第七章基因表達與調控

第七章基因表達與調控第一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學2

基因表達就是將基因攜帶的生物信息釋放出來，供細胞利用的過程，或將生物的遺傳信息作為性狀或特征表現(xiàn)出來的過程。無論是原核生物還是真核生物，其基因表達都進行嚴格有序的調控，以適應環(huán)境保證其正常生存。第二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)基因的概念與發(fā)展第三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學4一、經(jīng)典遺傳學關于基因的概念①．孟德爾：

把控制性狀的因子稱為遺傳因子。

如：豌豆紅花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。②．約翰生：

提出基因(gene)取代遺傳因子。③．摩爾根：

對果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因和

染色體為主體的經(jīng)典遺傳學。

基因是化學實體，以念珠狀直線排列在染色體上。第四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學5基因共性（按照經(jīng)典遺傳學關于基因的概念）：

基因具有染色體的主要特性：自我復制和相對穩(wěn)定性，

在分裂時有規(guī)律地進行分配。

交換單位：基因間能進重組，而且是交換的最小單位。

突變單位：一個基因能突變?yōu)榱硪粋€基因。

功能單位：控制有機體的性狀?！?/p>

經(jīng)典遺傳學認為：基因是一個最小的單位，不能分割；既是結構單位，又是功能單位。第五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學6⑴.揭示遺傳密碼的秘密：基因

具體物質。一個基因

DNA分子上一定區(qū)段，攜帶有特殊遺傳信息

轉錄成RNA或翻譯成多肽鏈。⑵.基因不是最小遺傳單位

更復雜的遺傳和變異單位：

例如：在一個基因區(qū)域內，仍可以劃分出若干起作用的小單位。二、現(xiàn)代遺傳學關于基因的概念：第六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學7⑶.

現(xiàn)代遺傳學上認為：

①．突變子(muton)：性狀突變時產(chǎn)生突變的最小單位。

一個突變子可以小到只有一個堿基對；如移碼突變。

②．重組子(recon)：性狀重組時，可交換的最小單位。

一個交換子可以只包含一個堿基對。

③．順反子(cistron)：表示一個作用的單位，基本符合

通常所述基因的大小或略小。所包括的一段

DNA與

一個多肽鏈合成相對應；平均為500~1500個堿基對。第七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學8⑷．基因概念：

基因是DNA分子上帶有遺傳信息的特定核苷酸序列區(qū)段，這類遺傳信息或者被轉錄為RNA，或者被翻譯成多肽鏈，或者對其他基因的活動起調控作用。①.可轉錄一條完整的RNA分子或編碼一個多肽鏈；②.功能上被順反測驗或互補測驗所規(guī)定。分子遺傳學保留功能單位的解釋，而拋棄最小結構單位說法?；颍合喈斢谝粋€順反子，包含許多突變子和重組子。紫外燈下的DNA第八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學9

⑴．結構基因(structuralgene)：

指可編碼RNA或蛋白質的一段DNA序列。三、基因概念的新發(fā)展：rRNA基因第九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學10⑵．調控基因(regulatorgene)：

指其表達產(chǎn)物參與調控其它基因表達的基因。lac調控基因第十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學11⑶．重疊基因(overlappinggene)：

指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，同時編碼兩個以上基因的現(xiàn)象。ABCDEF第十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一extron⑷．隔裂基因(splitgene)：

指基因內部被一個或更多不翻譯的編碼順序即內含子所隔裂。

內含子(intron)：DNA序列中不出現(xiàn)在成熟mRNA的片段；

外顯子(extron)：DNA序列中出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段。卵清蛋白基因第十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學13⑸．跳躍基因(jumpinggene)：

即轉座因子，指染色體組上可以轉移的基因。

實質：能夠轉移位置的DNA片斷。

功能：在同一染色體內或不同染色體之間移動

引起插入突變、DNA結構變異（如重復、缺失、畸變）

通過表現(xiàn)型變異得到鑒別。

遺傳工程：轉座子標簽法。玉米轉座子現(xiàn)象第十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學14⑹.假基因(pseudogene):

