第五章基因的表達調(diào)控

1、 基因的表達調(diào)控基因的表達調(diào)控Regulation of gene expression第五章第五章基因表達基因表達 (gene expression) 儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟，表現(xiàn)其生儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟，表現(xiàn)其生物功能的整個過程。物功能的整個過程。 基因轉(zhuǎn)錄，翻譯，蛋白質(zhì)的加工、組裝基因轉(zhuǎn)錄，翻譯，蛋白質(zhì)的加工、組裝基因調(diào)控基因調(diào)控 (Gene Regulation) 對基因表達進行調(diào)節(jié)的過程對基因表達進行調(diào)節(jié)的過程DNARNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)復(fù)制復(fù)制轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄R N A復(fù)復(fù) 制制基因表達調(diào)控（基因表達調(diào)控（gene regulation, gene c

2、ontrol） 決定細胞表型和性狀表現(xiàn)決定細胞表型和性狀表現(xiàn)重要性重要性動物個體正常生長、發(fā)育和適應(yīng)環(huán)境的基礎(chǔ)動物個體正常生長、發(fā)育和適應(yīng)環(huán)境的基礎(chǔ)細胞分化是受控表達或選擇表達的結(jié)果細胞分化是受控表達或選擇表達的結(jié)果具有時空性具有時空性 原核生物基因表達調(diào)控原核生物基因表達調(diào)控: 簡單簡單 清楚清楚 真核生物基因表達調(diào)控真核生物基因表達調(diào)控: 復(fù)雜復(fù)雜 部分清楚、部分有待研究部分清楚、部分有待研究5.1 原核生物的基因表達調(diào)控原核生物的基因表達調(diào)控5.1.1 操縱子（操縱子（operon）學(xué)說學(xué)說 操縱子（操縱元）：原核生物染色體上一操縱子（操縱元）：原核生物染色體上一組連續(xù)排列、協(xié)調(diào)表達、功

3、能相關(guān)的基因。組連續(xù)排列、協(xié)調(diào)表達、功能相關(guān)的基因。 是基因表達和調(diào)控的一個完整單元，包括是基因表達和調(diào)控的一個完整單元，包括結(jié)構(gòu)基因，調(diào)節(jié)基因，操作子和啟動子。結(jié)構(gòu)基因，調(diào)節(jié)基因，操作子和啟動子。 Operon is a complete unit of bacterial gene expression and regulation, including structural genes, regulator genes, and control elements in DNA recognized by regulator gene products. 操縱子模型的提出操縱子模型的提出1

4、961年，年，Monod和和Jacob提出提出,獲獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎.Francis Jacob Jacques Monod 操縱子轉(zhuǎn)錄、翻譯出的蛋白質(zhì)常是在一個代謝途徑中操縱子轉(zhuǎn)錄、翻譯出的蛋白質(zhì)常是在一個代謝途徑中催化不同反應(yīng)步驟的酶；催化不同反應(yīng)步驟的酶； 操縱子轉(zhuǎn)錄的頻率隨著細胞生長環(huán)境不同而改變；操縱子轉(zhuǎn)錄的頻率隨著細胞生長環(huán)境不同而改變； 操縱子分為結(jié)構(gòu)區(qū)和調(diào)控區(qū)兩部分操縱子分為結(jié)構(gòu)區(qū)和調(diào)控區(qū)兩部分: 調(diào)控區(qū)包括聚合酶結(jié)合的啟動基因（調(diào)控區(qū)包括聚合酶結(jié)合的啟動基因（promoter,P）、）、與與阻遏蛋白結(jié)合的操縱基因（阻遏蛋白結(jié)合的操縱基因（o

5、perator, O）、）、與激活蛋白結(jié)與激活蛋白結(jié)合的位點。合的位點。操縱子特性：操縱子特性：操縱子基本結(jié)構(gòu)操縱子基本結(jié)構(gòu)乳糖操縱子基本結(jié)構(gòu)乳糖操縱子基本結(jié)構(gòu)5.1.2 操縱子調(diào)控系統(tǒng)操縱子調(diào)控系統(tǒng) 依沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在情況下，操縱元對依沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在情況下，操縱元對新加入的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)響應(yīng)來劃分：新加入的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)響應(yīng)來劃分： 正控制系統(tǒng)正控制系統(tǒng) （positive control） 負控制系統(tǒng)負控制系統(tǒng) （negative control） 正控制系統(tǒng)（正控制系統(tǒng)（positive control） 在無調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因關(guān)閉，加入調(diào)節(jié)蛋白后在無調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因關(guān)閉，加入調(diào)節(jié)蛋

