第八章基因的表达与调控3

1、 基因作为遗传信息单位，位于基因作为遗传信息单位，位于染色体染色体上，控制生物的上，控制生物的性状发育。性状发育。 dna是是携带生物遗传信息的载体，携带生物遗传信息的载体，是遗传的分子基础。是遗传的分子基础。 基因表达基因表达就是将基因携带的生物信息释放出来，供细胞利就是将基因携带的生物信息释放出来，供细胞利用的过程，或将生物的遗传信息作为性状或特征表现出来用的过程，或将生物的遗传信息作为性状或特征表现出来的过程。的过程。 通常所说的基因表达通常所说的基因表达 指基因指导蛋白质合成的过程。指基因指导蛋白质合成的过程。 原核生物或真核生物为了适应外界环境条件及自身的原核生物或真核生物为了适应外

2、界环境条件及自身的需要，都必须需要，都必须不断调控各种不同基因的表达方式不断调控各种不同基因的表达方式。 第八章第八章 基因的表达与调控基因的表达与调控本章重点本章重点* 1基因概念及其发展。基因概念及其发展。 2原核生物基因调控：操纵元模型。原核生物基因调控：操纵元模型。 3真核生物基因调控：真核生物基因调控： dna、转录和翻译三个水平。、转录和翻译三个水平。、经典遗传关于基因的概念：、经典遗传关于基因的概念：孟德尔：孟德尔：把控制性状的因子称为遗传因子。把控制性状的因子称为遗传因子。 如：豌豆红花如：豌豆红花(c)、白花、白花(c)、植株高、植株高(h)、矮、矮(h)。 约翰生：约翰生：

3、提出基因提出基因(gene)这个名词，取代遗传因子。这个名词，取代遗传因子。 摩尔根：摩尔根：对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。因和染色体为主体的经典遗传学。 基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。 第一基因的概念第一基因的概念 一、基因的概念及其发展：一、基因的概念及其发展：基因的共性（基因的共性（按照经典遗传学对基因的概念）：按照经典遗传学对基因的概念）： 染色体特性染色体特性：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时 有规律地进行分配

4、。有规律地进行分配。 交换单位交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。 突变单位突变单位：一个基因能突变为另一个基因。：一个基因能突变为另一个基因。 功能单位功能单位：控制有机体的性状。：控制有机体的性状。 经典遗传学认为经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。既是结构单位，又是功能单位。 、分子遗传学关于基因的概念：、分子遗传学关于基因的概念：揭示遗传密码的秘密：基因揭示遗传密码的秘密：基因 具体物质。具体物质。基因不是最小遗传单位基因不是最小遗传单位 更复杂的遗传和变异单位

5、：更复杂的遗传和变异单位： 具体内容：具体内容：一个基因一个基因dna分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息 或对其它基因的活动起调控作用或对其它基因的活动起调控作用( 如调节基因、启动基因、如调节基因、启动基因、操纵基因操纵基因)。例如例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小单位。单位。 转录成转录成rna(包括包括mrna、trna、rrna) 翻译成多肽链，翻译成多肽链，. 现代遗传学上认为：现代遗传学上认为：突变子突变子：是在性状突变时，产生突变的最小单位。：是在性状突变时，产生突变的最小单位。

6、一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。 重组子重组子：在性状重组时，可交换的最小单位称为重：在性状重组时，可交换的最小单位称为重组子。一个交换子只包含一个碱基对。组子。一个交换子只包含一个碱基对。 顺反子顺反子：表示一个作用的单位，基本上符合通常所：表示一个作用的单位，基本上符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段述基因的大小或略小。所包括的一段dna与一个多肽与一个多肽链的合成相对应；平均大小为链的合成相对应；平均大小为5001500个碱基对。个碱基对。基因概念：基因概念：可转录一条完整的可转录一条完整的rna分子或编码一个多肽链；分子

7、或编码一个多肽链； 功能上被顺反测验或互补测验所规定。功能上被顺反测验或互补测验所规定。基因基因：相当于一个顺反子，：相当于一个顺反子， 包含许多突变子和包含许多突变子和 重组子。重组子。紫外灯下的紫外灯下的dna分子遗传学保留了分子遗传学保留了功能单位功能单位的解释，而抛弃了最小结构的解释，而抛弃了最小结构单位说法。单位说法。、分子遗传学对基因概念的新发展、分子遗传学对基因概念的新发展结构基因结构基因(structural gene)：指可编码指可编码rna或蛋白质的一段或蛋白质的一段dna序列。序列。将基因分为不同类型：将基因分为不同类型： 调控基因调控基因(regulator gene)

