1、 第十四章 基因表达的调控 第一节第一节 基因的概念与发展基因的概念与发展一、经典遗传学的基因概念一、经典遗传学的基因概念 达尔文在达尔文在物种起源物种起源中，解释生物进化时对遗中，解释生物进化时对遗传和变异机制进行了假设，提出了泛生假说传和变异机制进行了假设，提出了泛生假说（hypothesis of pangenesishypothesis of pangenesis），认为遗传物质），认为遗传物质是存在于生物器官中的是存在于生物器官中的“泛子泛子”（pangenpangen）在）在世代间的传递和表现。基因（世代间的传递和表现。基因（genegene）概念的萌芽。）概念的萌芽。孟德尔提出生
2、物的单一性状是由颗粒状的孟德尔提出生物的单一性状是由颗粒状的遗传因遗传因子子（hereditary factorhereditary factor）所控制，还总结出了遗）所控制，还总结出了遗传的两条基本定律，即遗传因子的分离定律和自传的两条基本定律，即遗传因子的分离定律和自由组合定律由组合定律 。遗传的染色体学说遗传的染色体学说(Chromosomal theory of(Chromosomal theory of inheritance)inheritance)，孟德尔遗传因子的行为与减数，孟德尔遗传因子的行为与减数分裂和受精中染色体的行为非常吻合，从而设分裂和受精中染色体的行为非常吻合，从
3、而设想把特定的遗传因子定位于特定的染色体上。想把特定的遗传因子定位于特定的染色体上。19091909年丹麦遗传学者约翰生（年丹麦遗传学者约翰生（Johanson WJohanson W）提出了提出了“基因基因”这个名词。这个名词。摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量研究，建立摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量研究，建立了基因和染色体为主体的经典遗传学。认为基了基因和染色体为主体的经典遗传学。认为基因是一种化学实体，以念珠状直线排列在染色因是一种化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。基因不仅控制特定的性状，而且能够发体上。基因不仅控制特定的性状，而且能够发生突变（生突变（mutationmutation）
4、和随着染色体同源节段）和随着染色体同源节段的互换而交换。的互换而交换。经典遗传学的基因概念 基因具有染色体的主要属性，能自我复制，有相对的稳定性；是一个功能单位，控制正在发育的有机体的某一或某些性状；交换的最小单位，即在重组时不能再分割的单位；又是一个突变单位，可以基因是以整体进行突变的；重组单位和突变单位称为结构单位。基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。二、现代遗传学的基因概念二、现代遗传学的基因概念 1957年法国遗传学家本泽尔根据T4噬菌体及其突变体的特性，精妙地设计了一个顺反测验（cis trans test）来研究基因的精细结构，提出了顺反
5、子（cistron）学说。这个学说不仅把生物中通过顺反效应（互补测定）而发现的遗传功能单位称为顺反子（实际上就是一个基因），打破了经典遗传学中关于基因是功能、突变、重组的“三位一体”概念及基因是不可分割的最小遗传单位的观点，而且认为基因是十分复杂的遗传和变异的单位。DNA是主要的遗传物质，一个基因是DNA的特定区段，包含特定的碱基序列。（1）突变子（2）重组子（3）顺反子在功能上被顺反测验或互补测验所规定，可转录一条完整的RNA分子，或编码一条多肽链的一段DNA序列。现代遗传学关于基因的概念现代遗传学关于基因的概念三、基因的类型三、基因的类型1 1、根据来源划分：核基因、线粒体基因、叶绿、根据
6、来源划分：核基因、线粒体基因、叶绿体基因等。粗糙，难以表明基因的本质。体基因等。粗糙，难以表明基因的本质。2 2、根据结构和功能划分：结构基因、根据结构和功能划分：结构基因(structural(structural gene)gene)、调节基因、调节基因(regulator gene)(regulator gene)和操纵基因和操纵基因(operator gene)(operator gene)、重叠基因、重叠基因(overlapping(overlapping gene)gene)、隔裂基因、隔裂基因(split gene)(split gene)或断裂基因或断裂基因(interrupt