同已知的基因相似，處于不同的位點，因缺失或突變而不能轉錄或翻譯，是沒有功能的基因。真核生物中的血紅素蛋白基因家族中就存在假基因現(xiàn)象。血紅蛋白分子的四條多肽鏈第十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學15Figure

Eachoftheα-likeandβ-likeglobingenefamiliesisorganizedintoasingleclusterthatincludesfunctionalgenesandpseudogenes第十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學16設有兩個獨立起源的隱性突變，具有類似的表現(xiàn)型。

判斷是屬于同一基因的突變，還是屬于不同基因的突變？

即判斷是否屬于等位基因？①．建立雙突變雜合二倍體；

②．測定突變間有無互補作用。

㈠、互補作用：四、順反測驗及基因的精細結構第十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一1．無互補作用：則個體表現(xiàn)為突變型，突變來自同一個基因，

只能產(chǎn)生突變的mRNA

形成突變酶和個體，

顯示突變的表現(xiàn)型。第十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一2．有互補作用：

突變來自不同的基因，則每個突變的相對位點上都有一個正常野生型基因最終可產(chǎn)生正常mRNA，其個體表現(xiàn)型為野生型。第十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一本澤爾：提出順反子，表示功能的最小單位和順反的位置效應。3．互補測驗（順反測驗）：根據(jù)功能確定等位基因的測驗。

順反測驗：根據(jù)順式表現(xiàn)型和反式表現(xiàn)型來確定兩個突變體是否屬于同一個基因（順反子）。

順式排列為對照（是兩個突變座位位于同一條染色體上），其表現(xiàn)型

野生型。

實質上是進行反式測驗（反式排列：是兩個突變座位位于不同的染色體上）。

①

反式排列為野生型：突變分屬于兩個基因位點；

②

反式排列為突變型：突變分屬于同一基因位點。第十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學20㈡、基因的微細結構：

本澤爾利用經(jīng)典的噬菌體突變和重組技術

分析T4噬菌體rⅡ區(qū)基因的微細結構。

⑴．原理：

r+野生型T4噬菌體：侵染E.coliB株和K12株；

rⅡ突變型T4噬菌體：只侵染B株，不能侵染K12(λ)株。利用上述特點:

讓兩個rⅡ突變型雜交

侵染K12(λ)株，選擇重組體r+

計算出兩個r+

突變座位間的重組頻率。第二十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一⑵．方法：兩種rⅡ突變類型：rx、ry

r+rx

×

ryr+

↓混合感染

E.coliB株接種

B株K12(λ)株計數(shù)r+ry、rxr+

r+

r+r+

r+、rxry

僅生長一四種基因型種重組型均能生長第二十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學22r47r104r101r106r31r107⑶．結果：

①.重組值計算：

rxry的數(shù)量與r+r+相同，計算時r+r+

噬菌體數(shù)×2。

可以獲得小到0.001％，即十萬分之一的重組值。利用大量rⅡ區(qū)內二點雜交結果，繪制出rⅡ區(qū)座位間微細的遺傳圖：

1.3

1.0

1.6

1.9

1.6第二十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一②.

rⅡ區(qū)有3000多個突變體，分為2種類型：

rⅡA、

rⅡB：兩個rⅡA突變體混合K12無噬菌體繁殖兩個rⅡB突變體混合K12無噬菌體繁殖

rⅡA

＋rⅡB突變體

K12噬菌體繁殖∴rⅡA與rⅡB區(qū)段可以互補，分屬于不同基因座位。第二十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學24rRNA

如發(fā)生致死突變，不能形成核糖體，易死亡。tRNA

發(fā)生突變后，

多肽鏈改變。轉錄翻譯蛋白質結構蛋白生物酶直接間接某段DNAmRNA性狀五、基因的作用與性狀的表現(xiàn)：第二十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