8、：指其指其表达产物表达产物参与参与调控调控其它基因表达的基因。其它基因表达的基因。 重叠基因重叠基因(overlapping gene)：指在同一段指在同一段dna顺序上，由于阅读框架不同或终止顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。a ebcfd隔裂基因隔裂基因(split gene)： 内含子内含子：在：在dna序列中，不出现在成熟序列中，不出现在成熟mrna中的片段；中的片段； 外显子外显子：在：在dna序列中，出现在成熟序列中，出现在成熟mrna中的片段。中的片段。 指一个指一个基因内部基因内部被一个或更多不翻译的编码顺

9、序即被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子内含子所隔裂。所隔裂。跳跃基因跳跃基因(jumping gene)： 即即转座因子转座因子，指染色体组上可以转移的基因。，指染色体组上可以转移的基因。 实质：能够实质：能够转移位置的转移位置的dna片断片断。 功能：可从这条染色体功能：可从这条染色体整合整合到另一条染色体上到另一条染色体上引起引起插入突变、插入突变、dna结构变异结构变异(如重复、缺失、畸变如重复、缺失、畸变)。突变的。突变的结果很容易通过表现型变异得到鉴别。结果很容易通过表现型变异得到鉴别。遗传工程常用：转座子标签法。遗传工程常用：转座子标签法。 玉米转座玉米转座子现象子现象. 假基因

10、假基因(pseudogene):同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是而不能转录或翻译，是没有功能的基因没有功能的基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因。 血红蛋白分子血红蛋白分子的四条多肽链的四条多肽链、互补作用：、互补作用：设设有两个独立起源的有两个独立起源的隐性突变隐性突变，具有类似的表现型。，具有类似的表现型。 判断判断是属于同一个基因突变，还是属于两个基因的突变？是属于同一个基因突变，还是属于两个基因的突变？ 即判断是否属于等位基因？即判断是否属于等位基

11、因？ 建立双突变杂合二倍体；建立双突变杂合二倍体； 测定突变间有无互补作用。测定突变间有无互补作用。 由此可判断由此可判断是否属于等位基因。是否属于等位基因。 二、基因的微细结构二、基因的微细结构2有互补作用有互补作用：突变来自不同突变来自不同的基因的基因，则每个突的相对位点上，则每个突的相对位点上都有一个正常野生型基因都有一个正常野生型基因 最最终可产生正常终可产生正常mrna，其，其个体表个体表现型为野生型现型为野生型。1无互补作用无互补作用：突变来自同一：突变来自同一个基因只能个基因只能产生突变的产生突变的mrna形成突变酶和个体，显示形成突变酶和个体，显示突变的突变的表现型表现型。则个

12、体表现为突变型。则个体表现为突变型。3互补测验（顺反测验）互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。：根据功能确定等位基因的测验。顺反测验：顺反测验：根据顺式表现型和反式表现型来确定两个根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）。突变体是否属于同一个基因（顺反子）。 顺式排列为对照顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色体（是两个突变座位位于同一条染色体上），不进行测试，其表现型上），不进行测试，其表现型 野生型。野生型。 实质上是进行反式测验实质上是进行反式测验（反式排列：两个突变座位位（反式排列：两个突变座位位于不同的染色体上）。于不同的染色体上）。

13、 反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点；反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点； 反式排列为突变型：突变属于同一基因位点。反式排列为突变型：突变属于同一基因位点。 本泽尔：本泽尔：提出顺反子，提出顺反子，表示功能的最小单位表示功能的最小单位和顺反的位置效应。和顺反的位置效应。、顺式与反式调控：、顺式与反式调控： 假设某一基因的表达受一种假设某一基因的表达受一种调控蛋白质调控蛋白质(regulator protein)控制，只控制，只有在调控蛋白质与该基因的有在调控蛋白质与该基因的启动子位点启动子位点结合时，这个基因才能表达。如果结合时，这个基因才能表达。如果这个基因的启动子位点发生突变，