6、白后基因活性被開啟。基因活性被開啟。 調(diào)節(jié)蛋白稱為無輔基誘導(dǎo)蛋白（調(diào)節(jié)蛋白稱為無輔基誘導(dǎo)蛋白（apoinducer），也，也叫叫激活蛋白激活蛋白（activator protein）。）。 負控制系統(tǒng)（負控制系統(tǒng)（negative control） 在無調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在無調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因表達，加入調(diào)在時基因表達，加入調(diào)節(jié)蛋白后基因表達活性節(jié)蛋白后基因表達活性被關(guān)閉。被關(guān)閉。 調(diào)節(jié)蛋白稱為調(diào)節(jié)蛋白稱為阻遏阻遏蛋白蛋白（repressor）。Note:Note: “關(guān)閉關(guān)閉”并不是絕對的，是指基因表達量很低，并不是絕對的，是指基因表達量很低，但還殘留著本底水平的表達；但還殘留著本底水平的表達；

7、“負控制負控制”在生物體中普遍存在，提供了在生物體中普遍存在，提供了“萬萬一一”保安機制。保安機制。 阻遏蛋白：活性，無活性阻遏蛋白：活性，無活性 激活蛋白：活性，無活性激活蛋白：活性，無活性 根據(jù)操縱子對調(diào)控蛋白及小分子調(diào)節(jié)物的應(yīng)根據(jù)操縱子對調(diào)控蛋白及小分子調(diào)節(jié)物的應(yīng)答反應(yīng)性質(zhì)，分為：答反應(yīng)性質(zhì)，分為： 可誘導(dǎo)的操縱元（可誘導(dǎo)的操縱元（inducible operon） 可阻遏的操縱元（可阻遏的操縱元（repressible operon） 關(guān)閉基因的轉(zhuǎn)錄活性，這種過程稱為阻關(guān)閉基因的轉(zhuǎn)錄活性，這種過程稱為阻遏（遏（repression）。）。小分子調(diào)節(jié)物：輔阻遏物（小分子調(diào)節(jié)物：輔阻遏物（

8、Corepressor） 開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性，這種過程稱為誘導(dǎo)開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性，這種過程稱為誘導(dǎo)（induction）。）。小分子調(diào)節(jié)物：小分子調(diào)節(jié)物：誘導(dǎo)物（誘導(dǎo)物（Inducer）可誘導(dǎo)操縱元可誘導(dǎo)操縱元抑制抑制誘導(dǎo)誘導(dǎo)基因表達調(diào)控的四種基本模式基因表達調(diào)控的四種基本模式InductionInducerInducerPositive controlNegative control負控誘導(dǎo)系統(tǒng)負控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)Negative controlPositive controlRepressionCorepressorCorepressor負控阻遏系統(tǒng)負控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)

9、正控阻遏系統(tǒng)5.1.3 乳糖操縱子（乳糖操縱子（lactose operon）現(xiàn)象現(xiàn)象:（分解底物的酶只有在底物存在時才出現(xiàn)）（分解底物的酶只有在底物存在時才出現(xiàn)）大腸桿菌培養(yǎng)皿中只有葡萄糖時，乳糖分解酶很少產(chǎn)生大腸桿菌培養(yǎng)皿中只有葡萄糖時，乳糖分解酶很少產(chǎn)生加入乳糖后，乳糖分解酶大量產(chǎn)生加入乳糖后，乳糖分解酶大量產(chǎn)生 撤去乳糖后，乳糖分解酶迅速消失撤去乳糖后，乳糖分解酶迅速消失問題：問題：乳糖與乳糖分解酶的關(guān)系？乳糖與乳糖分解酶的關(guān)系？乳糖的角色？（誘導(dǎo)）乳糖的角色？（誘導(dǎo)）調(diào)控基因調(diào)控基因: I 啟動基因啟動基因: P操縱基因操縱基因: O 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因: Z、Y、A乳糖、葡萄糖為調(diào)控