基因變異

直接影響蛋白質特性，表現(xiàn)出不同遺傳性狀。例如人的鐮形紅血球貧血癥。

紅血球碟形HbA

突變

HbS

HbC

紅血球鐮刀形血紅蛋白分子有四條多肽鏈：

兩條α鏈(141個氨基酸/條)；兩條β鏈(146個氨基酸/條)。

HbA、Hbs、Hbc氨基酸組成的差異在于β鏈上第6位上氨基酸：

HbA第6位為谷氨酸（GAA、GAG)；

HbS第6位為纈氨酸（GUA、GUG)；

HbC第6位為賴氨酸（AAA、AAG）。1.結構蛋白：第二十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一產(chǎn)生貧血癥的原因：

單個堿基的突變引起氨基酸的改變導致蛋白質性質發(fā)生變化，直接產(chǎn)生性狀變化。正常碟形紅血球轉變?yōu)殓牭缎渭t血球缺氧時表現(xiàn)貧血癥。HbA

HbS

HbC第二十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

2.酶蛋白：

例如：豌豆

圓粒(RR)

×

皺粒(rr)

F1

圓粒(Rr)

F21/4皺粒。

R基因酶蛋白淀粉分枝酶正常合成淀粉

r基因不合成酶無功能酶缺少一種淀粉分枝酶積累蔗糖和大量的水分

產(chǎn)生mRNA，產(chǎn)生多肽，有表型；∴基因產(chǎn)生tRNA、rRNA，無表型；不轉錄mRNA，但對其它基因起調控作用。第二十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)基因表達的調控第二十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學29

一種生物的整套遺傳密碼可以比作一本密碼字典

該種生物的每個細胞中都有這本字典。

為什么基因只有在它應該發(fā)揮作用的細胞內和應該發(fā)揮作用的時間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?

結論：必然有一個基因調控系統(tǒng)在發(fā)揮作用?；蛘{控主要在三個水平上進行：①.DNA水平；②.轉錄水平（最主要、最經(jīng)濟有效）；③.翻譯水平。第二十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學30

一、原核生物的基因調控：第三十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學31

無論是真核生物還是原核生物，其轉錄調節(jié)都涉及到調控蛋白和DNA元件的相互作用，而小分子等可以調節(jié)二者的相互作用。1.順式作用元件：

是DNA上一段序列，只能調控同一條DNA序列上的基因。2.反式作用因子：調控蛋白可以自由地結合到其相應的多個靶標上。㈠、轉錄水平的調控:第三十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學32第三十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學33負調控：細胞中阻遏物阻止基因轉錄過程的調控機制。

阻遏物與DNA分子結合阻礙RNA聚合酶轉錄使基因處于關閉狀態(tài)；正調控：細胞中激活子激活基因轉錄過程的調控機制。

誘導物通常與蛋白質結合

形成一種激活子復合物

與基因啟動子DNA序列結合

激活基因起始轉錄

使基因處于表達的狀態(tài)。第三十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一誘導作用（induction）：應答某種特定物質的出現(xiàn)而合成特定酶的過程。阻遏作用（repression）：應答某種特定物質的出現(xiàn)而關閉特定酶的合成過程。。如果某種小分子能夠促使細菌產(chǎn)生酶，這種小分子物質就叫做誘導物（inducer），它一般是酶作用的底物。如果某種小分子能夠阻止細菌產(chǎn)生酶，這種小分子物質就叫做輔阻遏物（corepressor），它一般是酶所催化合成的產(chǎn)物。第三十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學35第三十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學36Figure

11.3

Controlcircuitsareversatileandcanbedesignedtoallowpositiveornegativecontrolofinductionorrepression.第三十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學37

正調控與負調控并非互相排斥的兩種機制，而是生物體適應環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調控又有負調控；

