第08章 基因的表達(dá)與調(diào)控

第八章基因的表達(dá)與調(diào)控第一節(jié)基因的概念

孟德?tīng)柗Q控制性狀的因子為遺傳因子；

1909年約翰森提出了基因這個(gè)名詞，取代孟德?tīng)柕倪z傳因子；摩爾根等人對(duì)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(xué)。

一、基因的概念及其發(fā)展1、經(jīng)典遺傳學(xué)的基因概念：基因能夠自我復(fù)制，具有相對(duì)穩(wěn)定性；基因在染色體上占有一定的位置，是交換的最小單位；基因是突變的最小單位；基因是一個(gè)功能單位。基因結(jié)構(gòu)單位功能單位重組單位突變單位2、分子遺傳學(xué)的基因概念基因是DNA分子上的一定區(qū)段,攜帶有特殊的遺傳信息，可轉(zhuǎn)錄為RNA（mRNA、tRNA、rRNA），或進(jìn)一步翻譯成多肽鏈。

分子遺傳學(xué)研究表明：

突變子

(muton)：性狀突變時(shí)，產(chǎn)生突變的最小單位。一個(gè)突變子可以小到一個(gè)核苷酸；重組子

(recon)：性狀重組時(shí)，可交換的最小單位。一個(gè)交換子可以只包含一對(duì)核苷酸；順?lè)醋?/p>

(cistron)：是決定一條多肽鏈合成的功能單位。精細(xì)的微生物遺傳分析表明，并不是不可分割的最小單位；根據(jù)現(xiàn)代遺傳學(xué)的概念，可分為突變單位、重組單位和功能單位：基因的概念：可轉(zhuǎn)錄一條完整的RNA分子，或編碼一條多肽鏈；功能上被互補(bǔ)（順?lè)矗y(cè)驗(yàn)所規(guī)定的核苷酸序列?；虻念愋停?1)結(jié)構(gòu)基因：可編碼RNA或蛋白質(zhì)多肽鏈一段DNA序列。

(3)重疊基因：指同一段DNA的編碼順序，由于閱讀框架(ORF)的不同或終止早晚的不同，同時(shí)編碼兩個(gè)或兩個(gè)以上多肽鏈的現(xiàn)象。(2)調(diào)控基因：其產(chǎn)物參與調(diào)控其他結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因。

(4)隔裂基因：指一個(gè)結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部為一個(gè)或更多的不翻譯的編碼順序，如內(nèi)含子所隔裂的現(xiàn)象。(5)跳躍基因：可作為插入因子和轉(zhuǎn)座因子移動(dòng)的DNA序列，有人將它作為轉(zhuǎn)座因子的同義詞。(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位點(diǎn)，因缺失或突變而不能轉(zhuǎn)錄或翻譯，是沒(méi)有功能的基因。

假定有兩個(gè)獨(dú)立起源的隱性突變，如a1與a2，它們具有類似的表型。如何判斷它們是屬于同一個(gè)基因的突變，還是分別屬于兩個(gè)基因的突變？即如何測(cè)知它們是否是等位基因？二、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)1、互補(bǔ)作用與互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)(順?lè)礈y(cè)驗(yàn))需要建立一個(gè)雙突變雜合二倍體，測(cè)定這兩個(gè)突變間有無(wú)互補(bǔ)作用；如果有互補(bǔ)作用，個(gè)體應(yīng)表現(xiàn)為野生型，表明這兩個(gè)突變來(lái)自兩個(gè)基因；如果無(wú)互補(bǔ)作用，個(gè)體應(yīng)表現(xiàn)為突變型，表明這兩個(gè)突變來(lái)自一個(gè)基因。

a1a1a2a2×順?lè)礈y(cè)驗(yàn)：這種根據(jù)功能確定等位基因的測(cè)驗(yàn)稱為互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)。雜合的雙突變體有兩種不同的排列形式：順式排列和反式排列。2、順式與反式調(diào)控

假設(shè)某一基因的表達(dá)受一種調(diào)控蛋白質(zhì)控制，只有在調(diào)控蛋白質(zhì)與該基因的啟動(dòng)子位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，這個(gè)基因才能表達(dá)。

