植物基因的结构及其表达调

1、植物基因的结构及其表达调第一章第一章 植物基因的结构及其表达调控植物基因的结构及其表达调控 1. 1. 基因的结构基因的结构 1.1 51.1 5上游区上游区 1.2 51.2 5非翻译区非翻译区 1.3 1.3 编码区编码区 1.4 31.4 3非翻译区非翻译区 2. 2. 基因的表达调控基因的表达调控 2.1 2.1 器官与组织专一性表达的基因器官与组织专一性表达的基因 2.2 2.2 受环境因素诱导而表达的基因受环境因素诱导而表达的基因 2.3 2.3 基因表达的调节机理基因表达的调节机理1. 1. 基因的结构基因的结构 1.1 1.1 55上游区上游区 1.2 1.2 55非翻译区非翻

2、译区 1.3 1.3 编码区编码区 1.4 31.4 3非翻译区非翻译区克隆植物中核基因的方法克隆植物中核基因的方法 在研究一个基因的结构之前，先要克隆到这在研究一个基因的结构之前，先要克隆到这个基因。目前常用来克隆植物中编码蛋白质个基因。目前常用来克隆植物中编码蛋白质的核基因的方法大致有以下几种：的核基因的方法大致有以下几种： 根据蛋白质中所测出的部分氨基酸顺序，根据蛋白质中所测出的部分氨基酸顺序，合成一段与之相对应的由三联密码组成的寡合成一段与之相对应的由三联密码组成的寡核苷酸，以此寡核苷酸为探针，从该植物的核苷酸，以此寡核苷酸为探针，从该植物的基因组文库与基因组文库与cDNAcDNA文库

3、中分别钓出编码此蛋文库中分别钓出编码此蛋白质的基因与白质的基因与cDNAcDNA克隆。克隆。 根据蛋白质中所测出的氨基酸顺序，合根据蛋白质中所测出的氨基酸顺序，合成一对或数对用于聚合酶链式反应成一对或数对用于聚合酶链式反应(PCR)(PCR)的引物，以植物总的引物，以植物总DNADNA为模板，扩增或分为模板，扩增或分段扩增出所要克隆的基因或基因片段、再段扩增出所要克隆的基因或基因片段、再以此以此DNADNA片段为探针，从基因组文库与片段为探针，从基因组文库与cDNAcDNA文库中分别钓出编码此蛋白的基因与文库中分别钓出编码此蛋白的基因与cDNAcDNA克隆。克隆。克隆植物中核基因的方法克隆植物

4、中核基因的方法克隆植物中核基因的方法克隆植物中核基因的方法 如果基因的产物不明确或蛋白质不易提纯而无法测序，如果基因的产物不明确或蛋白质不易提纯而无法测序，但是知道该基因突变后所出现的表型改变，则可用转座子但是知道该基因突变后所出现的表型改变，则可用转座子标签法来分离基因，该法是利用转座子在染色体上能够移标签法来分离基因，该法是利用转座子在染色体上能够移动的特性，分离出由于转座因子插入而造成该基因表型改动的特性，分离出由于转座因子插入而造成该基因表型改变的突变株，构建突变株的基因组文库，以转座子作探针，变的突变株，构建突变株的基因组文库，以转座子作探针，从文库中钓出能与转座子探针杂交的阳性克隆

5、。然后以该从文库中钓出能与转座子探针杂交的阳性克隆。然后以该克隆中转座子的旁邻顺序为探针，从野生型植物的基因组克隆中转座子的旁邻顺序为探针，从野生型植物的基因组文库中钓出杂交阳性的克隆，这就有可能得到所要克隆的文库中钓出杂交阳性的克隆，这就有可能得到所要克隆的基因。也有用农杆菌中的基因。也有用农杆菌中的T TDNADNA作插入突变来克隆基因的，作插入突变来克隆基因的，原理相同。原理相同。克隆植物中核基因的方法克隆植物中核基因的方法 现在已有许多植物如水稻、番茄与拟南现在已有许多植物如水稻、番茄与拟南芥等的限制片段长度多态性图谱芥等的限制片段长度多态性图谱RFLPRFLP）被建立，因此可利用这种

6、图谱，通过共分被建立，因此可利用这种图谱，通过共分离分析找出与所要克隆基因有紧密连锁关离分析找出与所要克隆基因有紧密连锁关系的分子标记，然后利用染色体步行或染系的分子标记，然后利用染色体步行或染色体着陆色体着陆(chromosome landing)(chromosome landing)策略，找策略，找到所要克隆的基因。到所要克隆的基因。克隆植物中核基因的方法克隆植物中核基因的方法 如果有该基因的突变株或该基因受某种因素诱导表达，则如果有该基因的突变株或该基因受某种因素诱导表达，则可利用可利用mRNAmRNA的差异显示法或减法克隆策略找到所要克隆的基因。的差异显示法或减法克隆策略找到所要克隆

7、的基因。除以上几种方法外，也有人用其他生物中已被克隆的同源基因的顺除以上几种方法外，也有人用其他生物中已被克隆的同源基因的顺序作探针或据此合成引物，从所研究的植物中克隆出同源的基因。序作探针或据此合成引物，从所研究的植物中克隆出同源的基因。在克隆到基因与在克隆到基因与cDNAcDNA后，即可对它们进行测序，并将基因的全顺序后，即可对它们进行测序，并将基因的全顺序与相应的与相应的cDNAcDNA顺序作比较，就可以初步了解该基因结构的概况，如顺序作比较，就可以初步了解该基因结构的概况，如基因转录起始点的位置，内含子的数目、位置及其长度，终止密码基因转录起始点的位置，内含子的数目、位置及其长度，终止