原核生物以負調控為主，真核生物以正調控為主；

降解代謝途徑中既有正調控又有負調控；合成代謝途徑中一般以負調控來控制產(chǎn)物自身的合成。第三十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學38㈡、乳糖操縱元：

1.乳糖操縱元模型：

1961年，雅各布（JacobF.）和莫諾（MonodJ.）的操縱元模型：操縱元：細菌的主要基因調控單位，也就是轉錄單位。如：大腸桿菌乳糖代謝的調控需要三種酶參加：

①.-半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；

②.滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖；③.轉乙酰酶：

-半乳糖轉變成乙酰半乳糖。

大量乳糖時：大腸桿菌三種酶的數(shù)量急劇增加，幾分鐘即可達到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加；

乳糖消耗完：這三種酶的合成也即同時停止。第三十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學392.乳糖操縱元的負調控：①.乳糖操縱元組成部分；②.野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),

無乳糖時，基因不表達；③.野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),

有乳糖時，基因表達；④.抑制基因突變(I－O+Z+Y+A+),

無乳糖時，基因組成型表達；⑤.操縱基因突變型(I＋OcZ+Y+A+),

無乳糖時，基因組成型表達。阻遏蛋白乳糖RNA聚合酶第三十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學403.乳糖操縱元存在的遺傳證據(jù)：

⑴.遺傳分析的三個基本假定：①.阻遏基因的產(chǎn)物是可以在細胞中擴散的反式調控元件；②.操縱子Ｏ是調控位點，不編碼蛋白；③.Ｏ

位點需緊鄰受其控制的結構基因，是順式調控元件；通過性導產(chǎn)生局部二倍體，可以進行遺傳驗證。第四十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學41⑵.阻遏蛋白的分離與鑒定：吉爾伯特（GilbertW.,1966）等利用阻遏蛋白超量表達突變型（regulatorQuantity，Iq）

分離出阻遏蛋白；

①.IPTG誘導Iq細胞，分離提取阻遏蛋白，用含有同位素標記的IPTG溶液透析，透析袋內外濃度不一樣

提取物中含有與IPTG結合的物質，純化分析證明具有蛋白特性。IPTG乳糖類似物第四十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學42②.沉降分析：

帶有l(wèi)acO序列的λDNA沉降系數(shù)為40S；阻遏蛋白復合物：沉降系數(shù)為7S；阻遏蛋白復合物(同位素標記)+λDNA序列：超速梯度沉降分析有同位標記的沉降系數(shù)為40S。③.序列特異結合：阻遏蛋白只與正常的乳糖操縱子（lacO）序列結合，而不與lacOc

的序列結合。第四十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學43⑶.蛋白的結晶分析：

劉毅斯（LewisM.，1996

)等成功地測定了阻遏蛋白的晶體結構，與誘導物以及與DNA

序列結合的結構。

阻遏蛋白：

360個氨基酸；

功能蛋白：

同聚四聚體。第四十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學44操縱元調控位點的精細分析：第四十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學454.乳糖操縱元的正調控：

當有乳糖存在時，操縱子開啟，基因進行表達。

當既有大量半乳糖又有葡萄糖時，基因表達將會怎樣？

基因不表達，存在新的調節(jié)因子來控制乳糖操縱子開啟，這個因子的活性與葡萄糖有關。

葡萄糖可使腺苷酸環(huán)化酶活性降低；而腺苷酸環(huán)化酶能將ATP轉變成cAMP。第四十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

cAMP又與代謝激活蛋白(cataboliteactivatingprotein,CAP)結合形成cAMP-CAP復合物，作為lac操縱子正調控因子。當cAMP-CAP復合物二聚體插入到lac特異啟動子序列時使DNA構型發(fā)生變化，而RNA聚酶與該新構型的DNA結合緊密，轉錄效率高。葡萄糖抑制操縱子的原理：

葡萄糖

腺苷酸環(huán)化酶活性降低

ATP無法轉變成cAMP

不能形成CAP-cAMP復合蛋白

RNA酶無法結合在DNA上

基因不表達。第四十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學47第四十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學48第四十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學49㈢、色氨酸操縱元：