如果該基因的啟動(dòng)子或調(diào)控這個(gè)基因的調(diào)控蛋白突變，則可以使該基因不能表達(dá)。順式調(diào)控:如果該基因的啟動(dòng)子發(fā)生突變，使調(diào)控蛋白不能識(shí)別這個(gè)位點(diǎn)，從而導(dǎo)致該基因不能表達(dá)，這種突變稱為順式調(diào)控。1212反式調(diào)控：如果是調(diào)控蛋白質(zhì)發(fā)生突變，形成的蛋白質(zhì)不能與這個(gè)基因的啟動(dòng)子結(jié)合，從而導(dǎo)致這些基因不能表達(dá)，這種突變稱為反式調(diào)控。

12123、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)50年代的生化技術(shù)還無(wú)法進(jìn)行DNA的序列測(cè)定，本澤爾利用經(jīng)典的噬菌體突變和重組技術(shù)，對(duì)T4噬菌體rⅡ區(qū)基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。野生型T4噬菌體可侵染B株和K12株噬菌斑小而模糊rⅡ突變型T4噬菌體只能侵染B株，不能侵染K12株噬菌斑大而清晰用兩種的rⅡ區(qū)突變體對(duì)大腸桿菌B菌株進(jìn)行雙重感染；雙重感染重組值=r+r++rxry噬菌體總數(shù)×100%=2×r+r+噬菌體總數(shù)×100%形成噬菌斑后,收集溶菌液,并接種在B菌株上，計(jì)算總噬菌數(shù)；同時(shí)將溶菌液接種在K12菌株上，計(jì)算野生型重組體的數(shù)目；基因三、基因的作用與性狀的表達(dá)

結(jié)構(gòu)蛋白酶人的鐮刀形貧血癥豌豆皺粒表現(xiàn)型是由于缺少了淀粉分支酶而導(dǎo)致的

作用子

ADNAGTACATCATGTACTTGAAACTTGACCTGGAGAACTTGAACTTAAATTTmRNA密碼子GUACAUCUUACUCCUGAAGAAAAA氨基酸纈組亮蘇脯谷谷賴

SDNA

GTACAT

mRNA密碼子

GUA

氨基酸

纈

CDNA

AAATTT

mMRNA密碼子

AAA

氨基酸

賴

1941年，BeadleandTatum根據(jù)紅色面包霉的研究提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說(shuō)。后來(lái)又被修改為“一個(gè)基因種多肽鏈”。第二節(jié)基因調(diào)控每個(gè)細(xì)胞都含有整套遺傳密碼，在不同的發(fā)育階段和不同的細(xì)胞中，只有各自需要的遺傳密碼子被轉(zhuǎn)錄和翻譯。這種控制特定基因產(chǎn)物合成的機(jī)制稱為基因調(diào)控。原核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平。一、原核生物的基因調(diào)控當(dāng)需要某一特定基因產(chǎn)物時(shí)，合成這種mRNA。當(dāng)不需要這種產(chǎn)物時(shí)，mRNA轉(zhuǎn)錄受到抑制。

1、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

正調(diào)控：是經(jīng)誘導(dǎo)物誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制，即誘導(dǎo)物與另一蛋白質(zhì)結(jié)合形成一種激活子復(fù)合物，與基因啟動(dòng)子DNA序列結(jié)合，激活基因起始轉(zhuǎn)錄。

負(fù)調(diào)控：阻遏物阻止轉(zhuǎn)錄過(guò)程的調(diào)控，即阻遏物與DNA分子結(jié)合，阻礙RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄，使基因處于關(guān)閉狀態(tài)。只有當(dāng)阻遏物被除去之后，轉(zhuǎn)錄才能起動(dòng)，產(chǎn)生mRNA分子。

原核生物中基因表達(dá)以負(fù)調(diào)控為主。真核生物中則主要是正調(diào)控機(jī)制。轉(zhuǎn)錄水平的負(fù)調(diào)控與正調(diào)控

2、乳糖操縱元

Monod等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大腸桿菌生長(zhǎng)在含有乳糖的培養(yǎng)基上時(shí)，乳糖代謝酶濃度急劇增加；當(dāng)培養(yǎng)基中沒(méi)有乳糖時(shí)，乳糖代謝基因不表達(dá)，乳糖代謝酶合成停止。為此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操縱元模型，用來(lái)闡述乳糖代謝中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。

P:O:I:Z:Y:A:抑制基因啟動(dòng)子操縱子b-半乳糖苷酶滲透酶乙酰轉(zhuǎn)移酶乳糖操縱元模型I→I-

乳糖操縱元的負(fù)調(diào)控兩種組成型突變：組成型表達(dá)