7、ed gene)(interrupted gene)、跳跃基因、跳跃基因(jumping(jumping gene)gene)或转座子或转座子(transposon)(transposon)、假基因、假基因(pseudogene)(pseudogene)等不同类型。等不同类型。结构基因：结构基因：可编码可编码RNARNA或蛋白质的一段或蛋白质的一段DNADNA序列；序列；调节基因：调节基因：其产物参与调控其他结构基其产物参与调控其他结构基因表达的基因；因表达的基因；操纵基因：操纵基因：是调节基因产物的靶位点，是调节基因产物的靶位点，当二者结合时，调控基因的表达；当二者结合时，调控基因的表达；重
8、叠基因重叠基因：指一段：指一段DNADNA的编码序列，由的编码序列，由于其阅读顺序的差异或者终止早晚的不于其阅读顺序的差异或者终止早晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的同，同时编码两个或两个以上多肽链的基因；基因；隔裂基因：隔裂基因：有些基因内部核苷酸编码顺有些基因内部核苷酸编码顺序不是连续的，中间插入了一个或多个序不是连续的，中间插入了一个或多个不编码的序列，把基因隔裂开来，不编不编码的序列，把基因隔裂开来，不编码的序列称为内含子码的序列称为内含子(intron)(intron)，那些被内，那些被内含子隔离开来一段一段翻译的编码序列，含子隔离开来一段一段翻译的编码序列，统称为外显子统称为
9、外显子(extron)(extron)，被内含子隔裂的，被内含子隔裂的基因就为隔裂基因；基因就为隔裂基因；跳跃基因或转座子：有些含特殊结构的跳跃基因或转座子：有些含特殊结构的DNADNA序序列可从染色体上一个位置跳到另一个位置上，列可从染色体上一个位置跳到另一个位置上，甚至从一条染色体移动到另一条染色体上，这甚至从一条染色体移动到另一条染色体上，这个过程称为转座个过程称为转座(transposition)(transposition)，转座可引发，转座可引发DNADNA链的断裂或重排而导致变异，发生转座的链的断裂或重排而导致变异，发生转座的DNADNA序列就为跳跃基因或转座子；序列就为跳跃基因
10、或转座子；假基因：假基因：DNADNA序列相似于某些正常基因的序列，序列相似于某些正常基因的序列，但处于其他的位置，其上有碱基的缺失、插入但处于其他的位置，其上有碱基的缺失、插入或突变而不能转录和翻译，是无功能的基因。或突变而不能转录和翻译，是无功能的基因。基因作用与性状表达基因对遗传性状表达的作用可分为直接的和间接的。直接的：基因控制合成的蛋白质为结构蛋白或功能蛋白。间接的：基因通过酶的合成，间接影响性状的表达。顺反测验及基因的精细结构顺反测验及基因的精细结构 1957年本泽尔根据年本泽尔根据T4噬菌体及突变的特噬菌体及突变的特性，设计了顺反测验。性，设计了顺反测验。rII区突变：区突变：侵
11、染侵染B B菌株：大菌斑菌株：大菌斑 侵染侵染K12K12（）：无菌斑）：无菌斑图图 8 84 4 计算重组值时的试验图解计算重组值时的试验图解 rx与与ry 间重组率：间重组率：2(r+r+噬菌体噬菌体)2在在K12()上生长的噬菌体数上生长的噬菌体数 100%=100%总噬菌体数总噬菌体数 在在B菌株上生长的噬菌体数菌株上生长的噬菌体数 多个两点测验作出多个两点测验作出rII区精细的遗传图区精细的遗传图顺反（互补）测验顺反（互补）测验r51和和r106是是rII区区的的2个突变体个突变体单独感染单独感染 K12()不能复制，不产生子代不能复制，不产生子代噬菌体。噬菌体。将将r51和和r10
12、6同时感染同时感染K12()菌株，产生菌株，产生子代噬菌体。子代噬菌体。复制与重组复制与重组谁先谁后？谁先谁后？r47与与r106共同感染共同感染K12()菌株，不产生菌株，不产生子代噬菌体。子代噬菌体。（同一个基因，不能功能互补）（同一个基因，不能功能互补）说明先功能互补、复制再重组。说明先功能互补、复制再重组。测定功能是否互补的测验称为互补试验。测定功能是否互补的测验称为互补试验。图图 8 86 6 突变座位与互补图解突变座位与互补图解 DNA水平上的调控转录调控翻译控制三个水平上三个水平上的调控的调控基因表达与调控第二节第二节 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控一、转录水平的调