8、密码子与加子与加po1yApo1yA信号的位置等。通过基因的信号的位置等。通过基因的cDNAcDNA克隆在细菌细胞中的高克隆在细菌细胞中的高表达，以纯化出它所编码的蛋白质，在测出该蛋白质氨基端的部分表达，以纯化出它所编码的蛋白质，在测出该蛋白质氨基端的部分氨基酸顺序后，即可确定基因的翻译起始密码子，并推测出基因所氨基酸顺序后，即可确定基因的翻译起始密码子，并推测出基因所编码蛋白质中的氨基酸顺序与蛋白质的相对分子质量编码蛋白质中的氨基酸顺序与蛋白质的相对分子质量MrMr。 近年来，很多科学家对植物基因的结构进近年来，很多科学家对植物基因的结构进行了研究，结果表明它们与其他真核基因行了研究，结果表

9、明它们与其他真核基因的结构很相似。下面将他们对植物基因中的结构很相似。下面将他们对植物基因中4 4个区域结构的研究结果简述如下：个区域结构的研究结果简述如下：回1之目录1.1 51.1 5上游区上游区 这是指基因转录起始点这是指基因转录起始点55端上游包括启端上游包括启动子在内的一段很长的区域，其中包含着动子在内的一段很长的区域，其中包含着与基因转录起始与表达调控有关的许多元与基因转录起始与表达调控有关的许多元件。这个区域在结构上有以下几点值得注件。这个区域在结构上有以下几点值得注意。意。 （1 1）转录起始位点）转录起始位点 （2 2）TATA boxTATA box、 CAAT boxCA

10、AT box （3 3）顺式作用元件）顺式作用元件（1 1）转录起始位点）转录起始位点 JoshiJoshi曾比较了曾比较了7979个高等植物基因启动区的个高等植物基因启动区的DNADNA顺序，推衍出在基因转录起始点附近的顺序，推衍出在基因转录起始点附近的一致顺序一致顺序(consensus sequence)(consensus sequence)是是CTCATCACTCATCA。当中的一个当中的一个A A是转录起始的核苷酸，一般都是转录起始的核苷酸，一般都将此核苷酸编号为将此核苷酸编号为+1+1位。转录本中的核苷位。转录本中的核苷酸位置均以正数表示，而酸位置均以正数表示，而A A的的55上

11、游区非上游区非转录核苷酸则以负数表示，转录核苷酸则以负数表示，A A的两边通常是的两边通常是嘧啶核苷酸。嘧啶核苷酸。 （2 2）TATA boxTATA box、 CAAT boxCAAT box JoshiJoshi的总结中还指出，在转录起始点上游的总结中还指出，在转录起始点上游32327 7 核苷酸对核苷酸对(bp)(bp)处有一段一致顺序处有一段一致顺序TCACTATATAGTCACTATATAG，简称为，简称为TATA boxTATA box，这些顺序，这些顺序对对RNARNA聚合酶聚合酶准确地使基因起始转录是必准确地使基因起始转录是必需的。在需的。在TATA box TATA box

12、 上游上游-75bp -75bp 附近常有一附近常有一致顺序致顺序GC(TGC(TC)CAATCTC)CAATCT，简称，简称CAAT CAAT boxbox这些顺序有增强基因特录的作用。在这些顺序有增强基因特录的作用。在有些植物基因中没有明显的有些植物基因中没有明显的TATA boxTATA box，在另一些植物基团中，在另一些植物基团中，AGGA boxAGGA box替代了替代了CAAT box CAAT box （3 3）顺式作用元件）顺式作用元件 在在55端远上游区域中还存在对基因的表端远上游区域中还存在对基因的表达有增强或阻遏作用的顺序、决定基因在达有增强或阻遏作用的顺序、决定基因

13、在特定时空表达的顺序以及对激素或外界胁特定时空表达的顺序以及对激素或外界胁迫有应答作用的顺序，由于这些顺序对基迫有应答作用的顺序，由于这些顺序对基因表达起调控作用，因此统称为调控元件，因表达起调控作用，因此统称为调控元件，又由于它们与基因位于同一条又由于它们与基因位于同一条DNADNA链上，故链上，故又称顺式作用元件又称顺式作用元件(cis(cisacting element)acting element)。有些研究论文中提到的启动子有时也指包有些研究论文中提到的启动子有时也指包括了这些元件在内的很长一段区域括了这些元件在内的很长一段区域 1.2 51.2 5非翻译区非翻译区 基因的转录起始位

14、点到翻译起始密码子之间的一段顺基因的转录起始位点到翻译起始密码子之间的一段顺序被称为序被称为55非翻译区。该区的非翻译区。该区的55端是前体端是前体mRNAmRNA加帽加帽(7-(7-甲基鸟嘌呤核苷）的位点。有些基因的甲基鸟嘌呤核苷）的位点。有些基因的55非翻译区非翻译区中还有一些茎环结构。这些茎环结构与翻译起始密码子中还有一些茎环结构。这些茎环结构与翻译起始密码子的旁邻顺序对翻译的效率都有影响。此外在有些值物基的旁邻顺序对翻译的效率都有影响。此外在有些值物基团的团的55非翻译区中还鉴定出有内含子存在。如在非翻译区中还鉴定出有内含子存在。如在UbiquitinUbiquitin基因、基因、Sh

15、Sh基因、基因、ActinActin基因、基因、AshlAshl基因与基因与WxWx基基因的因的55非翻译区中均有内含子存在，且这些内含子都有非翻译区中均有内含子存在，且这些内含子都有增强基因表达的作用。增强基因表达的作用。1.3 1.3 编码区编码区 这是指从翻译起始密码列终止密码之间的一段区这是指从翻译起始密码列终止密码之间的一段区域，或者说是指这一区域中的所有外显子部分。域，或者说是指这一区域中的所有外显子部分。（1 1）KozakKozak比较了比较了4747种植物基因与植物病毒基因中翻译种植物基因与植物病毒基因中翻译起始位点附近的起始位点附近的2323个核苷酸，除了一个基因例外，其余