O→Oc乳糖操縱元模型是從分子間的互作來(lái)解釋結(jié)構(gòu)基因的調(diào)控方式的：當(dāng)沒(méi)有乳糖時(shí)，因不需要乳糖代謝酶，故轉(zhuǎn)錄終止；當(dāng)有乳糖時(shí)，通過(guò)乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，間接誘導(dǎo)激活基因表達(dá)；當(dāng)乳糖被消耗殆盡時(shí)，沒(méi)有乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，阻遏蛋白又可以與操縱子結(jié)合，阻止基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)。異丙基-β-D-硫代半乳糖(isopropyl-β-D-thiogalactoside)IPTG

此結(jié)果說(shuō)明，誘導(dǎo)過(guò)程并不涉及誘導(dǎo)物與酶之間的作用。根據(jù)乳糖操縱元模型可知，β-半乳糖苷酶在乳糖代謝中的作用是降解乳糖形成葡萄糖和半乳糖，半乳糖最終也將被轉(zhuǎn)變成葡萄糖加以利用；當(dāng)細(xì)菌處于既有大量乳糖，又有葡萄糖存在的情況下,β-半乳糖苷酶的合成又將如何呢？研究結(jié)果顯示，只要有葡萄糖存在，細(xì)菌細(xì)胞將不會(huì)產(chǎn)生β-半乳糖苷酶；由此可以說(shuō)明，除了阻遏蛋白能夠抑制乳糖操縱元的轉(zhuǎn)錄外，還有其他因子也能有效地抑制乳糖mRNA的轉(zhuǎn)錄，而且，這個(gè)因子的活性應(yīng)該與葡萄糖有關(guān)。當(dāng)cAmp-CAP復(fù)合物的二聚體插入到lac啟動(dòng)子區(qū)域特異核苷酸序列時(shí)，使啟動(dòng)子DNA彎曲形成新的構(gòu)型，RNA聚合酶與這種DNA新構(gòu)型的結(jié)合更加牢固，因而轉(zhuǎn)錄效率更高。乳糖操縱元的正調(diào)控cAmpATP腺苷酸環(huán)化酶＋CAPcAmp-CAP×在有葡萄糖存在時(shí)，不能形成cAmp，也就不能形成正調(diào)控因子cAmp-CAP，因此，基因不表達(dá)。目前，通過(guò)遺傳分析證明了lac操縱元的存在；已經(jīng)分離出阻遏蛋白，并成功地測(cè)定了阻遏蛋白的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，以及阻遏蛋白與誘導(dǎo)物及操縱子序列結(jié)合的結(jié)構(gòu)。基因型β-半乳糖苷酶活性有乳糖無(wú)乳糖一I+O+Z++-I+O+Z---I-O+Z+++I+OcZ+++二I-O+Z+/F′I++-I+OcZ+/F′O+++三I+O+Z+/F′I-+-I+O+Z+/F′Oc+-四IsO+Z+--IsO+Z+/F′I+--乳糖操縱元的不同調(diào)控位點(diǎn)a：CAP結(jié)合位點(diǎn)；b：RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)；R：形成抑制環(huán)的區(qū)域，下面的數(shù)字表示轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上下游的堿基數(shù)

3、色氨酸操縱元大腸桿菌色氨酸操縱元是合成代謝途徑中基因調(diào)控的典型例子。色氨酸操縱元包括色氨酸合成中5種酶的結(jié)構(gòu)基因TrpE、TrpD

、TrpC

、TrpB

和

TrpA

。色氨酸操縱元的組成RNA聚合酶無(wú)輔基阻遏物Trp無(wú)輔基阻遏物Trp阻遏物trpR由相距較遠(yuǎn)的阻遏物基因編碼→無(wú)輔基阻遏物+trp→活性復(fù)合物，與操縱子結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。色氨酸不足時(shí)，無(wú)輔基阻遏物的三維空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，不能與操縱子結(jié)合，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。

弱化作用無(wú)輔基阻遏物Trp色氨酸前導(dǎo)序列經(jīng)堿基配對(duì)形成幾種二級(jí)結(jié)構(gòu)