13、控一、转录水平的调控 DNA元件：元件：DNA上一段序列，但它作为一种上一段序列，但它作为一种原位（原位（in situ）序列具有特殊的功能。由于它）序列具有特殊的功能。由于它只能作用同一条只能作用同一条DNA，因此称，因此称顺式作用元件顺式作用元件（cis-acting element）。顺式作用位点通常总）。顺式作用位点通常总是在靶基因的上游。是在靶基因的上游。调节基因的产物可以自由地结合到其相应的靶调节基因的产物可以自由地结合到其相应的靶上，因此被为上，因此被为反式作用因子反式作用因子（trans-acting factor）。）。在细菌中，当几种酶参与同一个代谢途在细菌中，当几种酶参与
14、同一个代谢途径时，往往是这几种酶的合成同时启动，径时，往往是这几种酶的合成同时启动，产生编码所有蛋白质的一个或几个产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺多顺反子反子（polycistronic）mRNA。真核生物。真核生物没有这种调控机制，真核生物基因转录没有这种调控机制，真核生物基因转录的是单顺反子（的是单顺反子（monocistronic）mRNA。负调控负调控（negative regulation）：存：存在细胞中的阻遏在细胞中的阻遏物阻止转录过程。物阻止转录过程。图图14-2 正调控和负调控正调控和负调控 任何一种干扰基因表达的作用都属于负控制，任何一种干扰基因表达的作用都属于负控制，其
15、机制有：其机制有：阻遏蛋白和阻遏蛋白和DNA上的特异位点相结合，阻上的特异位点相结合，阻止止DNA聚合酶起始转录；聚合酶起始转录；阻遏蛋白和阻遏蛋白和RNA结合阻止翻译的起始，使结合阻止翻译的起始，使基因处于关闭状态。基因处于关闭状态。正调控正调控（positive regulation）：调节蛋白的作）：调节蛋白的作用不是阻止起始，而是帮助起始。它和用不是阻止起始，而是帮助起始。它和DNA以以及及RNA聚合酶相互作用来帮助起始。在正调控聚合酶相互作用来帮助起始。在正调控系统中，诱导物通常与另一蛋白质结合形成一系统中，诱导物通常与另一蛋白质结合形成一种激活子（种激活子（activator）复合
16、物，与基因启动子）复合物，与基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录。序列结合，激活基因起始转录。原核生物中基因表达以负调控为主。真核生物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。中则主要是正调控机制。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。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mRNA。当不需要这种产物时，当不需要这种产物时，mRNA转录受到抑制。转录受到抑制。（一）乳糖操纵元（一）乳糖操纵元（lac operonlac operon）三个结构基因的功能是：三个结构基因的功能是：lacZ编码编码-
17、半乳糖苷酶半乳糖苷酶，它，它可以切断乳糖的半乳糖苷键，产生半乳糖和葡萄糖；可以切断乳糖的半乳糖苷键，产生半乳糖和葡萄糖；lacY编码编码-半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶，这种酶是膜结合蛋白，这种酶是膜结合蛋白，它构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中；它构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中；lacA编编码码-半乳糖苷乙酰转移酶半乳糖苷乙酰转移酶，其功能只将乙酰，其功能只将乙酰-辅酶辅酶A上上的乙酰基转移到的乙酰基转移到-半乳糖苷上。半乳糖苷上。1 1、乳糖操纵元模型、乳糖操纵元模型 三个结构基因上游有三个结构基因上游有2个顺式调控元件，即个顺式调控元件，即启动子启动子（promoter，P）和）和
18、操纵子操纵子（operator，O）。还有另）。还有另一个一个调节抑制基因调节抑制基因（lacI）位于所有基因的上游，但它）位于所有基因的上游，但它本身具有自己的启动子和终止子，成为独立的转录单本身具有自己的启动子和终止子，成为独立的转录单位，因此位，因此lacI基因通常不包括在基因通常不包括在lac操纵元之内。由于操纵元之内。由于lacI的产物是可溶性蛋白，它是能够分散到各处或结合的产物是可溶性蛋白，它是能够分散到各处或结合到分散的到分散的DNA位点上，是典型的反式作用调节物。位点上，是典型的反式作用调节物。这一个完整的调节系统包括结构基因和控制这这一个完整的调节系统包括结构基因和控制这些基
