第十三章基因的表達調(diào)控

第十三章基因的表達調(diào)控基因調(diào)控：控制特定基因產(chǎn)物合成機制在生物體內(nèi)每個細胞都會有同樣的遺傳密碼，但它的表達卻是“各取所需”。基因是在特定的細胞和時間表達遺傳信息當前1頁，總共37頁。第一節(jié)原核生物基因的表達調(diào)控

一、轉錄水平的調(diào)控二、翻譯水平的調(diào)控

轉錄水平翻譯水平

DNAmRNA蛋白質(zhì)當前2頁，總共37頁。一、原核生物基因的轉錄調(diào)控可誘導的操縱子：加入對基因表達有調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)后，開啟基因的轉錄活性。如乳糖操縱子?？勺瓒舻牟倏v子：加入對基因表達有調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)后，關閉基因的轉錄活性。如色氨酸操縱子。當前3頁，總共37頁。（一）大腸桿菌的乳糖操縱子1.乳糖操縱子基本結構lacI代表乳糖操縱子的阻遏蛋白基因；P代表乳糖操縱子的啟動子區(qū)域；O代表乳糖操縱子的阻遏蛋白結合區(qū)域；lacZ代表β-半乳糖苷酶基因；lacY代表半乳糖苷透性酶基因；lacA代表半乳糖苷轉乙酰酶基因。

LacILacZLacYLacAP/O當前4頁，總共37頁。2.乳糖操縱子的負調(diào)控在培養(yǎng)基中沒有乳糖的情況下，阻遏蛋白四聚體與結構基因上游的O緊密結合，從而阻止RNA聚合酶的通過，使得與乳糖代謝相關的3個結構基因不能被轉錄。而當培養(yǎng)基中加入乳糖后，在誘導物的作用下阻遏蛋白的結構發(fā)生改變，從而使阻遏蛋白從結合位點O脫離，RNA聚合酶得以在3個結構基因的轉錄中發(fā)揮作用。當前5頁，總共37頁。當前6頁，總共37頁。3.乳糖操縱子的正調(diào)控

當培養(yǎng)基中有足夠的葡萄糖時，大腸桿菌細胞中的環(huán)腺苷單磷酸（cAMP）的含量很低；

當培養(yǎng)基中缺少葡萄糖時，cAMP的水平迅速上升。

而cAMP可以和一種代謝產(chǎn)物激活蛋白（CAP）結合形成復合體，該復合體與特異位點的結合能幫助RNA聚合酶與啟動子結合，從而啟動結構基因表達。當前7頁，總共37頁。

培養(yǎng)基中既有乳糖又有葡萄糖時,細菌細胞內(nèi)的葡萄糖濃度升高、cAMP含量下降，不能形成cAMP-CAP復合體，CAP不能結合啟動基因P。啟動基因P上沒有CAP的情況下，RNA聚合酶不能有效地結合到啟動區(qū)域，因而Z、Y、A三個結構基因不能轉錄。培養(yǎng)基中只有乳糖而沒有葡萄糖時，細菌細胞內(nèi)的葡萄糖濃度下降、cAMP含量升高，能形成cAMP-CAP復合體，CAP結合于啟動基因P。啟動基因P上有CAP的情況下，RNA聚合酶能有效地結合到啟動區(qū)域，因而Z、Y、A三個結構基因被轉錄。當前8頁，總共37頁。（二）大腸桿菌的色氨酸操縱子結構及機制當細胞中缺少色氨酸時，阻遏蛋白無活性，不能結合到阻遏蛋白結合位點trpO上，從而使RNA聚合酶得以通過，并開始轉錄。

當細胞中有高濃度的色氨酸時，色氨酸作為輔阻遏物，激活無活性的阻遏蛋白（trpR基因產(chǎn)物），從而結合到阻遏蛋白結合位點trpO上，阻止5個結構基因的轉錄；編碼阻遏蛋白基因當前9頁，總共37頁。二、原核生物的翻譯調(diào)控（一）反義RNA控制翻譯（二）翻譯的自體調(diào)控當前10頁，總共37頁。第二節(jié)真核生物基因的表達調(diào)控一、真核基因組的DNA含量和基因總數(shù)都遠大于原核生物，而且前者的DNA和蛋白質(zhì)等物質(zhì)復合。