1．色氨酸操縱元模型：

由雅各布（JacobF.）和莫諾（MonodJ.）提出，典型的合成代謝途徑操縱元模型。操縱元：包括色氨酸合成有關的5種酶的結構基因；

大量色氨酸時：大腸桿菌5種酶的轉錄同時受到抑制；

色氨酸不足時：這５種酶的基因開始轉錄；

色氨酸：作為輔阻遏物而不是誘導物參與調控結構基因的轉錄?！鄑rp操縱元是一個典型的可阻遏操縱元模型(repressible

operon)。第四十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一色氨酸操縱元模型結構：5種結構基因：trpE、D、C、B、A；調控結構：啟動子、操縱子、前導序列、衰減子/弱化子；阻遏物trpR基因：與trp操縱元相距較遠；第五十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學512.色氨酸操縱元的負調控：

⑴.阻遏調控：

trpR基因編碼無輔基阻遏物

與色氨酸結合

形成有活性的色氨酸阻遏物

與操縱子結合

阻止轉錄；

色氨酸不足：阻遏物三維空間結構發(fā)生變化

，不能與操縱子結合，操縱元開始轉錄；

色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結合，空間結構發(fā)生變化，可與操縱子結合，阻止轉錄。

色氨酸操縱元的阻遏調控能力較低，還需其他的調控途徑補充。第五十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學52⑵.弱化子調控：弱化作用/衰減作用

當有色氨酸存在而trp操縱元受抑制時，仍有一段前導序列發(fā)生轉錄，可能存在另一種的機制來抑制trp操縱元的轉錄？色氨酸高濃度存在時，轉錄的前導序列140bp長，其中有一28bp的弱化子區(qū)域；形成發(fā)夾結構，為內部終止子，RNA酶從DNA上脫落；

色氨酸低濃度或不存在時，RNA聚合酶能通過弱化子區(qū)域，轉錄完整的多順反子mRNA序列；

問題：弱化子如何進行調控？第五十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一前導序列可翻譯出一段14個氨基酸的短肽，在該短肽的第10、11位置上是兩個色氨酸密碼子；兩個密碼子之后是一段mRNA序列，該序列可分為四個區(qū)段，區(qū)段間可互補配對，形成不同的二級結構。第五十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學54原核生物為邊轉錄邊翻譯，前導序列中核糖體位置決定形成哪種二級結構從而決定弱化子是否可形成終止信號。

①.當有色氨酸時，完整翻譯短肽

核糖體停留在終止密碼子處，鄰近區(qū)段2位置

阻礙了2,3配對

使3,4區(qū)段配對形成發(fā)夾結構終止子

RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動。第五十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一②.如缺乏色氨酸，核糖體到達色氨酸密碼子時

由于沒有色氨酰tRNA的供應

停留在該密碼子位置，位于區(qū)段1

使區(qū)段2與區(qū)段3配對

區(qū)段4無對應序列配對呈單鏈狀態(tài)

RNA聚合酶通過弱化子，繼續(xù)向前移動，轉錄出完整的多順反子序列。第五十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一蘇氨酸在前導肽中有8個蘇氨酸密碼子存在，組氨酸則有7個組氨酸密碼子存在，核糖體停留在這些位置時，弱化子不產(chǎn)生發(fā)夾結構，結構基因開始轉錄。

細菌弱化子的作用是許多關鍵氨基酸生物合成所共有的一種調控機制；在蘇氨酸、組氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸等操縱元的前導肽中均有弱化子存在，具有多個相應氨基酸密碼子供核糖體停留。第五十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學57（四）、翻譯水平的調控：