19、因表达的元件，形成了一个共同的调节单些基因表达的元件，形成了一个共同的调节单位，这种调节单位就称为位，这种调节单位就称为操纵元操纵元。操纵元的活。操纵元的活性是由调节基因控制的，调节基因的产物可以性是由调节基因控制的，调节基因的产物可以和操纵元上的顺式作用控制元件相互作用。和操纵元上的顺式作用控制元件相互作用。2 2、乳糖操纵元的负调控、乳糖操纵元的负调控lac基因编码一种基因编码一种阻遏蛋白。阻遏蛋阻遏蛋白。阻遏蛋白至少有两个结合白至少有两个结合位点，一个是结合位点，一个是结合诱导物（乳糖），诱导物（乳糖），另一个是结合操纵另一个是结合操纵子子O。当诱导物在相。当诱导物在相应位点结合时，它应
20、位点结合时，它改变了阻遏蛋白的改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一构象，干扰了另一位点的活性。阻遏位点的活性。阻遏蛋白结合在操纵子蛋白结合在操纵子O位点，阻止位点，阻止RNA聚聚合酶起始转录结构合酶起始转录结构基因。基因。2 2、乳糖操纵元的负调控、乳糖操纵元的负调控阻遏蛋白对于操纵阻遏蛋白对于操纵基因有很高的亲和基因有很高的亲和性，在缺乏诱导物性，在缺乏诱导物（乳糖）时，（乳糖）时，阻遏阻遏蛋白总是结合在操蛋白总是结合在操纵基因上，使得邻纵基因上，使得邻近的结构基因不能近的结构基因不能转录转录。但当诱导物。但当诱导物存在时，它和阻遏存在时，它和阻遏蛋白结合形成了一蛋白结合形成了一个阻遏蛋白复合体
21、个阻遏蛋白复合体，不再和操纵基因，不再和操纵基因结合。这样，在没结合。这样，在没有阻遏蛋白有阻遏蛋白操操纵子互作时，纵子互作时，RNA聚合酶才能起始转聚合酶才能起始转录结构基因，产生录结构基因，产生乳糖代谢酶。乳糖代谢酶。协同调控（协同调控（coordinate regulation）：所）：所有的一组基因都一起表达或一起关闭。有的一组基因都一起表达或一起关闭。mRNA一般总是从一般总是从5 开始转录，所以诱导开始转录，所以诱导总是导致总是导致-半乳糖苷酶、透性酶和乙酰半乳糖苷酶、透性酶和乙酰转移酶按一定顺序出现。转移酶按一定顺序出现。lacZ、lacY、lacA三个基因的产物总保持同样的当量
22、三个基因的产物总保持同样的当量关系。关系。3 3、乳糖操纵元的正调控、乳糖操纵元的正调控 当细菌细胞处于既有大量乳糖又有葡萄糖时的情况会怎当细菌细胞处于既有大量乳糖又有葡萄糖时的情况会怎样呢？样呢？实际上只要有葡萄糖存在，细菌细胞就不产生实际上只要有葡萄糖存在，细菌细胞就不产生-半乳糖半乳糖苷酶。这说明，除了阻遏蛋白能抑制苷酶。这说明，除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外操纵元转录外，还有其它因子也能有效地抑制，还有其它因子也能有效地抑制mRNA转录，而这个因转录，而这个因子的活性与葡萄糖有关。子的活性与葡萄糖有关。乳糖乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖和葡萄糖半乳糖和葡萄糖葡萄糖葡萄糖腺苷酸环
23、化酶腺苷酸环化酶抑制抑制ATP前体前体环式环式Amp（cAmp）与代谢激活蛋与代谢激活蛋白（白（CAP）结）结合（合（cAmp的的受体蛋白受体蛋白）cAmp-CAP复合物复合物作为操纵元的正调控因子作为操纵元的正调控因子缺乏葡萄糖时缺乏葡萄糖时，有利于，有利于cAmp-CAP复合物的形成复合物的形成。当。当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到复合物的二聚体插入到lac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DNA弯曲形成新的弯曲形成新的构型，构型，RNA聚合酶与这种聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加牢新构型的结合更加牢固，转录效率更高。因此，当细胞既有乳糖与
24、阻遏固，转录效率更高。因此，当细胞既有乳糖与阻遏蛋白结合，又有蛋白结合，又有cAmp-CAP结合在启动子结合在启动子DNA序列序列时，时，lac启动子的转录效率最高。启动子的转录效率最高。有葡萄糖存在时有葡萄糖存在时，不能形成，不能形成cAmp，也就没有操纵元的，也就没有操纵元的正调控因子正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达。复合物，因此基因不表达。核酸核酸-蛋白质互作研究结果进一步证实，单独的蛋白质互作研究结果进一步证实，单独的cAmp-CAP复合复合体，或体，或RNA聚合酶，与聚合酶，与lac启动子结合的亲和力都不高，启动子结合的亲和力都不高，与其它与其它DNA分子的亲和力也很
