第十章 基因表达与调控

浙江大学遗传学第十章1第十章

基因表达与调控浙江大学遗传学第十章2*1．基因概念及其发展。

2．原核生物基因调控：操纵元模型。

3．真核生物基因调控：

DNA、转录和翻译三个水平。本章重点浙江大学遗传学第十章3第一节基因的概念浙江大学遗传学第十章4㈠、经典遗传学关于基因的概念：一、基因的概念及其发展：①．孟德尔：

把控制性状的因子称为遗传因子。

如豌豆红花（C）、白花（c）、植株高（H）、矮（h）。②．约翰生：

提出基因（gene）取代遗传因子。③．摩尔根：

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。

基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。浙江大学遗传学第十章5基因共性（按照经典遗传学关于基因的概念）：

基因具有染色体的主要特性：自我复制和相对稳定性，

在分裂时有规律地进行分配。

交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。

突变单位：一个基因能突变为另一个基因。

功能单位：控制有机体的性状。∴

经典遗传学认为：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。浙江大学遗传学第十章6⑴.揭示遗传密码的秘密：基因

具体物质。一个基因

DNA分子上一定区段，携带有特殊遗传信息

转录成RNA

翻译成多肽链，或对其它基因的活动起调控作用（如调节基因、启动基因、操纵基因）。⑵.基因不是最小遗传单位

更复杂的遗传和变异单位：

例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小单位。㈡、分子遗传学关于基因的概念：浙江大学遗传学第十章7⑶.

现代遗传学认为：

①．突变子（muton）：性状突变时产生突变的最小单位。

一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。

②．重组子（recon）：性状重组时，可交换的最小单位。

一个交换子可以只包含一个碱基对。

③．顺反子（cistron）：表示一个作用的单位，基本符合

通常所述基因的大小或略小。所包括的一段

DNA与

一个多肽链合成相对应；平均为500~1500个碱基对。浙江大学遗传学第十章8⑷．现代遗传学的基因概念：①.可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽链；

②.功能上被顺反测验或互补测验所规定。分子遗传学

保留功能单位的解释，而抛弃最小结构单位说法。基因：相当于一个顺反子，包含许多突变子和重组子。紫外灯下的DNA浙江大学遗传学第十章9

⑴．结构基因（structuralgene）：

指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。其RNA/蛋白质或直接具有功能或参加某些功能。㈢、分子遗传学对基因概念的新发展：rRNA基因浙江大学遗传学第十章10⑵．调控基因（regulatorgene）：

指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。lac调控基因浙江大学遗传学第十章11⑶．重叠基因（overlappinggene）：

指在同一段DNA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。

在一些细菌和动物病毒中有重叠基因，最早由Sanger于1977年发现了ΦΧ174单链DNA病毒中有6个基因是重叠的。ABCDEFextron⑷．隔裂基因（splitgene）：

指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。内含子（intron）：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段；

外显子（extron）：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。卵清蛋白基因浙江大学遗传学第十章13⑸．跳跃基因（jumpinggene）：

即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。

实质：能够转移位置的DNA片断。

功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动

引起插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）

通过表现型变异得到鉴别。

遗传工程：转座子标签法。玉米转座子现象玉米转座子系统Ac转座酶活性没有被激活，无转座发生Ac转座酶活性被激活，转座发生

性状发生改变浙江大学遗传学第十章15

*金鱼草转座子系统：

金鱼草中最少含有四种转座子（Tam），含有12或13bp的插入重复顺序。其中Tam1、Tam2和Tam3转座子分别为15kb、

5kb和3.6kb长度。

Tam转座子

用于控制花的生物合成基因研究。

∵突变结果很容易通过表现型变异加以鉴定。

浙江大学遗传学第十章16⑹.假基因（pseudogene）:

同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因现象。血红蛋白分子的四条多肽链浙江大学遗传学第十章17