當(dāng)培養(yǎng)基中有色氨酸時(shí)，色氨酸操縱元5種酶的轉(zhuǎn)錄同時(shí)受到抑制；色氨酸直接作為阻遏物而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控色氨酸mRNA的轉(zhuǎn)錄?？梢员蛔罱K合成產(chǎn)物所阻遏的操縱元叫做可阻遏操縱元。在色氨酸供應(yīng)不足時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)錄。衰減作用的生物學(xué)意義除trp操縱元外，許多負(fù)責(zé)氨基酸合成的操縱元的表達(dá)均可受衰減作用的調(diào)控,如His操縱元、Phe操縱元等。trp操縱元中，阻遏作用與衰減作用一起協(xié)同控制其基因的表達(dá)，顯然比單一的阻遏負(fù)調(diào)控系統(tǒng)更為有效、更為靈敏。4、阿拉伯糖操縱元阿拉伯糖操縱元也是解釋代謝途徑的調(diào)控系統(tǒng)，它具有一些與lac操縱元相似的特點(diǎn)，但與前述兩種操縱元系統(tǒng)的顯著區(qū)別是：它的同一種調(diào)控蛋白—AraC調(diào)控蛋白既可起正調(diào)控,也可起負(fù)調(diào)控作用。

R：調(diào)控基因araC編碼AraC蛋白；阿拉伯糖操縱元的組成O：操縱子位點(diǎn)；I：誘導(dǎo)位點(diǎn)，具有CAP結(jié)合位點(diǎn)；B,A,D：結(jié)構(gòu)基因。無(wú)ara時(shí)，AraC二聚體(D)與I及O2同時(shí)結(jié)合，形成抑制環(huán)，阻遏CAP-cAmp復(fù)合體與CAP位點(diǎn)結(jié)合，從而抑制轉(zhuǎn)錄，表現(xiàn)為負(fù)調(diào)控。

有ara時(shí)，AraC與I位點(diǎn)結(jié)合，CAP-cAmp與CAP位點(diǎn)結(jié)合，誘導(dǎo)表達(dá)結(jié)構(gòu)基因，為正調(diào)控。5、翻譯水平的調(diào)控

反饋調(diào)控機(jī)制：大腸桿菌有7個(gè)操縱元與核糖體蛋白質(zhì)合成有關(guān)。從這些操縱元轉(zhuǎn)錄的每一種mRNA，能夠被同一操縱元編碼的核糖體蛋白質(zhì)識(shí)別與結(jié)合。這種結(jié)合位點(diǎn)通常包括mRNA5’端非翻譯區(qū)，也包括啟動(dòng)子區(qū)域的Shine-Dalgarno序列。

如果其中有一種核糖體蛋白質(zhì)過(guò)量積累，都將與其自身的mRNA結(jié)合，阻止進(jìn)一步翻譯。反義RNA調(diào)控：反義RNA可與目的基因的5’UTR互補(bǔ)配對(duì)，配對(duì)的區(qū)域通常也包括啟動(dòng)子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能與核糖體有效結(jié)合，從而阻止蛋白質(zhì)的合成。真核生物中的應(yīng)用：將乙烯形成酶基因的反義RNA導(dǎo)入蕃茄，大大延長(zhǎng)了蕃茄常溫貯藏期。

科學(xué)家采用反義RNA技術(shù)封閉番茄細(xì)胞中上述兩個(gè)酶編碼基因的表達(dá)，由此構(gòu)建出的重組番茄的乙烯合成量分別僅為野生植物的3%和0.5%，明顯增長(zhǎng)了番茄的保存期。S-腺苷甲硫氨酸氨基環(huán)丙烷羧酸合成酶乙烯合成酶EFE抗病毒番茄

玫瑰花香番茄二、真核生物的基因調(diào)控真核生物具有精確的發(fā)育程序以及大量分化的特殊細(xì)胞群體，它需要更為多樣化的調(diào)控機(jī)制，因此，真核生物的基因調(diào)控遠(yuǎn)比原核生物復(fù)雜：高等真核生物的基因組遠(yuǎn)比細(xì)菌的基因組大得多；染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化可以調(diào)控基因表達(dá)；基因組大小編碼基因大腸桿菌4.6×106bp4288啤酒酵母1.2×107bp5885擬南芥1.25×108bp25498水稻4.3×108bp46022-55615人3×109bp3.5萬(wàn)不同物種基因組比較調(diào)控發(fā)生在染色體水平、DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后修飾、翻譯水平和翻譯后修飾等多種層次。真核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯存在時(shí)間和空間上的差異；不同個(gè)體、不同細(xì)胞可能具有不同的調(diào)控機(jī)制；在真核生物中，基因的差別表達(dá)是細(xì)胞分化和功能的核心；(一)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性與轉(zhuǎn)錄