10、信號，分別對阻遏蛋白和激活蛋白乳糖、葡萄糖為調(diào)控信號，分別對阻遏蛋白和激活蛋白作用而啟動調(diào)控裝置；作用而啟動調(diào)控裝置；只有在乳糖存在而葡萄糖缺乏時才能有效表達。只有在乳糖存在而葡萄糖缺乏時才能有效表達。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu):乳糖操縱子基本結(jié)構(gòu)乳糖操縱子基本結(jié)構(gòu)IPOZYan 只有葡萄糖存在時只有葡萄糖存在時 阻遏蛋白結(jié)合在阻遏蛋白結(jié)合在O上，關(guān)閉所控制的操縱子，上，關(guān)閉所控制的操縱子，阻止結(jié)合在啟動基因阻止結(jié)合在啟動基因P上的上的RNA聚合酶作用，聚合酶作用，使結(jié)構(gòu)基因處于抑止狀態(tài)。使結(jié)構(gòu)基因處于抑止狀態(tài)。誘導(dǎo)操縱系統(tǒng)的控制誘導(dǎo)操縱系統(tǒng)的控制n存在乳糖而無葡萄糖時存在乳糖而無葡萄糖

11、時 乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白構(gòu)象改變，乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白構(gòu)象改變，不能結(jié)合到不能結(jié)合到O上，打開操縱子開關(guān)。上，打開操縱子開關(guān)。 乳糖操縱子為一個可誘導(dǎo)的負控制系統(tǒng)乳糖操縱子為一個可誘導(dǎo)的負控制系統(tǒng)乳糖操縱子為一個可誘導(dǎo)的負控制系統(tǒng)乳糖操縱子為一個可誘導(dǎo)的負控制系統(tǒng) ! + + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高，濃度高，促進轉(zhuǎn)錄促進轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低，濃度低，不促進轉(zhuǎn)錄不促進轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控的正調(diào)控 缺少葡萄糖，使缺少葡萄糖，使CAP濃度增高，與濃度增高，與cAMP形成

12、復(fù)形成復(fù)合物，與合物，與CAP位點結(jié)合，開放聚合酶通道，活化結(jié)位點結(jié)合，開放聚合酶通道，活化結(jié)構(gòu)基因，開始大量轉(zhuǎn)錄。構(gòu)基因，開始大量轉(zhuǎn)錄。CAP-binding site is an inverted repeatn 乳糖與葡萄糖均存在時乳糖與葡萄糖均存在時 倘若有葡萄糖存在時，細菌優(yōu)先選擇葡萄糖供應(yīng)能倘若有葡萄糖存在時，細菌優(yōu)先選擇葡萄糖供應(yīng)能量。葡萄糖通過降低量。葡萄糖通過降低 cAMP濃度，阻礙濃度，阻礙cAMP與與CAP結(jié)結(jié)合而抑制乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄，使細菌只能利用葡萄糖。合而抑制乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄，使細菌只能利用葡萄糖。 在沒有葡萄糖而只有乳糖的條件下，阻遏蛋白與在沒有葡萄糖而只有乳糖的條件

13、下，阻遏蛋白與 O序列解聚，序列解聚，CAP結(jié)合結(jié)合cAMP后與乳糖操縱子的后與乳糖操縱子的CAP位點位點結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄，使得細菌利用乳糖作為能量來源。結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄，使得細菌利用乳糖作為能量來源。 由于由于Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱元轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同操縱元轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有時有CAP來加強轉(zhuǎn)錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用來加強轉(zhuǎn)錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。乳糖。 CABA: RNA polymeraseB: lac repressor C: CAP-c