①.反饋調控機制(feedbackregulation)：大腸桿菌核糖體蛋白合成的自我調控：

E.coli有

7個參與核糖體蛋白合成的操縱元結構

轉錄的各種mRNA都可與同一操縱元編碼的核糖體蛋白識別結合；如果其中有一種核糖體蛋白過量累積，它們將與其自身的mRNA結合阻止進一步翻譯。

結合位點：

起始密碼子序列、Shine-Dalgarno序列（mRNA翻譯起始信號上游的一段5’-AGGAGGU-3’保守序列，與16SrRNA3’端保守序列互補配對）。第五十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學58Figure

11.18

Translationofther-proteinoperonsisautogenouslycontrolledandrespondstothelevelofrRNA.第五十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學59②.反義RNA(antisenseRNA)的調控：

原核生物中mRNA的翻譯（轉錄后）也受反義RNA的調控。

作用機制：反義RNA與mRNA的5’

端非翻譯區(qū)UTR片段互補配對，使mRNA不能有效地與核糖體結合；在其他區(qū)域形成雙鏈，改變構象。真核中也可阻止RNA的轉錄或加工。

真核細胞中導入反義RNA基因

控制真核生物基因表達。如將乙烯形成酶基因的反義RNA導入番茄，延長了番茄常溫貯藏期。第五十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學60Figure

11.16Secondarystructurecancontrolinitiation.OnlyoneinitiationsiteisavailableintheRNAphage,buttranslationofthefirstcistronchangestheconformationoftheRNAsothatotherinitiationsite(s)becomeavailable.③.RNA二級結構的調控：第六十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學61

二、真核生物的基因表達調控第六十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一真核生物與原核生物的調控差異第六十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學63真核生物與原核生物的調控差異1.調控目標不同。原核：適應外界環(huán)境。真核：適應內外環(huán)境、個體發(fā)育、組織器官分化。2.細胞和基因組結構不同。原核：無核膜，轉錄和翻譯同時進行；基因組是近于裸露的DNA，基因組小，重復序列少；真核：有核膜，細胞核與細胞質分開，轉錄和翻譯分開進行（剪接）；基因組為多級螺旋結構的染色體（染色質結構的變化）；基因組大，重復序列多（拷貝數(shù)）。3.協(xié)同調控的主要方式不同。原核：操縱元調控；真核：調節(jié)蛋白對多個分散位點的調控，存在同一染色體上不同基因間的調控，也存在不同染色體之間的基因調控。

真核生物基因調控遠比原核生物復雜，包括染色質水平、DNA水平、轉錄水平和翻譯水平的調控。第六十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學64（一）染色質水平的調控1.異染色質化：

真核生物可改變染色體某一區(qū)域異染色質化程度而控制基因的表達。

功能性異染色質指在某些特定的細胞中，或在一定的發(fā)育時期和生理條件下凝聚，由常染色質變成異染色質。

人類巴氏小體（箭頭）：

女性的一個X染色體異染色質化關閉其上攜帶基因的表達。劑量補償?shù)诹捻摚簿攀唔?，編輯?023年，星期一東北農業(yè)大學652.組蛋白修飾和非組蛋白的作用

組蛋白的修飾作用包括甲基化、乙酰基化和磷酸化，其中最主要的方式是賴氨酸殘基上的氨基乙?；＝M蛋白的作用本質是真核基因調節(jié)的負控制因子。非組蛋白數(shù)量多，并具有組織特異性，表明非組蛋白在基因表達的調節(jié)、細胞分化的控制以及生物的發(fā)育中起很重要的作用。3.核基質結合區(qū)（matrixassociationregion,MAR）

或稱為骨架附著區(qū)（scaffoldattachedregion,SAR）第六十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一Figure

21.36

Domainsmaypossessthreetypesofsites:insulatorstopreventeffectsfromspreadingbetweendomains;MARstoattachthedomaintothenuclearmatrix;andLCRsthatarerequiredforinitiationoftranscription.Anenhancermayactonmorethanonepromoterwithinthedomain.第六十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學67