16、个核苷酸，除了一个基因例外，其余的都是从的都是从55端的第一个端的第一个AUGAUG作为翻译起始密码子的。例作为翻译起始密码子的。例外的是菜豆的凝集素基因，它的转录本外的是菜豆的凝集素基因，它的转录本55端有端有4 4个个AUGAUG，但彼此的读码框不同。可能由于前面但彼此的读码框不同。可能由于前面3 3个个AUGAUG的旁邻顺序的旁邻顺序不适宜核糖体的识别而不被使用，第不适宜核糖体的识别而不被使用，第4 4个个AUGAUG才是真正的才是真正的翻译起始密码子。翻译起始密码子。1.3 1.3 编码区编码区（2 2）关于编码区外显子中）关于编码区外显子中4 4种核苷酸的比种核苷酸的比例，例，Mur

17、rayMurray统计了统计了5454种单子叶植物基因与种单子叶植物基因与3 3种双子叶植物基因，总结出单子叶植物种双子叶植物基因，总结出单子叶植物基因的基因的AUAU含量为含量为5454，双子叶植物基因中，双子叶植物基因中AUAU含量为含量为4343。主要的差别是发生在密码。主要的差别是发生在密码子的第子的第3 3个碱基上，双子叶植物基因对个碱基上，双子叶植物基因对A A、U U、C C、G 4G 4种碱基的选用机率基本相似，种碱基的选用机率基本相似，而单子叶植物基因则偏向于选择而单子叶植物基因则偏向于选择A A与与U U。1.3 1.3 编码区编码区（3 3）像其他真核基因一样，植物基因的

18、编码区中也常）像其他真核基因一样，植物基因的编码区中也常有数目不等的内含子，而且有些编码区中的内含子也有有数目不等的内含子，而且有些编码区中的内含子也有增强基因表达的作用。增强基因表达的作用。（4 4）有些真核基因中的一个外显子正好对应此基因）有些真核基因中的一个外显子正好对应此基因所编码蛋白质中的一个结构域，因此有人推测在基因所编码蛋白质中的一个结构域，因此有人推测在基因演化过程中，一个内含子可能会带着相邻的外显子在演化过程中，一个内含子可能会带着相邻的外显子在基因间飘移，从而构成由不同结构域组成的不同蛋白基因间飘移，从而构成由不同结构域组成的不同蛋白质分子。质分子。1.4 31.4 3非翻

19、译区非翻译区这是指转录本中终止密码子后面的一段顺序，这段顺序中也有一这是指转录本中终止密码子后面的一段顺序，这段顺序中也有一些调控元件，它们对些调控元件，它们对mRNAmRNA的稳定性和翻译的效率均起重要的调节的稳定性和翻译的效率均起重要的调节作用。作用。（1 1）AngenonAngenon等分析了等分析了748748种植物基因中围绕终止密码子的种植物基因中围绕终止密码子的1818个核苷酸顺个核苷酸顺序，总结出所有序，总结出所有3 3种已知的终止密码子都能被植物基因用作翻译终止讯号，种已知的终止密码子都能被植物基因用作翻译终止讯号，但使用的比例则因植物的不同而有差别。单子叶植物基因使用但使用

20、的比例则因植物的不同而有差别。单子叶植物基因使用UGAUGA作为终作为终止密码的占止密码的占4646，UAAUAA与与UAGUAG的分别占的分别占2828与与2626，而双子叶植物首选，而双子叶植物首选UAAUAA占占4646，而用，而用UGAUGA与与UAGUAG的分别为的分别为3636与与1818，而琥珀密码子，而琥珀密码子UAGUAG选用的百选用的百分比最低。分比最低。（2 2）在）在mRNAmRNA末端有末端有1 1或或2 2个加个加polyApolyA信号，多数植物基因均为信号，多数植物基因均为AAUAAAAAUAAA，有少数基因其中的个别核苷酸有不同。有少数基因其中的个别核苷酸有不

21、同。2 2基因的表达调控基因的表达调控 在植物的一个生命周期，即从种子胚到下一代种在植物的一个生命周期，即从种子胚到下一代种子胚的形成过程中，要经过许多不同的发育阶段与子胚的形成过程中，要经过许多不同的发育阶段与形成许多不同的组织与器官。这些过程都是与基因形成许多不同的组织与器官。这些过程都是与基因时空专一性表达密切相关的。同时，植物的生长与时空专一性表达密切相关的。同时，植物的生长与发育也离不开光、温度等外界环境，而干旱、水涝、发育也离不开光、温度等外界环境，而干旱、水涝、盐碱、甚至病虫害的侵袭等也会影响植物的正常生盐碱、甚至病虫害的侵袭等也会影响植物的正常生长与发育。因此，弄清基因时空表达

22、以及环境因素长与发育。因此，弄清基因时空表达以及环境因素如何诱导基因表达的分子机理在理论上与实际应用如何诱导基因表达的分子机理在理论上与实际应用上都有重要的意义。上都有重要的意义。2 2基因的表达调控基因的表达调控 2.1 2.1 器官与组织专一性表达的基因器官与组织专一性表达的基因 2.2 2.2 受环境因素诱导而表达的基因受环境因素诱导而表达的基因 2.3 2.3 基因表达的调节机理基因表达的调节机理2.1 2.1 器官与组织专一性表达的基因器官与组织专一性表达的基因 一般用于确定某个基因在何种组织中专一表达的方法有以下几种：一般用于确定某个基因在何种组织中专一表达的方法有以下几种：（1

23、1）以基因编码区中的一段顺序为探针，与从不同组织或器官中）以基因编码区中的一段顺序为探针，与从不同组织或器官中抽提出的总抽提出的总RNARNA进行进行NorthernNorthern杂交。杂交。（2 2）将待测基因的启动子）将待测基因的启动子( (包括包括55远上游区远上游区)DNA)DNA与一种报告基与一种报告基因的编码区及因的编码区及33端终止区连接，建成融合基因，经转化植物并得端终止区连接，建成融合基因，经转化植物并得到再生植株后，用组织化学或其他分析方法，检测该报告基因在到再生植株后，用组织化学或其他分析方法，检测该报告基因在转化植株的何种组织与细胞中表达。常用的报告基因有转化植株的何