14、AMPSummarySummary5.1.4 色氨酸操縱子（色氨酸操縱子（trp operon現(xiàn)象現(xiàn)象: (合成底物的酶只有在底物缺少情況下才出現(xiàn)）合成底物的酶只有在底物缺少情況下才出現(xiàn)）大腸桿菌培養(yǎng)基中無色氨酸，色氨酸合成酶出現(xiàn)大腸桿菌培養(yǎng)基中無色氨酸，色氨酸合成酶出現(xiàn)大腸桿菌培養(yǎng)基中加入色氨酸，色氨酸合成迅速停止大腸桿菌培養(yǎng)基中加入色氨酸，色氨酸合成迅速停止問題：問題：色氨酸與色氨酸合成酶的關(guān)系？色氨酸與色氨酸合成酶的關(guān)系？色氨酸的角色？（輔阻遏物）色氨酸的角色？（輔阻遏物）色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)調(diào)控基因：調(diào)控基因：trp R調(diào)調(diào) 控控 區(qū)：區(qū)：trpP, trpO, trp

15、L結(jié)構(gòu)基因：結(jié)構(gòu)基因：trpE, trpD, trpC, trpB, trpAtrpRtrp色氨酸操縱子色氨酸操縱子The trp operon encodes five structural genes required for tryptophan synthesis. 缺乏色氨酸時，阻遏蛋白無活性，不能結(jié)合于操縱區(qū)，缺乏色氨酸時，阻遏蛋白無活性，不能結(jié)合于操縱區(qū)，操縱子處于活化狀態(tài)，可轉(zhuǎn)錄生成操縱子處于活化狀態(tài)，可轉(zhuǎn)錄生成mRNA阻遏操縱系統(tǒng)的控制阻遏操縱系統(tǒng)的控制 存在色氨酸時，阻遏蛋白與其結(jié)合，變?yōu)橛谢钚缘拇嬖谏彼釙r，阻遏蛋白與其結(jié)合，變?yōu)橛谢钚缘淖瓒舻鞍?，抑止操縱子的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋

16、白，抑止操縱子的轉(zhuǎn)錄。色氨酸充當(dāng)輔阻遏物（色氨酸充當(dāng)輔阻遏物（corepressor）色氨酸操縱子為一個可阻遏的負控制系統(tǒng)色氨酸操縱子為一個可阻遏的負控制系統(tǒng)衰減子系統(tǒng)更為精細的調(diào)控系統(tǒng)衰減子系統(tǒng)更為精細的調(diào)控系統(tǒng)現(xiàn)現(xiàn) 象象：乳糖操縱元中，阻遏狀態(tài)下合成為誘導(dǎo)狀態(tài)下的乳糖操縱元中，阻遏狀態(tài)下合成為誘導(dǎo)狀態(tài)下的1/1000色氨酸操縱元中，阻遏狀態(tài)下合成為除色氨酸操縱元中，阻遏狀態(tài)下合成為除阻遏阻遏狀態(tài)下的狀態(tài)下的1/700說說 明明：色氨酸操縱元阻遏效率低色氨酸操縱元阻遏效率低需要另一個控制系統(tǒng)（衰減子）來輔助需要另一個控制系統(tǒng)（衰減子）來輔助無色氨酸：無色氨酸：RNA聚合酶可以通過衰減子聚合酶

17、可以通過衰減子有色氨酸：一部分有色氨酸：一部分RNA聚合酶聚合酶逃過阻遏蛋白監(jiān)督逃過阻遏蛋白監(jiān)督而開而開始轉(zhuǎn)錄，但其中大部分在始轉(zhuǎn)錄，但其中大部分在衰減子衰減子處被扣留，只有約處被扣留，只有約10通通過過n 衰減子的結(jié)構(gòu)衰減子的結(jié)構(gòu)衰減子（衰減子（attenuator）：）：一個受到翻譯控制的轉(zhuǎn)一個受到翻譯控制的轉(zhuǎn)錄終止子結(jié)構(gòu)。錄終止子結(jié)構(gòu)。特特 征：征： 色氨酸色氨酸mRNA前導(dǎo)（前導(dǎo)（leader）序列中有一個編碼）序列中有一個編碼14個氨基酸的開放閱讀框架，其中存在兩個連續(xù)的色氨個氨基酸的開放閱讀框架，其中存在兩個連續(xù)的色氨酸密碼子；酸密碼子； 在下游相隔在下游相隔42個堿基處，存在一個