25、低。如果二者同时与分子的亲和力也很低。如果二者同时与lac启启动子动子DNA结合，可以迅速形成紧密牢固的复合体，表现结合，可以迅速形成紧密牢固的复合体，表现为典型的协调结合（为典型的协调结合（coorperative binding）的方式。）的方式。（二）色氨酸操纵元（二）色氨酸操纵元（trp operontrp operon）色氨酸操纵元控制的是合成代谢，最终的产物是色氨酸。在培养基中缺乏Trp时操纵子打开，而加入Trp 时将促进trp操纵子的关闭，也就是最终产物色氨酸或某种物质对转录将起到阻遏的作用，而不是诱导的作用，在其操纵元中不存在cAMP-CAP位点。色氨酸阻遏蛋白只有和色氨酸结合
26、才能具有活性，结合到操纵基因上，阻遏转录，这种类型控制途径也是在酶活性的水平进行调节。这种调节叫做反馈抑制（feedback inhibition）。1 1、trptrp操纵元的结构和功能操纵元的结构和功能5个结构基因个结构基因trpE、trpD、trpC、trpB和和trpA组成一个多组成一个多顺反子的基因簇，顺反子的基因簇，在在5端是启动子、端是启动子、操纵子、前导顺序操纵子、前导顺序（trpL）和衰减子）和衰减子区域。区域。阻遏物阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基因编码。启动子位由相距较远的阻遏物基因编码。启动子位点与点与RNA聚合酶结合，操纵子位点与阻遏物结合。聚合酶结合，操纵子位点
27、与阻遏物结合。trp R基因编码一种无辅基阻遏物，基因编码一种无辅基阻遏物，单独的无辅基阻遏物不单独的无辅基阻遏物不能与操纵子结合。只有形成无辅基阻遏物能与操纵子结合。只有形成无辅基阻遏物-色氨酸复合色氨酸复合物后，才能与操纵子结合。色氨酸称为辅阻遏物。物后，才能与操纵子结合。色氨酸称为辅阻遏物。细胞中的色氨酸浓度较高时，有些色氨酸分子可与细胞中的色氨酸浓度较高时，有些色氨酸分子可与无辅基阻遏物结合，使其空间构型发生变化而成为无辅基阻遏物结合，使其空间构型发生变化而成为有活性的阻遏物，结合在操纵子区域，阻止转录。有活性的阻遏物，结合在操纵子区域，阻止转录。细胞中的色氨酸不细胞中的色氨酸不足时，
28、无辅基阻遏足时，无辅基阻遏物的三维空间结构物的三维空间结构发生改变，不能与发生改变，不能与操纵子结合，进行操纵子结合，进行转录。转录。和乳糖操纵子相同，无论是编码阻遏物和乳糖操纵子相同，无论是编码阻遏物的基因的基因trpR发生突变，还是操纵子发生发生突变，还是操纵子发生突变，突变，trp操纵元将出现组成型表达。操纵元将出现组成型表达。Trp操纵子的阻遏能力较低，仅是操纵子的阻遏能力较低，仅是lacI产产物的物的1/1000，因此，因此trp操纵子还必须依赖操纵子还必须依赖别的途径来进行调节，以免在已有一定别的途径来进行调节，以免在已有一定浓度的浓度的Trp时，还继续合成时，还继续合成Trp，这
29、种途，这种途径就是衰减作用。径就是衰减作用。2 2、衰减作用（、衰减作用（attenuationattenuation）trp操纵元的第一个基因（操纵元的第一个基因（trpE）的前面）的前面5 端有一个长端有一个长160碱基的序列，称为前导序列。当发生缺失突变时（缺失碱基的序列，称为前导序列。当发生缺失突变时（缺失了了130160片段）产生的片段）产生的mRNA总是最高水平的，这个总是最高水平的，这个元件为衰减子，当元件为衰减子，当Trp存在时，由于衰减子的存在导致了存在时，由于衰减子的存在导致了mRNA转录速率下降。转录速率下降。衰减子实际上是控制翻译的手段来控制衰减子实际上是控制翻译的手段
30、来控制基因的转录。基因的转录。通过衰减子控制转录的终止仅发生在原通过衰减子控制转录的终止仅发生在原核生物的分解代谢中。核生物的分解代谢中。衰减作为细菌操纵子中的一种调控机制衰减作为细菌操纵子中的一种调控机制至少存在于氨基酸合成代谢的至少存在于氨基酸合成代谢的6种操纵子种操纵子中中 二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控（一）（一）翻译水平的自我调控翻译水平的自我调控 阻遏蛋白可以结合到阻遏蛋白可以结合到mRNA的靶区域上，阻止的靶区域上，阻止核糖体对翻译起始区的识别以达到阻遏的功能。核糖体对翻译起始区的识别以达到阻遏的功能。这种调控机制中，调节蛋白可以直接结合到含这种调控机制中，调节蛋白可以直接