设有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表现型。

判断是属于同一个基因突变，还是属于两个基因突变？

即判断是否属于等位基因？①．建立双突变杂合二倍体；

②．测定突变间有无互补作用。

㈠、互补作用：二、基因的微细结构：本泽尔：提出顺反子，表示功能的最小单位和顺反的位置效应。1．互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。

顺反测验：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）。顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色体上），其表现型

野生型。

实质上是进行反式测验（反式排列：是两个突变座位位于不同的染色体上）。

①

反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点；

②

反式排列为突变型：突变分属于同一基因位点。浙江大学遗传学第十章192．无互补作用：

则个体表现为突变型，突变来自同一个基因，只能产生突变的mRNA

形成突变酶和个体，显示突变的表现型。浙江大学遗传学第十章203．有互补作用：

突变来自不同的基因，则每个突变的相对位点上都有一个正常野生型基因

最终可产生正常mRNA，其个体表现型为野生型。浙江大学遗传学第十章21㈡、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

分析T4噬菌体rⅡ区基因的微细结构。

⑴．原理：

r+野生型T4噬菌体：侵染E.coliB株和K12株；

rⅡ突变型T4噬菌体：只侵染B株，不能侵染K12（λ）株。利用上述特点:

让两个rⅡ突变型杂交

侵染K12（λ）株，选择重组体r+

计算出两个r+

突变座位间的重组频率。⑵．方法：两种rⅡ突变类型：rx、ry

r+rx

×

ryr+

↓混合感染

E.coliB株

接种

B株K12(λ)株计数r+ry、rxr+

r+

r+r+

r+、rxry

仅生长一四种基因型种重组型均能生长浙江大学遗传学第十章23r47r104r101r106r31r107⑶．结果：

①.重组值计算：

rxry的数量与r+r+相同，计算时r+r+

噬菌体数×2。

可以获得小到0.001％，即十万分之一的重组值。利用大量rⅡ区内二点杂交结果，绘制出rⅡ区座位间微细的遗传图：

1.3

1.0

1.6

1.9

1.6浙江大学遗传学第十章24②.

rⅡ突变体类型：

rⅡA、

rⅡB：两个rⅡA突变体混合K12无噬菌体繁殖两个rⅡB突变体混合K12无噬菌体繁殖

rⅡA

＋rⅡB突变体

K12噬菌体繁殖∴rⅡA与rⅡB区段可以互补，分属于不同基因座位。浙江大学遗传学第十章251.顺式调控：

如基因启动子发生突变，使调控蛋白不能识别启动子结构，基因不能表达，这种只影响基因本身表达、不影响其它等位基因调控的突变

称顺式调控。2.反式调控：

调控蛋白发生突变，不能与这个基因的启动子结合，将可影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点表达

这种突变称为反式调控。三、顺式与反式调控浙江大学遗传学第十章26浙江大学遗传学第十章27rRNA

如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。tRNA

发生突变后，

多肽链改变。转录翻译蛋白质结构蛋白生物酶直接间接某段DNAmRNA性状四、基因的作用与性状的表现

基因变异

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。

红血球碟形HbA

突变

HbS

HbC

红血球镰刀形

血红蛋白分子有四条多肽链：

两条α链（141个氨基酸/条）；两条β链（146个氨基酸/条）。

HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差异在于β链上第6位上氨基酸：

HbA第6位为谷氨酸（GAA、GAG）；

HbS第6位为缬氨酸（GUA、GUG）；

HbC第6位为赖氨酸（AAA、AAG）。1.

结构蛋白：产生贫血症的原因：

单个碱基的突变

引起氨基酸的改变

导致蛋白质性质发生变化，直接产生性状变化。正常碟形红血球转变为镰刀形红血球

缺氧时表现贫血症。HbA

HbS

HbC

2.酶蛋白：

例如：豌豆：

圆粒（RR）×

皱粒（rr）

F1

圆粒（Rr）

F21/4皱粒。

R基因酶蛋白淀粉分枝酶正常合成淀粉

r基因不合成酶无功能酶缺少一种淀粉分枝酶积累蔗糖和大量的水分

产生多肽，有表型；∴基因产生tRNA、rRNA，无表型；不转录mRNA，但对其它基因起调控作用。浙江大学遗传学第十章31第二节基因的调控浙江大学遗传学第十章32

一种生物的整套遗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。

为什么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呈现活化状态?