18、不依賴個堿基處，存在一個不依賴 因子因子的終止子結(jié)構(gòu)（衰減子序列）的終止子結(jié)構(gòu)（衰減子序列）作作 用：用：提前終止轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達提前終止轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達14AA-43bp-終止密碼子終止密碼子衰減子的結(jié)構(gòu)衰減子的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點前，存在前導(dǎo)序列結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點前，存在前導(dǎo)序列衰減子的結(jié)構(gòu)衰減子的結(jié)構(gòu)色氨酸供應(yīng)短缺，基因活化色氨酸供應(yīng)短缺，基因活化色氨酸過剩，色氨酸與阻遏因子結(jié)合，抑制基因轉(zhuǎn)錄色氨酸過剩，色氨酸與阻遏因子結(jié)合，抑制基因轉(zhuǎn)錄 色氨酸的衰減子色氨酸的衰減子“第二道防線第二道防線”summary 5.2 真核生物的基因表達調(diào)控真核生物的基因表達調(diào)控真核生物基因組的特點真

19、核生物基因組的特點: 在真核細胞中，一條成熟的在真核細胞中，一條成熟的mRNA鏈只能翻譯出鏈只能翻譯出一條多肽鏈，不存在原核生物中常見的多基因操縱一條多肽鏈，不存在原核生物中常見的多基因操縱子形式。子形式。 真核細胞真核細胞DNADNA都與組蛋白和大量非組蛋白相結(jié)合，都與組蛋白和大量非組蛋白相結(jié)合，只有一小部分只有一小部分DNADNA是裸露的。是裸露的。 高等真核細胞高等真核細胞DNADNA中很大部分是不轉(zhuǎn)錄的，大部分中很大部分是不轉(zhuǎn)錄的，大部分真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內(nèi)含子。真核細胞的基因中間還存在不被翻譯的內(nèi)含子。 真核生物能夠有序地根據(jù)生長發(fā)育階段的需要進真核生物能夠有序地根據(jù)

20、生長發(fā)育階段的需要進行行DNADNA片段重排，還能在需要時增加細胞內(nèi)某些基因片段重排，還能在需要時增加細胞內(nèi)某些基因的拷貝數(shù)。的拷貝數(shù)。 真核生物的真核生物的RNA在細胞核中合成，只有經(jīng)轉(zhuǎn)運在細胞核中合成，只有經(jīng)轉(zhuǎn)運穿過核膜，到達穿過核膜，到達細胞質(zhì)細胞質(zhì)后，才能被翻譯成蛋白質(zhì)，后，才能被翻譯成蛋白質(zhì)，原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。原核生物中不存在這樣嚴格的空間間隔。 許多真核生物的基因只有經(jīng)過復(fù)雜的許多真核生物的基因只有經(jīng)過復(fù)雜的成熟和剪成熟和剪接過程接過程（maturation and splicing），才能順利地），才能順利地翻譯成蛋白質(zhì)。翻譯成蛋白質(zhì)。Very importan

21、t！5.2.1 染色體水平的基因表達調(diào)控染色體水平的基因表達調(diào)控染色質(zhì)染色質(zhì)(chromotin)：以雙鏈以雙鏈DNA作骨架作骨架與與組蛋白組蛋白（histone）和和非組蛋白非組蛋白(non-histone)等共同組成的等共同組成的絲狀結(jié)構(gòu)絲狀結(jié)構(gòu)的大分子物的大分子物質(zhì)。質(zhì)。 細胞間期細胞間期的染色體的染色體(chromosome)一、一、 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的修飾和重建染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的修飾和重建分類：分類：常染色質(zhì)（常染色質(zhì)（euchromotin）：壓縮程度低，染料著色淺而均）：壓縮程度低，染料著色淺而均勻。勻。 基因的活躍表達區(qū)域基因的活躍表達區(qū)域異染色質(zhì)異染色質(zhì)(heterochromatin)

22、：壓縮程度高，處于凝集狀態(tài)，：壓縮程度高，處于凝集狀態(tài)，染料著色較深的區(qū)域。染料著色較深的區(qū)域。 著絲粒、端粒、次縊痕著絲粒、端粒、次縊痕 真核生物染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。真核生物染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。 四種組蛋白（四種組蛋白（H2A, H2B, H3, H4）以八聚體形式形成核）以八聚體形式形成核心顆粒，心顆粒，DNA纏繞在顆粒表面，形成一個核小體。纏繞在顆粒表面，形成一個核小體。染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)核小體：核小體：組蛋白組蛋白: 染色質(zhì)活性的阻遏蛋白染色質(zhì)活性的阻遏蛋白組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferase, HAT） 供體：乙酰供體：