14、调控蛋白不能识别这个位点，也就不能这个基因的启动子位点发生突变，调控蛋白不能识别这个位点，也就不能转录形成转录形成rna，基因就不能表达，基因就不能表达(图图83)。 1. 顺式调控：顺式调控： 如基因的如基因的启动子发生突变启动子发生突变，使得调控蛋白不能识别，使得调控蛋白不能识别启动子结构，该基因就不能表达；启动子结构，该基因就不能表达；只影响基因本身只影响基因本身的表的表达，达， 而不影响其它等位基因的调控突变。而不影响其它等位基因的调控突变。 2. 反式调控：反式调控： 调控蛋白发生突变调控蛋白发生突变，不能与某基因的启动子结合，不能与某基因的启动子结合，还会还会影响到与该调控蛋白结合

15、有关的所有等位基因影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点位点表达。表达。、基因的微细结构、基因的微细结构本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术 详细分析详细分析t4噬菌体噬菌体r区基因的微细结构。区基因的微细结构。 原理：原理： r+ 野生型野生型t4噬菌体噬菌体：侵染：侵染e.coli b株和株和k12株；形成小株；形成小而边缘模糊的噬菌斑。而边缘模糊的噬菌斑。 r突变型突变型t4噬菌体噬菌体：只能侵染：只能侵染b株，不能侵染株，不能侵染k12()株。形株。形成大而边缘清楚的噬菌斑。成大而边缘清楚的噬菌斑。 利用上述特点利用上述特点:让两个让两个r突变

16、型杂交突变型杂交 侵染侵染k12()株，选择重组体株，选择重组体r+r+ 计算计算两个两个r+ 突变座位间的重组频率。突变座位间的重组频率。方法：方法：两种两种r突变类型：突变类型：rx、ryr+rxryr+混合感染混合感染e.coli b株株接种接种k12()株株计数计数r+ ry、rxr+r+ r+、rxry四种基因型四种基因型均能生长均能生长r+ r+仅生长仅生长一种重一种重组型组型 b株株结果：结果：.重组值计算：重组值计算： rxry的数量与的数量与r+r+ 相同，计算时相同，计算时r+r+ 噬菌体数噬菌体数2。 可以获得小到可以获得小到0.001，即十万分之一的重组值。，即十万分之

17、一的重组值。 利用大量利用大量r区内二点杂交结果，绘制出区内二点杂交结果，绘制出r区座位间区座位间 微细的遗传图：微细的遗传图： . r突变体类型：突变体类型： ra、rb：两个两个ra 突变体突变体k12 无噬菌体繁殖无噬菌体繁殖 两个两个rb 突变体突变体 k12 无噬菌体繁殖无噬菌体繁殖ra rb突变体突变体 k12 噬菌体繁殖噬菌体繁殖 ra与与rb区段可以互补，分属于不同基因座位。区段可以互补，分属于不同基因座位。 三、基因的作用与性状的表达三、基因的作用与性状的表达 在生物的个体发育过程中，基因一旦处于在生物的个体发育过程中，基因一旦处于活化状态活化状态，就将它携带的遗传密码，通过

18、就将它携带的遗传密码，通过mrna的转录与翻译，形成的转录与翻译，形成特异的蛋白质。特异的蛋白质。 基因对于遗传性状表达的作用可分为基因对于遗传性状表达的作用可分为直接的与间接的直接的与间接的。 基因的变异可以直接影响到蛋白质的特性，从而表现基因的变异可以直接影响到蛋白质的特性，从而表现出不同的遗传性状。出不同的遗传性状。 但是在更普遍的情况下，基因是通过酶的合成，间但是在更普遍的情况下，基因是通过酶的合成，间接地影响生物性状的表达。接地影响生物性状的表达。 某段某段dna转录转录rrna 如发生致死突变，不能形成核糖体，如发生致死突变，不能形成核糖体， 易死亡。易死亡。trna 发生突变后，

19、发生突变后， 多肽链改变。转录多肽链改变。转录mrna翻译翻译蛋白质蛋白质结构蛋白结构蛋白直接直接生物酶生物酶间接间接性状性状1.结构蛋白结构蛋白基因变异基因变异 直接影响蛋白质特性，表现出不同遗传性状。直接影响蛋白质特性，表现出不同遗传性状。 例如人的镰形红血球贫血症。例如人的镰形红血球贫血症。 hba 突变突变 hbshbc 红血球镰刀形红血球镰刀形 血红蛋白分子有四条多肽链：血红蛋白分子有四条多肽链： 两条两条链链(141个氨基酸个氨基酸/条条)、 两条两条链链(146个氨基酸个氨基酸/条条)。 hba、hbs、hbc氨基酸组成的差氨基酸组成的差 异在于异在于链上第链上第6位上氨基酸：位