结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。基因调控主要在三个水平上进行：①.

DNA水平；②.

转录水平；③.

翻译水平。浙江大学遗传学第十章33

一、原核生物的基因调控：浙江大学遗传学第十章34㈠、转录水平的调控:负调控：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。

阻遏物与DNA分子结合

阻碍RNA聚合酶转录

使基因处于关闭状态；正调控：经诱导物诱导转录的调控机制。

诱导物通常与蛋白质结合

形成一种激活子复合物

与基因启动子DNA序列结合

激活基因起始转录

使基因处于表达的状态。浙江大学遗传学第十章35

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的需要，有的系统既有正调控又有负调控；

原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；

降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。浙江大学遗传学第十章36乳糖操纵元（操纵子）：

1.

乳糖操纵元模型：

1961年，雅各布（JacobF.）和莫诺（MonodJ.）的操纵元模型：

操纵元：细菌的主要基因调控单位，也就是转录单位。如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加：

①.

-半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；

②.

渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖；

③.

转乙酰酶：

-半乳糖转变成乙酰半乳糖。

大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加；

乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止。浙江大学遗传学第十章372.乳糖操纵元的负调控：①.乳糖操纵元组成部分；②.野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）,

无乳糖时，基因不表达；③.野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）,

有乳糖时，基因表达；④.抑制基因突变（I－O+Z+Y+A+）,

无乳糖时，基因组成型表达；⑤.操纵基因突变型（I＋OcZ+Y+A+）,

无乳糖时，基因组成型表达。阻遏蛋白乳糖RNA聚合酶浙江大学遗传学第十章383.乳糖操纵元的正调控：

当有乳糖存在时，操纵子开启，基因进行表达。

当既有大量半乳糖又有葡萄糖时，基因表达将会怎样？

基因不表达，存在新的调节因子来控制乳糖操纵子开启，这个因子的活性与葡萄糖有关。

葡萄糖可使腺苷酸环化酶活性降低；而腺苷酸环化酶能将ATP转变成cAmP。

cAmP又与代谢激活蛋白（cataboliteactivatingprotein,

CAP）结合

形成cAmP-CAP复合物，作为lac操纵子正调控因子。当cAmP-CAP复合物二聚体插入到lac特异启动子序列时

使DNA构型发生变化，而RNA聚酶与该新构型的DNA结合紧密，转录效率高。

葡萄糖抑制操纵子的原理：

葡萄糖

腺苷酸环化酶活性降低

ATP无法转变成cAmP

不能形成CAP-cAmP复合蛋白

RNA酶无法结合在DNA上

基因不表达。浙江大学遗传学第十章404.乳糖操纵元存在的遗传证据：

⑴.遗传分析的三个基本假定：①.阻遏基因的产物是可以在细胞中扩散的反式调控元件；②.操纵子Ｏ是调控位点，不编码蛋白；③.Ｏ位点需紧邻受其控制的结构基因，是顺式调控元件；通过性导产生局部二倍体，可以进行遗传验证。浙江大学遗传学第十章41⑵.阻遏蛋白的分离与鉴定：吉尔伯特（GilbertW.,1966）等利用阻遏蛋白超量表达突变型（regulatorQuantity，Iq）