23、乙酰-COA， 受體：組蛋白受體：組蛋白N端端去乙酰化酶去乙?；?(histone deacetylase， HDAC)。乙?；阂阴；?促進基因的轉(zhuǎn)錄促進基因的轉(zhuǎn)錄去乙?；喝ヒ阴；夯蜣D(zhuǎn)錄沉默基因轉(zhuǎn)錄沉默l 組蛋白的乙?；腿ヒ阴；M蛋白的乙?；腿ヒ阴；痩 非組蛋白競爭性結(jié)合非組蛋白競爭性結(jié)合DNA改變核小體結(jié)構(gòu)，染色質(zhì)變成活化狀態(tài)，有利轉(zhuǎn)錄。改變核小體結(jié)構(gòu)，染色質(zhì)變成活化狀態(tài)，有利轉(zhuǎn)錄。低等生物，丟失基因低等生物，丟失基因高等生物，關(guān)閉無用基因，活化有用基因高等生物，關(guān)閉無用基因，活化有用基因二、二、 基因基因丟失丟失基因丟失基因丟失 某些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體某

24、些原生動物、線蟲、昆蟲和甲殼類動物在個體發(fā)育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，發(fā)育中，許多體細胞常常丟失掉整條或部分的染色體，只有將來分化產(chǎn)生生殖細胞的那些細胞一直保留著整只有將來分化產(chǎn)生生殖細胞的那些細胞一直保留著整套的染色體。套的染色體。 目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚目前，在高等真核生物（包括動物、植物）中尚未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象。未發(fā)現(xiàn)類似的基因丟失現(xiàn)象?；騺G失基因丟失 例如，有一種叫小麥癭蚊的昆蟲，卵裂時，只是例如，有一種叫小麥癭蚊的昆蟲，卵裂時，只是形成卵一端的細胞保持全部形成卵一端的細胞保持全部4040條染色體，這些細胞將條染色體，這些細胞將來形成生殖細

25、胞，而其他部位的細胞只保留來形成生殖細胞，而其他部位的細胞只保留8 8條染色條染色體。體。 馬蛔蟲卵裂的早期也發(fā)現(xiàn)有染色體丟失的現(xiàn)象。馬蛔蟲卵裂的早期也發(fā)現(xiàn)有染色體丟失的現(xiàn)象?；紫x胚胎發(fā)育過程中有蛔蟲胚胎發(fā)育過程中有27%DNA27%DNA的丟失的丟失, , 被丟掉的染被丟掉的染色體上的基因不可能再在某些體細胞中表達了，這種色體上的基因不可能再在某些體細胞中表達了，這種調(diào)控是不可逆的。調(diào)控是不可逆的。三、三、 基因擴增基因擴增特定基因大量增加，為滿足某種需要而在短期內(nèi)產(chǎn)特定基因大量增加，為滿足某種需要而在短期內(nèi)產(chǎn)生足夠基因產(chǎn)物生足夠基因產(chǎn)物基因擴增基因擴增 非洲爪蟾的卵母細胞在大量合成蛋白質(zhì)時

26、，細胞非洲爪蟾的卵母細胞在大量合成蛋白質(zhì)時，細胞中的中的rDNA的拷貝數(shù)目，可由平時的的拷貝數(shù)目，可由平時的15001500份急劇增加到份急劇增加到2 210106 6份，經(jīng)轉(zhuǎn)錄生成大量的核糖體份，經(jīng)轉(zhuǎn)錄生成大量的核糖體RNA(rRNA)，以，以滿足細胞大量合成蛋白質(zhì)的需要。這一基因擴增僅發(fā)滿足細胞大量合成蛋白質(zhì)的需要。這一基因擴增僅發(fā)生在卵母細胞中，當(dāng)胚胎期開始時，這些增加的生在卵母細胞中，當(dāng)胚胎期開始時，這些增加的rDNArDNA便失去功能并逐漸消失。便失去功能并逐漸消失。 四、基因重排四、基因重排 基因從遠離其啟動子的地方移動到距啟動子基因從遠離其啟動子的地方移動到距啟動子近的位點而被啟