31、结合到含有有AUG的起始密码子的顺序上，或者形成发夹的起始密码子的顺序上，或者形成发夹结构，或者结合到启动子区域的结构，或者结合到启动子区域的Shine-Dalgarno（SD）序列等，阻断核糖体的结合。）序列等，阻断核糖体的结合。SD序列是细菌序列是细菌mRNA翻译起始信号上游的一段翻译起始信号上游的一段5-AGGAGGU-3保守序列，可与核糖体保守序列，可与核糖体30S亚亚基中的基中的16SrRNA3末端的保守序列互补配对，末端的保守序列互补配对，作为作为mRNA在核糖体上的结合位点。在核糖体上的结合位点。（二）（二）反义反义RNA的调控的调控 用一个用一个RNA作为调节物同样能形成一调节
32、网络。作为调节物同样能形成一调节网络。小分子小分子RNA（small RNA)也可调节基因的表也可调节基因的表达。达。调节物调节物RNA的靶顺序是单链核苷酸顺序，的靶顺序是单链核苷酸顺序，其功能是和靶顺序互补，形成一个双链区。其功能是和靶顺序互补，形成一个双链区。调节物调节物RNA的作用机制：（的作用机制：（1）和靶核苷酸顺）和靶核苷酸顺序形成双链区，直接阻碍其功能，如翻译的起序形成双链区，直接阻碍其功能，如翻译的起始。（始。（2）在靶分子的部分区域形成双链区，）在靶分子的部分区域形成双链区，改变其它区域的构象，这样直接影响其功能。改变其它区域的构象，这样直接影响其功能。两种类型两种类型RNA
33、介导的调节的共同特点是改变靶介导的调节的共同特点是改变靶顺序的二级结构，控制其活性。顺序的二级结构，控制其活性。反义基因的调控作用。方法是将靶基因反向插反义基因的调控作用。方法是将靶基因反向插入重组载体的启动子后面，再导入细胞，这便入重组载体的启动子后面，再导入细胞，这便称为反义技术。由于其作用和反义称为反义技术。由于其作用和反义RNARNA的数量的数量有关，因此常常并不能起到完全抑制的作用。有关，因此常常并不能起到完全抑制的作用。过量的反义过量的反义RNARNA应能有效阻止靶顺序的翻译应能有效阻止靶顺序的翻译。实际上反义实际上反义RNARNA不需和不需和mRNAmRNA等长，只要靶等长，只要
34、靶mRNAmRNA的一小部分结合即可。一般只要的一小部分结合即可。一般只要100bp100bp的靶的靶RNA 5RNA 5区域的反义区域的反义RNARNA就可以就可以有效地抑制其翻译。有效地抑制其翻译。第三节第三节 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控（1）遗传物质的分子水平上，真核细胞基因组）遗传物质的分子水平上，真核细胞基因组的的DNA含量和基因的总数都远远高于原核生物，含量和基因的总数都远远高于原核生物，DNA也不是染色体的唯一成分；也不是染色体的唯一成分；（2）在细胞水平上，真核细胞的染色体包在核）在细胞水平上，真核细胞的染色体包在核膜内，转录和翻译分别发生在细胞核和细胞质膜内
35、，转录和翻译分别发生在细胞核和细胞质中，这两个过程在时间和空间上都是分开的，中，这两个过程在时间和空间上都是分开的，而且在转录和翻译之间存在着一个相当复杂的而且在转录和翻译之间存在着一个相当复杂的RNA加工过程。加工过程。（3）在个体水平上，真核生物是由不同的组织）在个体水平上，真核生物是由不同的组织细胞构成的，从受精卵到发育完全的个体，要细胞构成的，从受精卵到发育完全的个体，要经过复杂的发育过程。经过复杂的发育过程。（一）基因扩增（一）基因扩增（gene amplification）细胞内特定基因拷贝数专一性大量增加的现象称为基细胞内特定基因拷贝数专一性大量增加的现象称为基因的扩增。因的扩增
36、。两栖动物如蟾蜍（两栖动物如蟾蜍（Xenopus laevis）的卵母细胞很大，）的卵母细胞很大，是正常体细胞的一百万倍，需要合成大量蛋白质，所是正常体细胞的一百万倍，需要合成大量蛋白质，所以需要大量核糖体。核糖体含有以需要大量核糖体。核糖体含有rRNA分子，分子，基因组中基因组中的的rRNA基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的基因数目远远不能满足卵母细胞合成核糖体的需要。需要。所以在卵母细胞发育中，所以在卵母细胞发育中，rRNA基因数目临时增基因数目临时增加了加了4000倍。卵母细胞的前体同其它体细胞一样，含倍。卵母细胞的前体同其它体细胞一样，含有约有约600个编码个编码18S r RN
37、A和和28S rRNA的的DNA。在基。在基因扩增后，因扩增后，rRNA基因拷贝数高达基因拷贝数高达2106。这个数目可。这个数目可使卵母细胞形成使卵母细胞形成1012个核糖体，以满足胚胎发育早期个核糖体，以满足胚胎发育早期蛋白质合成的需要。蛋白质合成的需要。人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表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。病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。基因重排（gene rearrangement）是指DNA分子核苷酸序列的重新排列。