分离出阻遏蛋白；

①.IPTG诱导Iq细胞，分离提取阻遏蛋白，用含有同位素标记的IPTG溶液透析，透析袋内外浓度不一样

提取物中含有与IPTG结合的物质，纯化分析证明具有蛋白特性。IPTG乳糖类似物浙江大学遗传学第十章42②.沉降分析：

IPTG阻遏蛋白复合物

lacO+序列：

DNA沉降系数为40S；

IPTG阻遏蛋白复合物：沉降系数为7S；

IPTG阻遏蛋白复合物（同位素标记）

DNA序列：超速梯度沉降分析有同位标记的沉降系数为40S。③.序列特异结合：

阻遏蛋白只与正常的乳糖操纵子（lacO）序列结合，而不与lacOc

的序列结合。浙江大学遗传学第十章43⑶.蛋白的结晶分析：

刘毅斯（LewisM.，1996）等成功地测定了阻遏蛋白的晶体结构，与诱导物以及与DNA

序列的结合的结构。阻遏蛋白：

360个氨基酸；功能蛋白：

同聚四聚体。浙江大学遗传学第十章44操纵元调控位点的精细分析：浙江大学遗传学第十章45色氨酸操纵元：

1．色氨酸操纵元模型：

由雅各布（JacobF.）和莫诺（MonodJ.）提出，具有合成代谢途径典型的操纵元模型。

操纵元：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；

大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；

色氨酸不足时：这５种酶的基因开始转转录；色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。∴trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元模型（repressible

operon）。色氨酸操纵元模型结构：5种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；阻遏物trpR基因：与trp操纵元相距较远；浙江大学遗传学第十章472.色氨酸操纵元的负调控：

⑴.阻遏调控：

trpR基因编码无辅基阻遏物

与色氨酸结合

形成有活性的色氨酸阻遏物

与操纵子结合

阻止转录；色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化

，不能与操纵子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操纵子结合，阻止转录。浙江大学遗传学第十章48⑵.弱化子调控：

当有色氨酸存在而trp操纵元受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制trp操纵元的转录？色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，其中有一28bp的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，RNA酶从DNA上脱落；

色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子mRNA序列；

浙江大学遗传学第十章49阿拉伯糖操纵元

Ara操纵元是控制分解代谢途径的另一调控系统。特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负调控作用。

组成：R：

araC基因编码调节蛋白AraC蛋白；

O：O1不参与调控；O2

：AraC蛋白负调控结合位点；

I

：调节位点，CAP-cAmP复合物结合位点，AraC蛋白正调控结合位点。浙江大学遗传学第十章50调控：①.诱导物阿拉伯糖和cAMP同时存在：

Ara与AraC蛋白复合物结合在Ｉ位点，

CAP-cAmp复合物结合I位点，基因转录开启；

②.在没有诱导物阿拉伯糖和cAMP时：

AraC蛋白同时与I和

O2结合，DNA构型发生改变，形成一个紧密的环结构，抑制表达。浙江大学遗传学第十章51浙江大学遗传学第十章52（二）

翻译水平的调控：

①.反馈调控机制（feedbackregulation）：大肠杆菌核糖体蛋白合成：

E.coli有

7个参与核糖体蛋白合成的操纵元结构

转录的各种mRNA都可与同一操纵元编码的核糖体蛋白识别结合；如其中有一种核糖体蛋白过量累积，它们将与其自身的mRNA结合

阻止进一步翻译。结合位点：

5’端非翻译区（untranslatedregion，UTR）也包括启动子Shine-Dalgarno序列，为mRNA翻译起始信号上游的一段5’-AGGAGGU-3’保守序列，与16SrRNA3’端保守序列互补配对。浙江大学遗传学第十章53②.反义RNA（antisenseRNA）的调控：