20、上氨基酸：hba第第6位为位为谷氨酸谷氨酸（gaa)； hbs第第6位为位为缬氨酸缬氨酸（gua)； hbc第第6位为位为赖氨酸赖氨酸（aaa）。）。 红血球碟形红血球碟形产生贫血症的原因：产生贫血症的原因：单个碱基的突变单个碱基的突变 引起氨基酸的改变引起氨基酸的改变 导致蛋白质导致蛋白质性质发生变化，直接产生性状变化。性质发生变化，直接产生性状变化。 正常碟形红血球转变为镰刀形红血球正常碟形红血球转变为镰刀形红血球 缺氧时表现贫血症。缺氧时表现贫血症。 hba hbs hbc例如例如：豌豆：豌豆 圆粒圆粒(rr) 皱粒皱粒(rr) f1 圆粒圆粒(rr) f2 1/4皱粒皱粒 r基基 因因

21、酶蛋酶蛋白质白质淀粉淀粉分支酶分支酶正常合正常合成淀粉成淀粉r 基因基因不合成酶不合成酶无功能酶无功能酶缺少一缺少一种淀粉种淀粉分支酶分支酶积累蔗糖积累蔗糖和大量的和大量的水份水份2. 酶蛋白酶蛋白 表明：表明：r与与r基因控制豌豆籽粒的性状不是直接的，基因控制豌豆籽粒的性状不是直接的，而是通过指导淀粉分枝酶的合成而是通过指导淀粉分枝酶的合成间接间接实现的。实现的。同时揭示了同时揭示了基因控制性状表达基因控制性状表达的具体过程及分子基础。的具体过程及分子基础。产生产生trna, rrna，无表型；，无表型；不转录不转录mrna，但对其它基因起调控作用。，但对其它基因起调控作用。 产生多肽，有表

22、型；产生多肽，有表型； 基因基因 比德尔和塔特姆根据红色面包霉的研究所提出的比德尔和塔特姆根据红色面包霉的研究所提出的“一一个基因一个酶个基因一个酶”的假说的假说，亦即一个基因通过控制一个酶的，亦即一个基因通过控制一个酶的合成来控制某个生化过程，从而影响到某些遗传性状的表合成来控制某个生化过程，从而影响到某些遗传性状的表达。达。 从分子遗传学的观点来看，该假说过分简单化了。从分子遗传学的观点来看，该假说过分简单化了。 一个基因一个基因 一个一个mrna 一个多肽一个多肽 上图式仍不完善，上图式仍不完善， 第二节基因的调控第二节基因的调控一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典一种生物的整套遗

23、传密码可以比作一本密码字典 该种生物的每个细胞中都有这本字典该种生物的每个细胞中都有这本字典不同细胞选用其不同细胞选用其中各自需要的密码子加以转录和翻译。中各自需要的密码子加以转录和翻译。 为什么为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能发挥作用的时间才能呈现活化状态呈现活化状态? 结论结论：必然有一个基因作用的：必然有一个基因作用的调控系统调控系统在发挥作用。在发挥作用。 基因调控主要在三个水平上进行：基因调控主要在三个水平上进行：. dna水平上调控。水平上调控。. 转录水平上调控。转录水平上调控。. 翻译水平上调控。翻译水平上调控

24、。一、原核生物的基因调控：一、原核生物的基因调控： 原核生物具有严格的基因表达调控机制。原核生物具有严格的基因表达调控机制。 、转录水平的调控、转录水平的调控: 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平主要发生在转录水平。当。当需要某一特定基因产物时，合成这种需要某一特定基因产物时，合成这种mrna。当不需要这。当不需要这种产物时，种产物时，mrna转录受到抑制。转录受到抑制。 不同调控机制差别很大，但通常可归为不同调控机制差别很大，但通常可归为正调控正调控和和负调负调控控两种。两种。 1.负调控负调控：细胞中阻遏物阻细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制止基因转录过程的

25、调控机制。阻遏物与阻遏物与dna分子结合分子结合 阻碍阻碍rna聚合酶转录聚合酶转录 使基因使基因处于关闭状态；处于关闭状态； 2.正调控正调控：经诱导物诱导转录经诱导物诱导转录的调控机制的调控机制。诱导物通常与蛋白质结合诱导物通常与蛋白质结合 形成一种激活子复合物形成一种激活子复合物 与与基因启动子基因启动子dna 序列结合序列结合 激活基因起始转录激活基因起始转录 使使基因处于表达的状态。基因处于表达的状态。正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；的需要，有的系统既有正调控又有负调