24、种组织与细胞中表达。常用的报告基因有GUSGUS基因，基因，CATCAT基因与基因与LUSLUS基因等。基因等。（3 3）将基因所编码的蛋白制备出抗体，对植物的不同组织切）将基因所编码的蛋白制备出抗体，对植物的不同组织切片进行免疫原位杂文。近年来用上述方法已初步确定了一些在片进行免疫原位杂文。近年来用上述方法已初步确定了一些在不同植物的各种组织中专一性表达的基因，现各举一例介绍如不同植物的各种组织中专一性表达的基因，现各举一例介绍如下：下： 在营养器官中：在营养器官中： （1 1）编码）编码RubiscoRubisco小亚基的小亚基的rbcSrbcS基因。主要在叶子的基因。主要在叶子的叶肉细胞

25、、叶表面的保卫细胞，中脉与绿色组织细叶肉细胞、叶表面的保卫细胞，中脉与绿色组织细胞中表达。胞中表达。 （2 2）编码富含羟基脯氨酸的糖蛋白的）编码富含羟基脯氨酸的糖蛋白的HRGPHRGP基因。基因。 此种糖蛋白是植物细胞壁的主要结构成分，有防御病菌感此种糖蛋白是植物细胞壁的主要结构成分，有防御病菌感染的作用，主要在茎的栅状细胞、表皮细胞与滴漏细胞中染的作用，主要在茎的栅状细胞、表皮细胞与滴漏细胞中表达。表达。 （3 3）编码）编码S S腺苷甲硫氨酸合成酶并参与多胺与乙烯生物腺苷甲硫氨酸合成酶并参与多胺与乙烯生物合成的合成的55Sam-1Sam-1基因。主要在维管组织的木质部、韧皮基因。主要在维

26、管组织的木质部、韧皮部，厚壁组织与根的皮层中表达。部，厚壁组织与根的皮层中表达。在生殖器官中：在生殖器官中： (1)(1)P P2 2 基因。只在雄蕊的成熟花粉与花粉管中表达，它基因。只在雄蕊的成熟花粉与花粉管中表达，它所编码的蛋白与聚半乳糖醛酶有同源性，推测此蛋白参所编码的蛋白与聚半乳糖醛酶有同源性，推测此蛋白参与花粉管萌发与生长时的果胶解聚作用。与花粉管萌发与生长时的果胶解聚作用。 (2)(2)def def 基因。它是金鱼草中编码一种转录因子的基因，基因。它是金鱼草中编码一种转录因子的基因，该基因发生突变后即造成金鱼草的雄性器官转换成不正该基因发生突变后即造成金鱼草的雄性器官转换成不正常

27、的雌性器官，它只在花器官的雄蕊中表达。常的雌性器官，它只在花器官的雄蕊中表达。 (3)(3)PAL2 PAL2 基因。它编码苯丙氨酸解氨酶，参与花色基因。它编码苯丙氨酸解氨酶，参与花色素的合成，只在花瓣中表达。素的合成，只在花瓣中表达。 在种子中：在种子中： (1) (1)编码大豆贮藏蛋白的的编码大豆贮藏蛋白的的Gy4Gy4基因。基因。 它只在胚乳组织中表达。它只在胚乳组织中表达。 (2)O(2)O2 2基因。它是玉米中编码一种转录因子的基因。它是玉米中编码一种转录因子的基因，该因子调节玉米醇溶蛋白基因的表达、基因，该因子调节玉米醇溶蛋白基因的表达、O O2 2基因只在玉米的胚乳中表达。（奥帕

28、克基因只在玉米的胚乳中表达。（奥帕克-2-2（OpaqueOpaque2 2），它是辛格尔顿（），它是辛格尔顿（SingletenSingleten）发现的发现的 ） 在种子中：在种子中： (3) (3)编码禾谷类编码禾谷类-淀粉酶的淀粉酶的AmylAmyl基因。当种子吸水基因。当种子吸水后开始萌发时，该基因在糊粉层中表达。后开始萌发时，该基因在糊粉层中表达。 除了上述几个例子外，近年来还鉴定出了一些专除了上述几个例子外，近年来还鉴定出了一些专一在果实、块茎与根瘤中表达的基因，此处不一一列一在果实、块茎与根瘤中表达的基因，此处不一一列举。但要指出的是：举。但要指出的是：许多组织专一性表达的基因

29、，许多组织专一性表达的基因，往往也是发育阶段专一性表达的基因。如一些贮藏蛋往往也是发育阶段专一性表达的基因。如一些贮藏蛋白基因。白基因。有些外界因素会改变基因表达的部位。如有些外界因素会改变基因表达的部位。如土豆的土豆的Class patatin Class patatin 基因，它编码土豆的贮藏基因，它编码土豆的贮藏蛋白，主要在块茎中表达，在叶与茎中不表达。但当蛋白，主要在块茎中表达，在叶与茎中不表达。但当块茎与腋生芽被除去后，该基因即在茎与叶柄中表达。块茎与腋生芽被除去后，该基因即在茎与叶柄中表达。此外蔗糖也可诱导此基因在叶与茎中表达。此外蔗糖也可诱导此基因在叶与茎中表达。2.2 2.2

30、受环境因素诱导而表达的基因受环境因素诱导而表达的基因 一些非生物性胁迫因素如高温、低温、一些非生物性胁迫因素如高温、低温、干旱、水涝、盐碱、重金属离子与创伤以干旱、水涝、盐碱、重金属离子与创伤以及一些生物性胁迫因素如致病菌的感染与及一些生物性胁迫因素如致病菌的感染与根瘤菌的入侵等均能诱导植物基因的表达，根瘤菌的入侵等均能诱导植物基因的表达，在胁迫因素与基因表达之间有一个很复杂在胁迫因素与基因表达之间有一个很复杂的信号传导过程，这里只介绍几个受这些的信号传导过程，这里只介绍几个受这些因素诱导的基因的例子。因素诱导的基因的例子。2.2 2.2 受环境因素诱导而表达的基因受环境因素诱导而表达的基因

