将唾腺部分紧紧扎起。被结扎的前半部分受到蜕皮激素的作用，提前化蛹，而后半部分仍为幼虫。取出唾腺细胞进行检查，发现前半部分唾腺细胞中第Ⅲ染色体上74区EF段，75区B段和78区D段都有疏松出现(动画D-308)。后部分唾腺细胞中，第Ⅲ染色体的相应部位没有疏松出现。

图 8－35 果蝇不同发育阶段唾腺第III染色体上的疏松图式

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 蛋白酶切割 蛋白质的化学修饰 蛋白质内含子 （加工切除）

图 8－37 蛋白质内含子的切割及跳跃 1. 具有内含子的基因(A+Int)转录翻译形成蛋白质；2. 蛋白质内含子从多肽链上切割下来；3. 切下来的内含子作为内切酶将不含内含子的等位基因(B-Int)切开； 4. A+Int基因中的内含子序列插入到B-Int中形成B+Int基因

例如，五十年代，在辽宁省新金县出土的已埋没千年的古代莲子播种后仍能发芽开花，可见莲子内的mRNA能长时间地存活。 机制？