1.基因劑量與基因擴增：

①.拷貝數(shù)增加：如合成大量組蛋白用于形成染色質，多數(shù)細胞具有數(shù)百個蛋白基因拷貝；

②.基因擴增：兩棲動物卵母細胞大小是正常體細胞的一百萬倍，需要合成大量蛋白質，所以需要大量核糖體。rRNA基因通過形成大量小環(huán)及復制滾環(huán)，數(shù)目臨時增加了4000倍，600→2×106。（二）、DNA水平的調控第六十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學68基因重排：是指DNA分子核苷酸序列的重新排列。

哺乳動物一般可產(chǎn)生106種抗體分子，比整個基因組基因數(shù)目還多，人類的抗體基因約有

300個，為什么？抗體分子結構：

重鏈H：440個氨基酸；

輕鏈L：220個氨基酸。

重鏈和輕鏈：

由變異區(qū)V和非變異區(qū)C組成；均由二硫鍵連接。第六十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學69抗體基因的結構：重鏈包括4個片段：（人類第14號染色體上）

86個重鏈變異區(qū)段(VH)；30個多樣區(qū)片段(D)；

9個連接區(qū)片段(J)；11個恒定區(qū)片段(C)；輕鏈有3個片段；

(第2號和第22號染色體上)輕鏈變異區(qū)(VL)；連接區(qū)(J)；恒定區(qū)(C)；第六十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學70

所有的抗體并不是由一個完整的基因來編碼，而是由不同的基因片段經(jīng)重排連接而成的。隨著B淋巴細胞發(fā)育，基因組中抗體基因在DNA水平發(fā)生重排，形成編碼抗體的完整基因，一個淋巴細胞只有一種組合的抗體基因。

由于抗體基因重排中各個片段間的隨機組合，因此

300個抗體基因產(chǎn)生

108種抗體。第七十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一3.DNA甲基化：在真核生物中，少數(shù)胞嘧啶在C5的位置上的H被甲基所取代，發(fā)生甲基化后的胞嘧啶仍可滲入復制的DNA中。甲基化酶可識別一條鏈上半甲基化，使另一條鏈也甲基化。

CG序列中發(fā)生甲基化的頻率較高，許多真核生物基因的5’端非編碼序列富含CG序列，為甲基化提供位點。甲基化可降低轉錄效率。第七十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學72一些基因在所有細胞中都呈現(xiàn)活躍狀態(tài)，為組成型表達，稱為看家基因(housekeepinggene)。另一些基因則在不同細胞或組織中呈現(xiàn)高度表達，受到一定的調控，稱為特異表達基因。1.啟動子和轉錄因子：啟動子(promoter)：轉錄因子和RNA聚合酶的結合位點，位于基因上游某一固定位置，緊接轉錄起始點，是基因一個組成部分。轉錄因子(transcriptionfactor，TF)：

激活真核生物基因轉錄的一系列蛋白質。分為通用轉錄因子和激活子。（三）、轉錄水平的調控：第七十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學73啟動子結構（真核生物）：

TATA盒(TATAbox)：RNA酶識別并結合位點；

CAAT盒(CAATbox)：轉錄起始起重要作用；

GC盒(GCbox)：增強子作用。第七十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學742.轉錄強化子(增強子，transcriptionalenhancer)：

強化子：是真核生物基因轉錄中另一種順式調控元件，常位于啟動子上游700~1000bp處，離轉錄起始點較遠，可提高轉錄效率。轉錄強化子的存在，使基因轉錄只有在適宜轉錄因子存在時進行，并能對細胞內外的信號作出反應，可以滿足細胞分化的需要。第七十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學75強化子的功能：

①.與轉錄激活子結合，改變染色質構型；

②.使DNA彎曲形成環(huán)狀結構，使強化子與啟動子直接

接觸，以便使轉錄因子、轉錄激活子和

RNA聚合酶

一起形成轉錄復合體，利于轉錄反應，提高轉錄效率。第七十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學76

③.轉錄強化子可提高不同的啟動子的轉錄效率，同一時間里，一個強化子只與一個啟動子起作用，具體作用取決于啟動子與強化子競爭性互作。如：人血紅蛋白基因，控制胎兒γ鏈和成人β鏈兩基因共用同一個強化子，強化子與不同的啟動子結合導致不同的基因表達。第七十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學773.激活子：

兩個功能域：

①.