二、真核細胞的染色體包在細胞核膜內(nèi)，轉錄和翻譯分別發(fā)生在細胞核和細胞質(zhì)中，兩者之間還存在著相當復雜的RNA加工過程。三、真核生物個體多由不同類型的細胞構成，從受精卵到成體經(jīng)歷了復雜的分化發(fā)育過程。當前11頁，總共37頁。一、真核生物的轉錄調(diào)控與原核生物不同的特點：很大程度上通過決定形成mRNA的速度，調(diào)控基因表達。和原核生物不同，沒有操縱子及其緊密連鎖的基因。啟動子的識別大多需要多個蛋白質(zhì)分子。這些蛋白質(zhì)分子稱為轉錄因子。還沒有積累足夠的分子水平的實驗結果，用于建立真核生物成熟的調(diào)控模型。染色質(zhì)存在狀態(tài)的變化，DNA的修飾，組蛋白和非組蛋白的存在，激素的誘導，以及某些活性RNA的出現(xiàn)，都能夠影響真核生物基因轉錄的活性。當前12頁，總共37頁。1．異染色質(zhì)化和染色質(zhì)活化通過增加染色體某一區(qū)域異染色質(zhì)化的程度而阻礙基因的轉錄。女性一條X染色體的異染色質(zhì)化（稱為巴氏小體）能使所載基因失活。女性特有的巴氏小體當前13頁，總共37頁。在活化的染色質(zhì)中，DNA的超螺旋狀態(tài)有所改變，因而基因能夠為RNA聚合酶所轉錄。例如雞的網(wǎng)織細胞能夠大量合成珠蛋白，從這種細胞分離到(含珠蛋白基因)的染色質(zhì)DNA，容易遭受DNA酶I的降解(DNA螺旋化程度低)；而在不合成珠蛋白的雞輸卵管細胞(也含珠蛋白基因)的染色質(zhì)DNA，則不會被DNA酶Ⅰ所降解，其他大多數(shù)器官的染色質(zhì)DNA也不被這種酶所降解。當前14頁，總共37頁。2．DNA的修飾在不轉錄的DNA中，GC順序有70%以上是甲基化的；而在轉錄活性高的DNA中，GC順序只有20%～30%是甲基化的。當前15頁，總共37頁。DNA甲基化抑制基因轉錄的機制當前16頁，總共37頁。3．組蛋白質(zhì)的抑制作用J.Bonner(1964)：從豌豆中提取兩組DNA，一組仍然和組蛋白復合，另一組則和組蛋白分離。兩組分別加入RNA聚合酶，結果前一組不能合成mRNA，而后一組能夠合成mRNA。初步證明組蛋白抑制轉錄的作用。

又以豌豆的子葉和頂芽為材料，從它們的染色質(zhì)中除去組蛋白，用余下的純DNA分別進行蛋白質(zhì)合成試驗。結果兩種來源的DNA不僅都合成了球蛋白，而且具有相似的合成量。說明頂芽細胞中的球蛋白基因在自然狀態(tài)下因為受到組蛋白的抑制而不能轉錄。當前17頁，總共37頁。4．非組蛋白的誘導作用分離兔骨髓細胞染色質(zhì)：非組蛋白、組蛋白和DNA；分離兔胸腺細胞染色質(zhì)：非組蛋白、組蛋白和DNA。將以上兩種來源的組蛋白、DNA都混合在一起，然后分為兩組：其中一組甲：加進來自骨髓的非組蛋白；另外一組乙：加進來自胸腺的非組蛋白。試驗結果表明：甲：合成骨髓細胞的RNA；乙：合成胸腺細胞的RNA。說明：特定組織的非組蛋白能夠特異性地誘導本組織的結構基因的轉錄。當前18頁，總共37頁。當前19頁，總共37頁。5．激素的誘導作用多細胞的高等真核生物的代謝作用較少受到環(huán)境的直接影響，它們的基因調(diào)控信號往往來自體內(nèi)的激素。通過蛻皮激素處理幼蟲或離體的唾腺細胞，證實了特定激素能夠誘導特定基因的轉錄。