原核生物中mRNA的翻译也受反义RNA的调控。

反义RNA与mRNA的5’端非翻译区UTR片段互补配对，使mRNA不能有效地与核糖体结合

阻止蛋白质的合成。

真核细胞中导入反义RNA基因

控制真核生物基因表达。如将乙烯形成酶基因的反义RNA导入番茄，延长了番茄常温贮藏期。浙江大学遗传学第十章54

二、真核生物的基因调控：真核生物与原核生物的调控差异浙江大学遗传学第十章56

1.基因剂量与基因扩增：

①.拷贝数增加：如合成大量组蛋白用于形成染色质，多数细胞具有数百个蛋白基因拷贝；②.基因丢失：发育过程中，一些组织的细胞丢失了某些基因，决定细胞分化。

如：原生动物（马蛔虫）、昆虫、甲壳纲动物。㈠、DNA的改变：浙江大学遗传学第十章57③.基因扩增：

两栖类卵细胞前体同体细胞一样具有600个rRNA基因，基因扩增后rRNA基因拷贝数达2×106

组装大量的核糖体，满足卵细胞大量合成蛋白质需要。

也发生在异常细胞中，如人类的癌细胞中，由于癌基因的大量扩增，高效表达

导致细胞生长失控，诱发癌症。灯刷染色体上大量扩增rRNA基因浙江大学遗传学第十章582.DNA重排：

⑴.酵母交配型转变

酵母有两种交配类型

a和α，单倍体孢子

a和α之间交配才产生

a/α

二倍体，经减数分裂及产孢过程形成

4个单倍体孢子；相同交配型的单倍体孢子之间不能发生交配。

但酵母存在一种同宗配合类型（homothallism），其细胞可转换成对应交配类型，使细胞间发生配合。浙江大学遗传学第十章59交配型转换的遗传基础：

控制交配型的

MAT基因位于第3染色体上，MATa基因表现为a交配型，MAT

基因表现为

交配型；两基因互为等位基因；在MAT基因两端有同源序列HML

和HMRa，由于两基因上游存在沉默子，故不表达，但可分别与

MAT

、MATa基因序列相同。浙江大学遗传学第十章60⑵.动物抗体基因重排：

哺乳动物一般可产生108个抗体分子，比整个基因组基因数目还多（人类为105

个基因），人类的抗体基因约有

300个，为什么？

抗体分子结构：

重链H：440个氨基酸；

轻链L：220个氨基酸；

N

端：110个氨基酸。

重链和轻链：

由变异区V和非变异区C组成；均由二硫键连接。浙江大学遗传学第十章61抗体基因的结构：重链包括4个片段：（人类第14号染色体上）

86个重链变异区段（VH）；30个多样区片段（D）；

9个连接区片段（L）；11个恒定区片段（C）；轻链有3个片段：（第2号和第22号染色体上）

轻链变异区（VL）；连接区（J）；恒定区（C）。浙江大学遗传学第十章62

所有的抗体并不是由一个完整的基因来编码，而是由不同的基因片段经重排连接而成的。

随着B淋巴细胞发育，基因组中抗体基因在DNA水平发生重排，形成编码抗体的完整基因，一个淋巴细胞只有一种组合的抗体基因。

由于抗体基因重排中各个片段间的随机组合，因此

300个抗体基因产生

108个抗体。浙江大学遗传学第十章633.DNA甲基化：

在真核生物中，少数胞嘧啶在C5的位置上的H被甲基所取代，发生甲基化后的胞嘧啶仍可渗入复制的DNA中。甲基化酶可识别一条链上半甲基化，使另一条链也甲基化。

CG序列中发生甲基化的频率较高，许多真核生物基因的5’端非编码序列富含CG序列，为甲基化提供位点。甲基化可降低转录效率。浙江大学遗传学第十章64

一些基因在所有细胞中都呈现活跃状态，为组成型表达，称为看家基因（housekeepinggene）。

另一些基因则在不同细胞或组织中呈现高度表达，受到一定的调控，称为特异表达基因。1.启动子和转录因子：启动子（promoter）：转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于基因上游某一固定位置，紧接转录起始点，是基因一个组成部分。转录因子（transcriptionfactor，TF）

：

激活真核生物基因转录的一系列蛋白质。㈡、转录水平的调控：浙江大学遗传学第十章65启动子结构（真核生物）：

TATA盒（TATAbox）：RNA酶识别并结合位点；

CAAT盒（CAATbox）：转录起始起重要作用；

GC盒（GCbox）：增强子作用。浙江大学遗传学