31、2.2.1 2.2.1 热休克蛋白热休克蛋白 2.2.2 2.2.2 低温诱导的基因低温诱导的基因 2.2.3 2.2.3 水涝诱导的基因水涝诱导的基因 2.2.4 2.2.4 脱水诱导的基因脱水诱导的基因 2.2.5 2.2.5 创伤诱导的基因创伤诱导的基因 2.2.6 2.2.6 病菌感染所诱导的基因病菌感染所诱导的基因2.2.1 2.2.1 热休克蛋白热休克蛋白 当在正常温度中生长的植物突然转到当在正常温度中生长的植物突然转到4040左右温度的环境中时、有一组称为热休克左右温度的环境中时、有一组称为热休克基因很快表达。这些基因所编码蛋白的基因很快表达。这些基因所编码蛋白的MrMr有有80

32、-90kD80-90kD，65-75kD65-75kD与与15-30kD15-30kD等几种，一等几种，一些植物中的热休克基因已经被克隆，并鉴些植物中的热休克基因已经被克隆，并鉴定出了它们定出了它们55上游区中的一些调控元件，上游区中的一些调控元件，并同其他生物热休克基因的调控元件在顺并同其他生物热休克基因的调控元件在顺序上有很高的同源性。序上有很高的同源性。2.2.2 2.2.2 低温诱导的基因低温诱导的基因 有报道说将一些植物先在非冰冻的低温中有报道说将一些植物先在非冰冻的低温中暴露一些时候，再转到结冰的温度环境中暴露一些时候，再转到结冰的温度环境中时，它们就能在一段时间内耐受这种结冰时，

33、它们就能在一段时间内耐受这种结冰的环境。研究表明在这种低温处理过程中的环境。研究表明在这种低温处理过程中植物合成了一些蛋白。植物合成了一些蛋白。KurkelaKurkela等从拟南芥等从拟南芥中克隆了冷诱导与中克隆了冷诱导与ABAABA诱导的基因，并对它诱导的基因，并对它的特性进行了研究。玉米的特性进行了研究。玉米mlip 15mlip 15基因编码基因编码一个具有一个具有bZIPbZIP结构域的蛋白结构域的蛋白, ,低温、低温、ABAABA或或盐均能诱导该基因的表达。盐均能诱导该基因的表达。2.2.3 2.2.3 水涝诱导的基因水涝诱导的基因 玉米的根部遭到水淹时。有些基因很快就玉米的根部遭

34、到水淹时。有些基因很快就表达，这是植物对厌氧胁迫的一种应答与表达，这是植物对厌氧胁迫的一种应答与适应机制，在此种条件下表达的基因有醇适应机制，在此种条件下表达的基因有醇脱氢酶基因脱氢酶基因Adh 1Adh 1、Adh 2Adh 2，蔗糖合成酶基，蔗糖合成酶基因，醛缩酶基因等。在因，醛缩酶基因等。在Adh 1Adh 1基出的基出的55上上游区鉴定出了与厌氧诱导有关的顺式作用游区鉴定出了与厌氧诱导有关的顺式作用元件以及有关的反式作用因子。元件以及有关的反式作用因子。2.2.4 2.2.4 脱水诱导的基因脱水诱导的基因 已在很多植物中克隆出了由于脱水的胁迫而诱导的已在很多植物中克隆出了由于脱水的胁迫

35、而诱导的基因，如大麦与玉米中的基因，如大麦与玉米中的dehydrindehydrin 基因、麦根中的基因、麦根中的WSP 23WSP 23 基因与拟南芥中具有跨膜通道结构蛋白的基基因与拟南芥中具有跨膜通道结构蛋白的基因等。这些基因不但在植物脱水时被诱导，也能被脱因等。这些基因不但在植物脱水时被诱导，也能被脱落酸落酸(ABA)(ABA)所诱导，所诱导，TakahashiTakahashi等从水稻中克隆了等从水稻中克隆了Wsi Wsi 1818 基因。水稻经基因。水稻经0.5 molL0.5 molL-1-1甘露醇处理甘露醇处理30 min30 min后该基后该基因即被诱导表达，但不被因即被诱导表

36、达，但不被ABAABA所诱导。此基因的顺所诱导。此基因的顺序与序与LEA4LEA4基因基因(late embryogenesis(late embryogenesisabundant gene)abundant gene)有有部分同源性。部分同源性。2.2.5 2.2.5 创伤诱导的基因创伤诱导的基因 当植物受到机械损伤或虫咬受伤后，一些当植物受到机械损伤或虫咬受伤后，一些基因往往被诱导表达。已从土豆中克隆出基因往往被诱导表达。已从土豆中克隆出了创伤诱导的蛋白酶抑制剂了创伤诱导的蛋白酶抑制剂基因与番茄基因与番茄中的中的extension extension 基因。土豆蛋白酶抑制剂基因。土豆蛋白

37、酶抑制剂基因在正常条件下是在种子或块茎中表达基因在正常条件下是在种子或块茎中表达的，植物受伤后可在非储藏器官中表达。的，植物受伤后可在非储藏器官中表达。此种蛋白质性质的蛋白酶抑制剂能抑制多此种蛋白质性质的蛋白酶抑制剂能抑制多种微生物或昆虫蛋白酶的活性，但很少抑种微生物或昆虫蛋白酶的活性，但很少抑制植物来源的蛋白酶的活性。制植物来源的蛋白酶的活性。2.2.6 2.2.6 病菌感染所诱导的基因病菌感染所诱导的基因 病菌感染植物后，常会诱导一些被称病菌感染植物后，常会诱导一些被称为致病相关基因为致病相关基因(pathogenesis-related (pathogenesis-related gen