當前20頁，總共37頁。

昆蟲的蛻皮激素對發(fā)育的作用注射蛻皮激素的試驗果蠅唾腺細胞疏松區(qū)實圖當前21頁，總共37頁。

6.活性RNA的作用

真核生物細胞中存在一種活性RNA，能夠誘導某些基因轉錄。從16日齡雞胚的心臟中提取RNA，同取自溫育20～22h雞胚的原結后條(指雞胚中不含心臟的部分)一起保溫，結果誘導出心肌組織。將雞的原結后條和牛心RNA一起保溫，結果也產(chǎn)生了心肌組織。兩次試驗雖然分別采用不同動物來源的心臟RNA，卻都產(chǎn)生了雞的心肌組織。這就說明了所產(chǎn)生的心肌組織的模板存在于原結后條細胞的DNA之中，而不存在于心臟RNA之中。由心臟提取的RNA在這里起的是活化心肌基因、誘導心肌基因轉錄的作用。

當前22頁，總共37頁。1.異染色質(zhì)化和染色質(zhì)活化2.DNA的修飾3.組蛋白質(zhì)的抑制作用4.非組蛋白的誘導作用5.激素的誘導作用6.活性RNA的作用

一、真核生物的轉錄調(diào)控當前23頁，總共37頁。二、真核生物的翻譯調(diào)控1.mRNA翻譯起始的控制（1）促進mRNA與核糖體結合因子的出現(xiàn)。（2）“蒙面信使理論”：細胞質(zhì)中有的mRNA被蒙在蛋白質(zhì)外被中，不能為tRNA所識別，所以暫時不翻譯。例如，從海膽卵分離到的含核糖體和mRNA的組分，在離體條件下不能合成蛋白質(zhì)；如果先用胰蛋白酶加以處理，以便除去它的蛋白質(zhì)外被，則能夠在離體條件下合成蛋白質(zhì)。當前24頁，總共37頁。2.翻譯效率的控制真核生物mRNA穩(wěn)定性大、壽命長，比較有可能積累下來等待翻譯，從而表現(xiàn)為翻譯的高效率。真核生物有些mRNA進入細胞質(zhì)之后并不立即翻譯，而是和一些蛋白質(zhì)結合成為RNA蛋白質(zhì)(RNP)顆粒，從而延長它的壽命。例如家蠶的絲芯蛋白基因是單拷貝的，可是一個細胞能夠在幾天之內(nèi)合成1010個絲芯蛋白分子，翻譯效率如此高是因為它的mRNA分子和蛋白質(zhì)結合成為RNP顆粒而使壽命延長到若干天。此外，真核生物的某些激素也對mRNA起穩(wěn)定作用，例如催乳激素能夠使酪蛋白的mRNA半衰期延長20倍，從而使mRNA分子的拷貝數(shù)在短時間內(nèi)大幅度增加。當前25頁，總共37頁。蠶絲及其加工產(chǎn)品當前26頁，總共37頁。第三節(jié)表達調(diào)控與發(fā)育

一、原核生物的形態(tài)發(fā)生

1．噬菌體T４自動裝配過程的控制

T４的DNA進入大腸桿菌后1～6分鐘內(nèi)：這個DNA分子上的DNA酶基因開始表達，所合成的DNA酶降解寄主的DNA，形成游離核苷酸。與此同時，T４DNA上的DNA聚合酶基因表達，合成DNA聚合酶，以游離核苷酸為原料復制T４的DNA。6～10分鐘內(nèi)：新形成的T４DNA上的外殼蛋白基因表達，產(chǎn)生噬菌體的頭部和尾部，并進行自動裝配。(見下頁圖片)然后，新形成的T４DNA上的溶菌酶基因表達，合成溶菌酶，裂解寄主的細胞壁，釋放出子代噬菌體。當前27頁，總共37頁。噬菌體T4的自動裝配過程當前28頁，總共37頁。