38、重排不仅可以形成新的基因，还可以调节基因表达。基因组中的DNA序列重排并不是一种普遍方式，但它是有些基因调控的重要机制。（二）基因重排（二）基因重排图图 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)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)NNCCVVCHL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)BVVVVD
39、DDDCCCJJJJA86 V9 J30 D11 C100 kb在真核生物中，胞嘧啶（在真核生物中，胞嘧啶（cytosine）碱基第）碱基第5碳碳上的氢被一个甲基取代，使胞嘧啶甲基化（上的氢被一个甲基取代，使胞嘧啶甲基化（methylation）。甲基化的胞嘧啶在）。甲基化的胞嘧啶在DNA复制中复制中可整合到正常可整合到正常DNA序列中。胞嘧啶甲基化在序列中。胞嘧啶甲基化在CG双核苷酸序列中发生频率最高。双核苷酸序列中发生频率最高。（三）（三）DNA的甲基化与去甲基化的甲基化与去甲基化 胞嘧啶胞嘧啶 甲基化胞嘧啶甲基化胞嘧啶功能性异染色质也是真核生物的一种表达调控的途经。功能性异染色质也是真核
40、生物的一种表达调控的途经。哺乳动物中，细胞质某些调节物质也能使两条哺乳动物中，细胞质某些调节物质也能使两条X X染色体染色体中的一条异染色质化，只有一条中的一条异染色质化，只有一条X X染色体具有活性。雌、染色体具有活性。雌、雄动物之间虽雄动物之间虽X X染色体的数量不同，但染色体的数量不同，但X X染色体上基因产物染色体上基因产物的剂量是平衡的，这个过程就称为剂量补偿（的剂量是平衡的，这个过程就称为剂量补偿（dosage dosage conpensationconpensation）。例如，正常的男性是）。例如，正常的男性是XYXY，而正常的女性，而正常的女性XXXX。在正常女性的细胞核中
41、有一团高度凝聚的染色质，这。在正常女性的细胞核中有一团高度凝聚的染色质，这是失活的染色体，而在正常男性的细胞核中都没有。是失活的染色体，而在正常男性的细胞核中都没有。在带有多条在带有多条X X染色体的个体，只有一条染色体的个体，只有一条X X染色体是有活性染色体是有活性的。两条的。两条X X染色体中哪一条失活是随机的，生殖细胞形成染色体中哪一条失活是随机的，生殖细胞形成时失活的时失活的X X染色体可得到恢复的。染色体可得到恢复的。二、染色质水平调控二、染色质水平调控（一）异染色质化组蛋白可被修饰，修饰作用包括甲基化、乙酰基化和磷酸组蛋白可被修饰，修饰作用包括甲基化、乙酰基化和磷酸化。其中，最主
42、要的方式是赖氨酸残基上的氨基乙酰化。化。其中，最主要的方式是赖氨酸残基上的氨基乙酰化。修饰可改变它们与修饰可改变它们与DNADNA的接合能力。若被组蛋白覆盖的基因的接合能力。若被组蛋白覆盖的基因要表达，那么组蛋白必须被修饰，使其和要表达，那么组蛋白必须被修饰，使其和DNADNA的结合由紧变的结合由紧变松，这样松，这样DNADNA链才能和链才能和RNARNA聚合酶或调节蛋白相互作用。因聚合酶或调节蛋白相互作用。因此组蛋白的作用本质上是真核基因调节的负控制因子，即此组蛋白的作用本质上是真核基因调节的负控制因子，即它们是基因表达的抑制物。它们是基因表达的抑制物。如果组蛋白不是负责打开特异基因的分子，
43、那么这个作用如果组蛋白不是负责打开特异基因的分子，那么这个作用一定是由非组蛋白来控制。非组蛋白不仅数量多（约有数一定是由非组蛋白来控制。非组蛋白不仅数量多（约有数以千计的不同类型），而且在不同细胞中的种类和数量都以千计的不同类型），而且在不同细胞中的种类和数量都不相同，具有组织特异性。不同细胞间非组蛋白的变异有不相同，具有组织特异性。不同细胞间非组蛋白的变异有力地表明非组蛋白在基因表达的调节、细胞分化的控制以力地表明非组蛋白在基因表达的调节、细胞分化的控制以及生物的发育中起着很重要的作用。及生物的发育中起着很重要的作用。（二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用（二）组蛋白质修饰和非组蛋白的作用当一个