38、e)gene)的表达。其个有一些是编码水解酶的的表达。其个有一些是编码水解酶的基因，如几丁质酶基因、基因，如几丁质酶基因、-1,3-1,3-葡聚糖酶葡聚糖酶基因、以及参与木质素或抗真菌的基因、以及参与木质素或抗真菌的phytoalexinphytoalexin合成的如苯丙氨酸氨解酶基因合成的如苯丙氨酸氨解酶基因与与4-4-香豆酸香豆酸CoACoA连接酶基因。这些基因的连接酶基因。这些基因的调控元件已被鉴定，鉴定信号受体与研究调控元件已被鉴定，鉴定信号受体与研究信号传导途径是目前的一个研究热点。信号传导途径是目前的一个研究热点。2.3 2.3 基因表达的调节机理基因表达的调节机理 基因的表达指基

39、因在聚合酶基因的表达指基因在聚合酶的作用下转的作用下转录成前体录成前体RNARNA，前体，前体RNARNA经过加工产生经过加工产生mRNAmRNA，以及以及mRNAmRNA翻译成多肽并折叠成有活性蛋白翻译成多肽并折叠成有活性蛋白质分子的过程。上述过程的每一步骤都分质分子的过程。上述过程的每一步骤都分别有许多包括蛋白质与蛋白质、蛋白质与别有许多包括蛋白质与蛋白质、蛋白质与DNADNA、蛋白质与、蛋白质与RNARNA、DNADNA与与RNARNA之间的相互之间的相互作用以及受到许多顺式作用元件与反式作作用以及受到许多顺式作用元件与反式作用因子精密的、级联式的调节。用因子精密的、级联式的调节。2.3

40、 2.3 基因表达的调节机理基因表达的调节机理 2.3.1 2.3.1 转录水平上的调节转录水平上的调节 2.3.2 2.3.2 转录后的加工转录后的加工 2.3.3 2.3.3 翻译水平上的调节翻译水平上的调节2.3.1 2.3.1 转录水平上的调节转录水平上的调节 2.3.1.1 2.3.1.1 染色质的结构与转录染色质的结构与转录 2.3.1.2 2.3.1.2 DNADNA甲基化甲基化 2.3.1.3 2.3.1.3 转录起始复合物转录起始复合物 2.3.1.4 2.3.1.4 顺式作用元件顺式作用元件 2.3.1.5 2.3.1.5 反式作用因子反式作用因子2.3.1.1 2.3.1

41、.1 染色质的结构与转录染色质的结构与转录 染色质由染色质由DNADNA与组蛋白组装而成，其最简单与组蛋白组装而成，其最简单的样式是核小体。核小体的核心是由二个的样式是核小体。核小体的核心是由二个相同的拷贝相同的拷贝( (每个拷贝中包含组蛋白每个拷贝中包含组蛋白H H2 2A A，H H2 2B B，H H3 3与与H H4 4) )组成的八聚体。组成的八聚体。DNADNA分子缠绕分子缠绕在组蛋白核心上每个组蛋白核心上绕有在组蛋白核心上每个组蛋白核心上绕有二圈二圈DNADNA分子，约长分子，约长l46bpl46bp。第。第5 5种组蛋白种组蛋白H H1 1结合在核小体两端的结合在核小体两端的D

42、NADNA分子上，使链珠状分子上，使链珠状的染色质变成在体积上进一步压缩了的线的染色质变成在体积上进一步压缩了的线圈状的染色质。圈状的染色质。 2.3.1.1 2.3.1.1 染色质的结构与转录染色质的结构与转录 在某种基因将被转录之前，该基因所在的一段染色质的在某种基因将被转录之前，该基因所在的一段染色质的压缩结构会松散与展开。这就可以用压缩结构会松散与展开。这就可以用DNaseDNase处理细胞核，处理细胞核，然后以该基因的然后以该基因的DNADNA片段作探针与从核中抽提出的总片段作探针与从核中抽提出的总DNADNA，经限制性内切酶切成一定长的片段后进行经限制性内切酶切成一定长的片段后进行

43、southernsouthern杂交杂交来检测。将要被转录的基因的所在区域由于染色质的压来检测。将要被转录的基因的所在区域由于染色质的压缩结构已展开，故能被缩结构已展开，故能被DNaseDNase消化。消化。SouthernSouthern杂交结果杂交结果为阴性。在该基因不被转录的组织中染色质仍维持压为阴性。在该基因不被转录的组织中染色质仍维持压缩状态。缩状态。DNaseDNase酶不能水解酶不能水解DNADNA，杂交结果则为阳性。，杂交结果则为阳性。 2.3.1.1 2.3.1.1 染色质的结构与转录染色质的结构与转录 最近有人从酵母中鉴定出一个由多种蛋白亚基组成的最近有人从酵母中鉴定出一个

44、由多种蛋白亚基组成的SWISWISNFSNF复合体，其中包括复合体，其中包括SWI 1SWI 1（ADR6ADR6），），SWI 2SWI 2（SNF 2SNF 2），），SWI3SWI3，SNF 5SNF 5与与SNF 6 SNF 6 等等 5 5 个基因编码个基因编码的蛋白质。由于此复合物中的的蛋白质。由于此复合物中的SWI2SWI2蛋白与蛋白与ATPaseATPase以及以及helicasehelicase分子中有相似的形状，因此有人推测此复合分子中有相似的形状，因此有人推测此复合物可能与核小体物可能与核小体DNADNA相互作用，并利用相互作用，并利用ATPATP水解所产生水解所产生的能

45、量来改变的能量来改变DNADNA组蛋白的相互作用，并使组蛋白的相互作用，并使1 1个或个或2 2个个H2AH2AH2BH2B二聚体从三元复合体中丢失，以使基因得二聚体从三元复合体中丢失，以使基因得以转录以转录 2.3.1.2 DNA2.3.1.2 DNA甲基化甲基化 包括植物在内，在所研究过的许多生物中，包括植物在内，在所研究过的许多生物中，DNADNA的的胞嘧啶碱基，特别是胞嘧啶碱基，特别是CpGCpG顺序上胞嘧啶分子中第顺序上胞嘧啶分子中第5 5位位点常被甲基化。在脊椎动物点常被甲基化。在脊椎动物DNADNA上的胞嘧啶有上的胞嘧啶有3 36 6被甲基化，而在维管植物被甲基化，而在维管植物D