強化子結合的DNA結合區(qū)域(DNA-bindingdomain)；②.

轉錄復合體中的蛋白質互作的反式調控激活區(qū)域

(trans-activatingdomain)。

DNA結合域的三維構型(motif)：

①

α-螺旋－轉角－α-螺旋(helix-turn-helixHTH)；

②

鋅指(zincfinger)；

③

堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipperbZIP)。第七十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學78不能單獨折疊或與DNA結合，只是

DNA結合蛋白的一部分，構型以外的氨基酸在控制和識別DNA具有重要的作用；許多控制真核生物發(fā)育的基因都具有HTH構型，幾乎所有真核生物所具有的同型異位盒(homeobox)。α-螺旋－轉角－α-螺旋(HTH)：第七十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學79

鋅指結構：基因調控的轉錄因子存在于致癌基因、果蠅控制發(fā)育的基因、受生長因子和分化信號誘導合成的蛋白質序列中；鋅指區(qū)域：由二個Cys簇及二個His簇組成；保守序列Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His；

鋅指蛋白：2~13個手指，各由23氨基酸組成，并由7~8個氨基酸連接；與DNA大溝結合并環(huán)繞DNA分子，大溝與特異DNA堿基互作。第七十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)：

可形成蛋白質－蛋白質二聚體的亮氨酸拉鏈(leucinezipper，LP)；具有35個氨基酸殘基，其中有4個亮氨酸，每隔7個氨基酸出現(xiàn)一次，形成α-螺旋時，每兩圈伸出一個亮氨酸，由亮氨酸殘基間的疏水作用力形成一條拉鏈，產(chǎn)生蛋白質二聚體；堿性α-螺旋與DNA磷酸殘基和堿基互作，二聚體

剪刀結構。第八十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一yeastone&twohybridassay第八十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一Figure

22.12

Theactivityofaregulatorytranscriptionfactormaybecontrolledbysynthesisofprotein,covalentmodificationofprotein,ligandbinding,orbindingofinhibitorsthatsequestertheproteinoraffectitsabilitytobindtoDNA.第八十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學83酵母菌半乳糖代謝的正調控（蛋白質之間相互作用）：圖18-40

第八十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學84第八十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學85激素誘導模式：

真核生物內的調控信號來自體內激素，這些可擴散的物質稱反式作用因子。第八十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學864.選擇性啟動子：

有些真核生物基因具有兩個或兩個以上的啟動子用于在不同的細胞中表達，具有獨立的轉錄調控（不同的啟動子可產(chǎn)生不同的初級轉錄產(chǎn)物和相同的蛋白質編碼序列）。

如果蠅的乙醇脫氫酶基因分別具有幼蟲和成蟲啟動子。

第八十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一5.選擇性mRNA切割：

同一初級轉錄產(chǎn)物在不同的細胞中用不同方式進行切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使蛋白質含量或組成上都可能不同。例，老鼠的α－淀粉酶基因，肝臟和腺體中的不同切割，外顯子Ｓ和Ｌ分別成為腺體和肝臟mRNA的前導序列，形成不同mRNA以不同的速率翻譯成蛋白質。第八十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一東北農業(yè)大學88㈢、翻譯水平的調控：

1.翻譯多肽過程的調控：

真核生物的許多組織或細胞中，經(jīng)轉錄的mRNA受抑制不能翻譯成多肽，以失活的狀態(tài)貯存。如植物種子在發(fā)芽的早期階段，雖沒有mRNA的合成，但有蛋白質的合成。海膽卵內mRNA在受精前不能進行翻譯，受精后的蛋白質合成速率猛增。