44、基因处于转录活性状态时，含有这个基当一个基因处于转录活性状态时，含有这个基因的染色质区域对因的染色质区域对DNA酶酶降解的敏感性要比降解的敏感性要比无转录活性区域高得多。这是由于此区域染色无转录活性区域高得多。这是由于此区域染色质的质的DNA-蛋白质结构变得松散，蛋白质结构变得松散，DNA酶酶易易于接触到于接触到DNA之故。之故。DNA酶酶敏感区出现的敏感区出现的范围随着基因序列的不同而变化，从基因周围范围随着基因序列的不同而变化，从基因周围几个几个Kb到两侧到两侧20Kb大小不等。大小不等。DNA酶酶能水解双链能水解双链DNA，参与外源，参与外源DNA的的代谢，与细胞凋亡、坏死细胞染色质降解
45、密切代谢，与细胞凋亡、坏死细胞染色质降解密切相关。相关。（三）（三）DNA酶的敏感区域酶的敏感区域染色质并不漂浮在核内，而是结合在核基质（染色质并不漂浮在核内，而是结合在核基质（nuclear matrix）上，核基质是一种）上，核基质是一种35nm的的网络纤维，又称为骨架蛋白（网络纤维，又称为骨架蛋白（scaffolding protein）。这种结合是特异性的，如卵白基因）。这种结合是特异性的，如卵白基因与鸡卵巢的细胞核基质结合，而不与鸡肝脏或与鸡卵巢的细胞核基质结合，而不与鸡肝脏或红细胞的核基质结合红细胞的核基质结合.不同的基因存在着不同的核基质结合区（不同的基因存在着不同的核基质结合区
46、（MAR），增强子与启动子通过形成侧环而起作用，），增强子与启动子通过形成侧环而起作用，在侧环基部就存在在侧环基部就存在MAR。（四）核基质蛋白（四）核基质蛋白三、转录水平的调控（一）（一）顺式作用元件顺式作用元件 1、启动子、启动子 同原核生物一样，真核生物基因启动子是转录同原核生物一样，真核生物基因启动子是转录因子和因子和RNA聚合酶的结合位点，位于受其调控聚合酶的结合位点，位于受其调控的基因上游某一固定位置，紧邻转录起始点，的基因上游某一固定位置，紧邻转录起始点，是基因的一部分。是基因的一部分。大多数能被大多数能被RNA聚合酶聚合酶II识别的启动子含有几识别的启动子含有几个顺式调控元件，
47、它们的序列保守，具有与原个顺式调控元件，它们的序列保守，具有与原核生物启动子不同的特点。例如，真核生物基核生物启动子不同的特点。例如，真核生物基因的因的TATA盒（盒（TATA box）位于转录起始点）位于转录起始点上游上游2530bp处（处（-25-30bp），），RNA聚合酶聚合酶II能识别并结合在这个位点。能识别并结合在这个位点。TATA盒具有盒具有8bp，改变其中的任何核苷酸序列都会降低转录效率，改变其中的任何核苷酸序列都会降低转录效率，缺失这个位点将改变转录起始点。缺失这个位点将改变转录起始点。图图141414 14 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(
48、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 xRNA聚合酶聚合酶II能能识别并结合的位识别并结合的位点点起增强子的起增强子的作用作用 起始转录具起始转录具有重要作用有重要作用 转录增强子（转录增强子（transcr
49、iptional enhancer）是真核生）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动子上游7001000bp处，离转录起始点较远。增处，离转录起始点较远。增强子可以提高转录效率，在基因中的位置不定，既强子可以提高转录效率，在基因中的位置不定，既可位于基因的上游，也可在下游，或位于基因序列可位于基因的上游，也可在下游，或位于基因序列内，但不能位于不同内，但不能位于不同DNA分子上。分子上。增强子主要有两个功能，一是与转录激活子结合，增强子主要有两个功能，一是与转录激活子结合，改变染色质的构型；二是使改变染色质的构型；二是使DNA
50、弯曲形成环状结构，弯曲形成环状结构，使增强子与启动子直接接触，以便通用转录因子、使增强子与启动子直接接触，以便通用转录因子、转录激活子、转录激活子、RNA聚合酶一起形成转录复合体，从聚合酶一起形成转录复合体，从而提高而提高mRNA合成效率。合成效率。2、增强子、增强子图图14-15 典型的真核生物基因组成示意图典型的真核生物基因组成示意图 2、增强子、增强子转录复合体（二）反式作用因子（二）反式作用因子1、蛋白质直接和、蛋白质直接和DNA结合结合（1）螺旋）螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（helix-turn-helix，HTH）：）：螺旋螺旋-转角转角-螺旋有螺旋有3个螺旋，螺旋个螺旋，螺旋3识