26、控； 降解代谢降解代谢途径中既有正调控又有负调控；途径中既有正调控又有负调控；合成代谢合成代谢途途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。径中一般以负调控来控制产物自身的合成。 原核生物以原核生物以负负调控为主，真核生物以调控为主，真核生物以正正调控为主；调控为主；、乳糖操纵元：、乳糖操纵元： 对于基因作用调控的机理，研究得比较清楚的是关于对于基因作用调控的机理，研究得比较清楚的是关于大肠杆菌大肠杆菌乳糖代谢乳糖代谢的调控。的调控。 在实验条件下，如果把大量的乳糖加入有大肠杆菌的培在实验条件下，如果把大量的乳糖加入有大肠杆菌的培养基内，可以产生使大肠杆菌发生乳糖代谢所需要的三种酶，养基内，可以产

27、生使大肠杆菌发生乳糖代谢所需要的三种酶，半乳糖苷酶，渗透酶，转乙酰酶半乳糖苷酶，渗透酶，转乙酰酶的量急剧增加，培养基的量急剧增加，培养基内内乳糖用完时乳糖用完时，这三种酶的，这三种酶的合成合成同时同时停止停止。 1961年雅各布年雅各布 （jacob f）.和莫诺和莫诺 （monod j.） 根据上根据上述事实提出了一个述事实提出了一个操纵元（子）模型操纵元（子）模型，认为这三个酶的基因，认为这三个酶的基因转录受一个开关单位的控制，这种开关单位即为转录受一个开关单位的控制，这种开关单位即为操纵子操纵子。操纵元（子）：操纵元（子）：由操纵基因以及紧接着的若干结构基因所组由操纵基因以及紧接着的若干

28、结构基因所组成的功能单位，其中的结构基因的转录为操纵基因所控制。成的功能单位，其中的结构基因的转录为操纵基因所控制。 a、乳糖操纵元组成部分、乳糖操纵元组成部分 i ： 编码阻遏蛋白的基因编码阻遏蛋白的基因 p： 启动子启动子 o：操纵子：操纵子 l：前导序列：前导序列z、y、a代表三种酶的结构基因代表三种酶的结构基因是是半乳糖苷酶基因半乳糖苷酶基因是渗透酶基因是渗透酶基因a是转乙酰酶基因是转乙酰酶基因o是开关位点，为操纵基因是开关位点，为操纵基因，起控制结构基因的转录和翻译，起控制结构基因的转录和翻译的作用。的作用。 a. 乳糖操纵元组成部分；乳糖操纵元组成部分；b. 野生型基因型野生型基因

29、型(i+o+z+y+a+), 无乳糖时，基因不表达；无乳糖时，基因不表达；c. 野生型基因型野生型基因型(i+o+z+y+a+), 有乳糖时，基因表达；有乳糖时，基因表达；d. 抑制基因突变抑制基因突变(io+z+y+a+),无乳糖时，基因组成型表达；无乳糖时，基因组成型表达；e. 操纵基因突变型操纵基因突变型(iocz+y+a+),无无乳糖时，基因组成型表达。乳糖时，基因组成型表达。二、真核生物基因的调控：二、真核生物基因的调控： 原核生物操纵元调控中的一些原理也存在于真核原核生物操纵元调控中的一些原理也存在于真核生物基因表达调控中，但是，多细胞真核生物的调控生物基因表达调控中，但是，多细胞

30、真核生物的调控机制，无疑远比原核生物复杂。机制，无疑远比原核生物复杂。 真核生物基因表达的调控可以发生在真核生物基因表达的调控可以发生在dna水平，转录水平，转录水平，转录后的修饰，翻译水平和翻译后的修饰水平，转录后的修饰，翻译水平和翻译后的修饰等多种不等多种不同层次。但多数基因的表达调控仍发生在同层次。但多数基因的表达调控仍发生在转录水平转录水平。 原核生物原核生物真核生物真核生物操纵元调控操纵元调控多样化调控，更为复杂多样化调控，更为复杂基因组小，大肠杆菌基因组小，大肠杆菌:总长总长4.6106bp，编码，编码4288个基因，每个基因，每个基因约个基因约1100bp基因组大，人类基因组全长基因组大