27、動轉(zhuǎn)錄近的位點而被啟動轉(zhuǎn)錄; 調(diào)節(jié)表達基因的種類和活性，使不同組織和調(diào)節(jié)表達基因的種類和活性，使不同組織和器官的細胞產(chǎn)生不同的基因產(chǎn)物。器官的細胞產(chǎn)生不同的基因產(chǎn)物。基因重排基因重排 據(jù)推算哺乳動物能生成一百萬種以上的抗體，據(jù)推算哺乳動物能生成一百萬種以上的抗體，一種淋巴細胞又只能合成一種特異性的抗體，而人一種淋巴細胞又只能合成一種特異性的抗體，而人類基因組只有類基因組只有3 3萬多個基因，不可能由不同的基因來萬多個基因，不可能由不同的基因來編碼各種抗體，那么解釋免疫球蛋白多樣性就成為編碼各種抗體，那么解釋免疫球蛋白多樣性就成為一項重要的課題。一項重要的課題。 V V、C C和和J J基因片段

28、在胚胎細胞中相隔較遠。編碼產(chǎn)生免疫球蛋白的細胞發(fā)基因片段在胚胎細胞中相隔較遠。編碼產(chǎn)生免疫球蛋白的細胞發(fā)育分化時，通過染色體內(nèi)育分化時，通過染色體內(nèi)DNADNA重組把重組把4 4個相隔較遠的基因片段連接在一起，個相隔較遠的基因片段連接在一起，從而產(chǎn)生了具有表達活性的免疫球蛋白基因。從而產(chǎn)生了具有表達活性的免疫球蛋白基因。DNA的甲基化（的甲基化（Methylation）和去甲基化）和去甲基化5-mCpG-33-GpCm-5 甲基化甲基化導(dǎo)致甲基深入雙螺旋結(jié)構(gòu)大溝內(nèi)部，導(dǎo)致甲基深入雙螺旋結(jié)構(gòu)大溝內(nèi)部，使使DNA雙螺旋大溝過分擁擠，改變不同構(gòu)象間平衡；雙螺旋大溝過分擁擠，改變不同構(gòu)象間平衡；影響影

29、響DNA與結(jié)合蛋白相互作用，加強阻遏蛋白或降低激活蛋白與與結(jié)合蛋白相互作用，加強阻遏蛋白或降低激活蛋白與DNA結(jié)合。結(jié)合。 基因組印記基因組印記 去甲基化去甲基化促進轉(zhuǎn)錄的啟動。促進轉(zhuǎn)錄的啟動。5.2.2 DNA水平的基因表達調(diào)控水平的基因表達調(diào)控活表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)Epigenetics表觀基因組學(xué)表觀基因組學(xué)Epigenomics5.2.3 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控順式作用元件與反式作用因子順式作用元件與反式作用因子一、順式作用元件一、順式作用元件:真核生物的啟動子結(jié)構(gòu)真核生物的啟動子結(jié)構(gòu):RNA聚合酶聚合酶II的啟動子結(jié)構(gòu)的啟動子結(jié)構(gòu) TATA框框-75序列，序列， CAAT框框-

30、25序列序列, 決定轉(zhuǎn)錄起始點的選擇，決定轉(zhuǎn)錄起始點的選擇，關(guān)鍵區(qū)域的突變造成轉(zhuǎn)錄水平下降關(guān)鍵區(qū)域的突變造成轉(zhuǎn)錄水平下降n 增強子（增強子（enhancer） 遠距離調(diào)節(jié)啟動子以增加轉(zhuǎn)錄效率的遠距離調(diào)節(jié)啟動子以增加轉(zhuǎn)錄效率的DNA序列，序列，其增強作用與序列方向無關(guān)，與它在基因的上下游位置其增強作用與序列方向無關(guān)，與它在基因的上下游位置無關(guān)。無關(guān)。遠上游序列（遠上游序列（far upstream sequence），），在在-100以上以上增強子成分增強子成分（enhance element）增強子元（增強子元（enhanson）n 增強子的作用特點增強子的作用特點 1）增強轉(zhuǎn)錄效率十分明顯。