46、NADNA中，约有中，约有1 13 3 胞胞嘧啶是被甲基化了的。对许多基因来说，被甲基化嘧啶是被甲基化了的。对许多基因来说，被甲基化了的了的CpGCpG主要位于主要位于55上游调控区内。有人推测，由上游调控区内。有人推测，由于于CpGCpG上的上的C C被甲基化使被甲基化使DNADNA的大沟上产生了一个的大沟上产生了一个突起。因此局部地改变了转录因子所识别的信号，突起。因此局部地改变了转录因子所识别的信号，并妨碍转录因子与顺式作用元件的结合而影响基因并妨碍转录因子与顺式作用元件的结合而影响基因的转录。的转录。 2.3.1.2 DNA2.3.1.2 DNA甲基化甲基化 用豌豆、小麦、大豆与花椰菜

47、为材料所做的研究表明。用豌豆、小麦、大豆与花椰菜为材料所做的研究表明。顺式作用元件上的胞嘧啶被甲基化后在体外即不能被转顺式作用元件上的胞嘧啶被甲基化后在体外即不能被转录因子所结合。有一些在特定发育阶段才表达的基因，录因子所结合。有一些在特定发育阶段才表达的基因，在未表达时，其在未表达时，其55上游的上游的CpGCpG是被甲基化的。当达到发是被甲基化的。当达到发育阶段时，育阶段时，CpGCpG上的甲基会被去掉，基因即能表达。这上的甲基会被去掉，基因即能表达。这表明甲基化与去甲基化是被某种因素调节的。也有报道表明甲基化与去甲基化是被某种因素调节的。也有报道指出，核小体中的指出，核小体中的H H1

48、1组蛋白在体外优先结合在被甲基组蛋白在体外优先结合在被甲基化的化的DNADNA上，这样会更有效地阻遏基因的转录上，这样会更有效地阻遏基因的转录 2.3.1.3 2.3.1.3 转录起始复合物转录起始复合物 RNARNA聚合酶聚合酶(Pol)(Pol)虽然能以小牛胸腺虽然能以小牛胸腺DNADNA为模板合成多聚核糖核苷酸分子。但它不为模板合成多聚核糖核苷酸分子。但它不能在体外对启动子有选择性的起始转录，能在体外对启动子有选择性的起始转录，这表明除了这表明除了PolPol外，还有其他因子参与有外，还有其他因子参与有选择性的转录起始。选择性的转录起始。 2.3.1.3 2.3.1.3 转录起始复合物转

49、录起始复合物通过层析分离法从酵母等细胞中逐步分离与鉴定出了被称为通用通过层析分离法从酵母等细胞中逐步分离与鉴定出了被称为通用转录因子转录因子(general transcription factors, GTFs)(general transcription factors, GTFs)中的中的8 8种蛋白，种蛋白，它们是它们是TFATFA、BB、DD、EE、FF、HH、II与与JJ。这些。这些GTFsGTFs能与能与PolPol有序地在基因的启动子上组装，以形成在体外能使基因有序地在基因的启动子上组装，以形成在体外能使基因起始转录的起始复合物。其中起始转录的起始复合物。其中TFDTFD与与

50、TBPTBP蛋白、蛋白、TAFsTAFs（与（与 TBPTBP蛋蛋白相联合的因子）一起形成一个多亚基复合物，结合在白相联合的因子）一起形成一个多亚基复合物，结合在TATAboxTATAbox上；上；TFBTFB是作为是作为 PolPol与结合在启动子与结合在启动子TATA boxTATA box上上TBPTBP蛋白的桥梁，蛋白的桥梁，起转录起始位点的选择作用；起转录起始位点的选择作用；TFFTFF结合在结合在PolPol上，对上，对PolPol所转所转录出的转录本有激活其延伸的作用；录出的转录本有激活其延伸的作用；TFHTFH具有依赖于具有依赖于DNADNA的的ATPaseATPase的活力与

51、的活力与 DNA DNA 解旋酶的活力。解旋酶的活力。2.3.1.3 2.3.1.3 转录起始复合物转录起始复合物 另外，当起始复合物形成时，结合在增强子元件上的转录另外，当起始复合物形成时，结合在增强子元件上的转录因子会与因子会与TFDTFD蛋白相互作用，以增强蛋白相互作用，以增强PolPol转录基因的速转录基因的速率；率；SRBSRB多肽是多肽是RNARNA聚合酶聚合酶B B的抑制蛋白，它能刺激基础转的抑制蛋白，它能刺激基础转录与被活化了的转录。最近发现录与被活化了的转录。最近发现PolPol分子中羧基端结构分子中羧基端结构域（域（CTDCTD）在转录起始中也发挥着重要的作用，）在转录起始

52、中也发挥着重要的作用，SRBSRB多肽、多肽、GTFsGTFs以及一些尚未鉴定清楚的蛋白因子都通过以及一些尚未鉴定清楚的蛋白因子都通过CTDCTD被锚锭被锚锭在在PolPol分子上。分子上。PolPol的的CTDCTD在有些条件下被磷酸化，推在有些条件下被磷酸化，推测磷酸化后的测磷酸化后的CTDCTD可以使可以使 PolPol与起始复合物中的其他成与起始复合物中的其他成分解离而离开启动子，因此分解离而离开启动子，因此CTDCTD的磷酸化也在转录起始过的磷酸化也在转录起始过程中起着控制与调节的作用。程中起着控制与调节的作用。2.3.1.4 2.3.1.4 顺式作用元件顺式作用元件 顺式作用元件是