活性染色質(zhì)：處于可及狀態(tài)的染色質(zhì)。

RNA聚合酶可識(shí)別活性染色質(zhì)DNA序列中的結(jié)合位點(diǎn)，因而能進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)錄。研究表明,活性染色質(zhì)具有對(duì)DNaseⅠ作用超敏感位點(diǎn),原因是沒(méi)有形成核小體單位。體外實(shí)驗(yàn)表明，在基因的啟動(dòng)子部位形成一個(gè)核小體單位，就足以有效阻止轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)。與此相反，一旦轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)，核小體核心便可以轉(zhuǎn)錄到底,表明轉(zhuǎn)錄本的延長(zhǎng)并沒(méi)有被核小體阻斷。推測(cè)，發(fā)生了核小體的解折疊作用。（二）DNA水平的調(diào)控基因劑量與基因擴(kuò)增

基因劑量可經(jīng)基因擴(kuò)增臨時(shí)增加。如：蟾蜍卵母細(xì)胞的rRNA基因可以擴(kuò)增4000倍。基因的多拷貝使其劑量增加。如：組蛋白?；虻臄U(kuò)增與腫瘤的形成和細(xì)胞的衰老有關(guān)。原發(fā)性成視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤中，含myc癌基因的

DNA區(qū)段擴(kuò)增了10-200倍；UV和羥基脲等致癌劑同樣可誘導(dǎo)DNA的擴(kuò)增。DNA重排

真核生物基因組中的DNA序列可發(fā)生重排，這種重排是由特定基因組的遺傳信息所決定的，是有些基因調(diào)控的重要機(jī)制。

①酵母交配型轉(zhuǎn)換

→a這種交配型轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是遺傳物質(zhì)的重排?？刂平慌湫偷腗AT基因位于酵母菌第三染色體上，MATa和MAT

互為等位基因。

酵母菌交配型轉(zhuǎn)換②動(dòng)物抗體基因重排

正常的哺乳動(dòng)物可以產(chǎn)生108個(gè)抗體分子。

抗體基因重排中各個(gè)片段之間的隨機(jī)組合,可從約300個(gè)抗體基因中產(chǎn)生108個(gè)抗體分子。重鏈(H)輕鏈(L)人類第14號(hào)染色體上抗體重鏈基因片段變異區(qū)(VH)多樣區(qū)(D)鏈接區(qū)(J)恒定區(qū)(C)③動(dòng)物基因的異常無(wú)序重排

哺乳動(dòng)物基因組的許多重排事件都是同細(xì)胞的病理變化相關(guān)聯(lián)的，特別是腫瘤的發(fā)生過(guò)程。

慢性髓細(xì)胞白血?。杭?xì)胞中具有費(fèi)城染色體，它是由9號(hào)染色體與22號(hào)染色體部分交換形成的。

伯基特淋巴瘤：涉及8號(hào)染色體與14(2)號(hào)染色體部分交換。

DNA甲基化

真核生物中，少數(shù)胞嘧啶第5碳上的氫被一個(gè)甲基取代，稱為甲基化。真核生物中，90%以上的甲基化作用發(fā)生在DNA的CG雙堿基序列處，而且，一經(jīng)甲基化便可持續(xù)維持。5-甲基-CG--GC-5-甲基半保留復(fù)制5-甲基-CG--GC-甲基化酶-CG--GC-5-甲基5-甲基-CG--GC-5-甲基研究表明，C-5上的甲基突出到DNA大溝內(nèi)的暴露部位，因此，它有可能影響到DNA與轉(zhuǎn)錄激活因子之間的結(jié)合作用。研究證實(shí)，DNA甲基化程度越低，基因的表達(dá)活性也就越高；反之，基因表達(dá)活性越低。甲基化可降低轉(zhuǎn)錄效率。如果將不會(huì)被甲基化的5-氮胞嘧啶摻入DNA分子中時(shí)，可導(dǎo)致正常情況下不表達(dá)的基因進(jìn)行表達(dá)。（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控1.真核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶RNA聚合酶ⅠRNA聚合酶ⅡRNA聚合酶Ⅲ存在于核仁，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄rRNA基因存在于核質(zhì)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄前體mRNA存在于核質(zhì)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄tRNA，5SrRNA,snRNA