31、）增強轉(zhuǎn)錄效率十分明顯。10-200倍倍 2）位置不固定。）位置不固定。5上游，內(nèi)部，或上游，內(nèi)部，或3下游下游 3）不具有方向性。可雙向促進基因轉(zhuǎn)錄）不具有方向性?？呻p向促進基因轉(zhuǎn)錄 4）能以遠距離對啟動子產(chǎn)生影響。）能以遠距離對啟動子產(chǎn)生影響。 5）一般具有組織或細胞特異性，是特異蛋白的結(jié)合位點）一般具有組織或細胞特異性，是特異蛋白的結(jié)合位點 6）大多為重復(fù)序列，一般有核心序列）大多為重復(fù)序列，一般有核心序列 (G)TGGA/TA/TA/T(G)n 沉默子（沉默子（silencer）基因表達的負調(diào)控元件?；虮磉_的負調(diào)控元件。 作用方式與增強子相似。作用方式與增強子相似。n 絕緣子絕緣子(

32、insulator) 長約數(shù)百個核苷酸，通常位于啟動子與增強長約數(shù)百個核苷酸，通常位于啟動子與增強子或啟動子與沉默子之間，其明顯特征是能夠阻子或啟動子與沉默子之間，其明顯特征是能夠阻止染色質(zhì)的激活或阻遏作用。止染色質(zhì)的激活或阻遏作用。 5.2.4 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控n 可變剪接可變剪接（alternative splicing） 來自一個基因的來自一個基因的mRNA前體含有多個內(nèi)含子，前體含有多個內(nèi)含子，在個體發(fā)育或細胞分化時，某個內(nèi)含子在個體發(fā)育或細胞分化時，某個內(nèi)含子5的供點可在的供點可在特定條件下與另一個內(nèi)含子的特定條件下與另一個內(nèi)含子的3受點進行剪接，同受點進行剪接，同時

33、刪除時刪除2個內(nèi)含子及其中間的全部外顯子和內(nèi)含子。個內(nèi)含子及其中間的全部外顯子和內(nèi)含子。按不同方式對按不同方式對mRNA前體進行的剪接，前體進行的剪接，可能產(chǎn)生多個蛋白質(zhì)（可能產(chǎn)生多個蛋白質(zhì)（isoform）。）。可變剪接的方式可變剪接的方式n 順式剪接（順式剪接（cis-splicing） 發(fā)生在一個發(fā)生在一個RNA分子內(nèi)部的剪接，即通過剪接將一分子內(nèi)部的剪接，即通過剪接將一個個RNA分子內(nèi)部的內(nèi)含子剪接掉，使外顯子連接在一分子內(nèi)部的內(nèi)含子剪接掉，使外顯子連接在一起。起。n 反式剪接反式剪接（trans-splicing） 發(fā)生在兩個發(fā)生在兩個RNA分子間的剪接，即以兩種不同來源分子間的剪接

34、，即以兩種不同來源的的RNA前體分子作為底物，經(jīng)過剪接在成熟的非翻譯前體分子作為底物，經(jīng)過剪接在成熟的非翻譯部分部分5 端拼接上一小段端拼接上一小段。反式剪接反式剪接n RNA 編輯（編輯（RNA editing） mRNA在轉(zhuǎn)錄后因核苷酸的插入、缺失或替換在轉(zhuǎn)錄后因核苷酸的插入、缺失或替換改變了來自改變了來自DNA模板的遺傳信息，翻譯出氨基酸序模板的遺傳信息，翻譯出氨基酸序列不同的多種蛋白質(zhì)。列不同的多種蛋白質(zhì)。意意 義：義：校正基因的移碼突變；校正基因的移碼突變；重新構(gòu)建或刪除起始密碼重新構(gòu)建或刪除起始密碼AUG；在基因原起始密碼前構(gòu)建新在基因原起始密碼前構(gòu)建新AUG，擴充遺傳信息，擴充遺傳信息n RNA干涉（干涉（RNA inference） 雙鏈雙鏈RNA驅(qū)動的序列特異性驅(qū)動的序列特異性抑止現(xiàn)象。抑止現(xiàn)象。 短的雙鏈短的雙鏈RNA被導(dǎo)入細胞內(nèi)，