53、指基因顺式作用元件是指基因55端上游区中那些端上游区中那些与基因表达调控有关的一些顺序。除一般与基因表达调控有关的一些顺序。除一般基因都有的基因都有的TATA boxTATA box与与 CAAT boxCAAT box外，在远外，在远上游还有一些重要的调控元件，由于这些上游还有一些重要的调控元件，由于这些顺序均与基因处于顺式位置，即在同一条顺序均与基因处于顺式位置，即在同一条DNADNA链上，故冠以顺式之名以与不一定处链上，故冠以顺式之名以与不一定处于同一条于同一条DNADNA上编码转录因子的反式作用因上编码转录因子的反式作用因子的基因相区别。子的基因相区别。 2.3.1.4 2.3.1.4

54、 顺式作用元件顺式作用元件 鉴定出顺式作用元件是研究基因表达调控中很重要鉴定出顺式作用元件是研究基因表达调控中很重要的第一步。通常所用的方法是将从转录起始点开始的第一步。通常所用的方法是将从转录起始点开始的的55上游区一定长度的上游区一定长度的DNADNA片段与报告基因编码区片段与报告基因编码区及及33端区相连接，构建成融合基因，然后用端区相连接，构建成融合基因，然后用ExoExo外切核酸酶从外切核酸酶从55上游区逐步向上游区逐步向33端消化，得到端消化，得到55各有不同缺失长度的融合基因。通过转化植物再生各有不同缺失长度的融合基因。通过转化植物再生出含有上述不同缺失长度融合基因突变体的植株，

55、出含有上述不同缺失长度融合基因突变体的植株，用组织化学方法或其他方法，分析基因的用组织化学方法或其他方法，分析基因的55上游上游区缺失到什么部位就不能使报告基因表达，或失去区缺失到什么部位就不能使报告基因表达，或失去正确的时空表达专一性，或失去对外界因素胁迫的正确的时空表达专一性，或失去对外界因素胁迫的应答能力。应答能力。 2.3.1.4 2.3.1.4 顺式作用元件顺式作用元件找到调控元件存在的区域后，可从区域的找到调控元件存在的区域后，可从区域的55端作进一步小范端作进一步小范围的缺失突变，或从该区段中间的不同部位造成缺失突变，进围的缺失突变，或从该区段中间的不同部位造成缺失突变，进一步找

56、出调控元件存在的准确位点。然后可人工合成此位点内一步找出调控元件存在的准确位点。然后可人工合成此位点内的核苷酸顺序，或将此顺序中的个别核苷酸调换，或将这段顺的核苷酸顺序，或将此顺序中的个别核苷酸调换，或将这段顺序与突变后的顺序分别连接在基础启动子上游，以检测它们是序与突变后的顺序分别连接在基础启动子上游，以检测它们是否能调节报告基因的表达。此外还可用此段顺序与细胞中的核否能调节报告基因的表达。此外还可用此段顺序与细胞中的核蛋白作体外结合试验，或进行足印分析试验，以弄清足印所显蛋白作体外结合试验，或进行足印分析试验，以弄清足印所显示的顺序是否与用上法所鉴定出的顺序相同。当然也可先用足示的顺序是否

57、与用上法所鉴定出的顺序相同。当然也可先用足印分析来确定核蛋白结合的核苷酸顺序。下面介绍一些在植物印分析来确定核蛋白结合的核苷酸顺序。下面介绍一些在植物基因基因55上游区中鉴定出的几种顺式作用元件。上游区中鉴定出的几种顺式作用元件。 几种顺式作用元件几种顺式作用元件 （1 1）应答光的元件）应答光的元件 （3 3个）个） （2 2）应答激素的元件（）应答激素的元件（4 4个）个）（1 1）应答光的元件）应答光的元件 从豌豆从豌豆 rbsSrbsS3A3A基因（受光诱导表达）启动子基因（受光诱导表达）启动子55上游区鉴定出上游区鉴定出 BoxBox（GTGTGGTTAATATGGTGTGGTTAA

58、TATG）与）与BoxBox（AAACTTTATCATTTAAACTTTATCATTT）。由于从烟草中分离出的反式）。由于从烟草中分离出的反式作用因子作用因子GTGTlala或或B2FB2F可以结合在此元件上，因此可以结合在此元件上，因此也称此元件为也称此元件为GTGT1 1结合位点。如果将结合位点。如果将BoxBox中的某中的某些核苷酸进行突变，些核苷酸进行突变，GTGT1 1蛋白在体外试验中即不蛋白在体外试验中即不能再结合在突变了的能再结合在突变了的 BoxBox上。因此突变了的上。因此突变了的 BoxBox启动子，在体内也不再有使基因转录的作用。启动子，在体内也不再有使基因转录的作用。

59、（1 1）应答光的元件）应答光的元件 从番茄的从番茄的rbsSrbsS3A 3A 基因启动子基因启动子55上游上游区中还鉴定出区中还鉴定出G Gboxbox（CCACGTGGCCACGTGG）。现在）。现在知道很多植物基因启动子的上游区中都存知道很多植物基因启动子的上游区中都存在在G Gboxbox或类似或类似G Gbox box 的元件的元件, ,这些元件这些元件对多种外界环境信号有应答作用，拟南芥对多种外界环境信号有应答作用，拟南芥中的转录因子中的转录因子GBF1GBF13 3能结合在此元件上。能结合在此元件上。 （1 1）应答光的元件）应答光的元件 从一些单子叶与双子叶植物受光调节基因的

60、启动子上从一些单子叶与双子叶植物受光调节基因的启动子上游区中鉴定出游区中鉴定出I Iboxbox（ATGATAAGGATGATAAGG），并证明此元件对），并证明此元件对基因的受光调是很重要的的。但在一些非光调基因的启基因的受光调是很重要的的。但在一些非光调基因的启动子上游如动子上游如TaMV 35STaMV 35S启动子上游区中也鉴定出含启动子上游区中也鉴定出含GATA GATA motif motif 的顺序。的顺序。 有人在讨论近年来对光调元件研究所取得的成果时有人在讨论近年来对光调元件研究所取得的成果时认为，虽然在许多光调基因的启动子上游区找到了认为，虽然在许多光调基因的启动子上游区找