2．λ噬菌體發(fā)育途徑的選擇

溫和噬菌體λ感染大腸桿菌后存在兩種可選擇的發(fā)育途徑：裂解細菌；或者使細菌處于溶源狀態(tài)。噬菌體對這兩種途徑的選擇，取決于噬菌體兩種蛋白質(zhì)之間的競爭。當前29頁，總共37頁。

一種是cI蛋白，能阻斷噬菌體的DNA酶基因、DNA聚合酶基因等的表達，避免細菌DNA被降解和噬菌體DNA自我復制，從而，產(chǎn)生噬菌體與細菌“和平共處”的結果。另一種是Cro蛋白，能阻抑cI基因的轉錄，從而促進噬菌體向裂解途徑轉變。分別編碼上述兩種蛋白質(zhì)的cI基因和Cro基因，都屬于λ噬菌體的調(diào)節(jié)基因。

λ噬菌體處于前一種狀態(tài)時，整合到細菌染色體的過程需要整合酶，它由感染早期表達的整合酶基因編碼。轉變?yōu)楹笠环N狀態(tài)時，噬菌體DNA需要從細菌染色體上游離出來，恢復環(huán)狀，這個過程所依賴的是切割酶，它由早期以后表達的切割酶基因編碼。當前30頁，總共37頁。

二、真核生物的細胞分化1.玉米胚胎發(fā)育遺傳控制的研究玉米的胚胎發(fā)育，可以人為地分為三個階段。第一階段是合子第一次分裂，不對稱地形成一個較大的頂端細胞，和一個液泡化的、較小的基細胞，胚和胚柄的差別趨向明顯。第二階段是子葉出現(xiàn)，胚軸、頂端生長點和胚根形成。第三階段是營養(yǎng)器官健全，莖節(jié)、幼葉發(fā)生。1991-1993年，Sheridan和Clark從玉米中分離到胚胎發(fā)育阻斷的51個突變體。經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)它們的發(fā)育阻斷分別發(fā)生在不同的發(fā)育階段。這樣，就獲得了有價值的實驗材料，可用于研究玉米胚胎發(fā)育過程先后受哪些基因的控制，它們分別具有何種DNA序列，在何種條件下轉錄合成mRNA，進而合成何種蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)各起何種作用。當前31頁，總共37頁。

2．花藥和花粉發(fā)育遺傳控制的研究

（1）早在1980-1984年，Kamalay和Goldberg就比較過花和營養(yǎng)器官的mRNA，發(fā)現(xiàn)大約有10000種mRNA是花藥特異性的，它們的表達在營養(yǎng)器官中檢測不到，認為是這些mRNA決定和保持了花藥組織的細胞分化狀態(tài)。但到了1993年，McCormick和Goldberg才發(fā)現(xiàn)在花藥特異性表達的若干基因，它們所編碼的蛋白質(zhì)，分別有脂轉移蛋白、蛋白酶抑制劑和多種酶。（2）1990年，Mascarenhas將花粉形成過程中的基因表達分為早、晚兩個時期。早期表達的轉錄產(chǎn)物在減數(shù)分裂后即可檢測到，而在成熟花粉中減少或完全消失。晚期表達的轉錄產(chǎn)物最早發(fā)生在小孢子有絲分裂時期，并且隨著花粉的成熟而繼續(xù)積累。因此一般認為，早期表達的基因可能編碼細胞骨架蛋白，和參與細胞壁形成、淀粉積累的蛋白質(zhì)；晚期表達的基因則編碼在花粉成熟和萌發(fā)時起作用的蛋白質(zhì)。事實上，近幾年來也分離到了屬于早期表達的基因，和晚期表達的基因，前者如油菜的I3cDNA克隆，后者如油菜的Bp10基因、煙草的NTP303基因和番茄的L