1、遺傳學十四基因表達的調控每個細胞都含有整套遺傳密碼，只是這本密碼在每個細胞中并不全部譯出應用，而是不同細胞選用其中各自需要的密碼子加以轉錄和翻譯。為什么基因只有在它應該發揮作用的細胞內和應該發揮作用的時間，才呈現活化狀態，而在它不應該發揮作用的時間和細胞內，則處于不活化的狀態呢？這種控制特定基因產物合成的機制稱為基因調控。 第一節 基因的概念與發展 一、經典遺傳學 孟德爾稱控制性狀的因子為遺傳因子 1909年約翰生提出了基因這個名詞， 取代孟德爾的遺傳因子摩爾根等人對果蠅、玉米等的大量遺 傳研究，建立了以基因和染色體為主 體的經典遺傳學 結構單位 重組單位基因 突變單位 功能單位 二、現代遺傳

2、學基因是DNA分子上的一定區段,攜帶有特殊的遺傳信息，可轉錄、翻譯，可對其他基因起調節作用 突變子：突變的最小單位基因 重組子：交換的最小單位 順反子（作用子）：功能單位 根據基因結構和功能將基因分為： (1)結構基因：可編碼RNA或蛋白質的 一段DNA序列 (2)調控基因：其產物參與調控其他結 構基因表達的基因 (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，同時編碼兩個或 兩個以上多肽鏈的現象(4)隔裂基因：指一個結構基因內部為 一個或更多的不翻譯的編碼順序， 如內含子所隔裂的現象(5)跳躍基因：可作為插入因子和轉座 因子移動的DNA序列，有人將

3、它作 為轉座子的同義詞(6)假基因：同已知的基因相似，但位 于不同位點，因缺失或突變而不能 轉錄或翻譯，是沒有功能的基因 三、順反測驗及基因的微細結構 互補作用與互補測驗(順反測驗)假定有兩個獨立起源的隱性突變如a1與a2，具有類似的表型，如何判斷它們是屬于同一個基因的突變，還是分別屬于兩個基因的突變？即如何測知其是等位基因？需要建立一個雙突變雜合二倍體，測定這兩個突變間有無互補作用順反測驗基因的微細結構 20世紀50年代的生化技術還無法進行DNA的序列測定，本澤爾利用經典的噬菌體突變和重組技術，對T4噬菌體r區基因的微細結構進行了詳細分析 圖 14-3 突變噬菌體之間的互補測驗rIIArII

4、ArIIBrIIBrIIB用含有不同rIIA突變體的噬菌體混和感染大腸桿菌K12（）用含有不同rIIB突變體的噬菌體混和感染大腸桿菌K12（）用含有不同rIIA和rIIB突變體的噬菌體混和感染大腸桿菌K12（）無噬菌體繁殖無噬菌體繁殖正常噬菌體繁殖。大部分是親本rIIA和rIIB突變體，少數是野生型和雙突變體重組型ABC第二節 原核生物的基因調控DNA元件: DNA上一段順序，作為 一種原位順序具有特殊的功能。 由于它只能作用同一條DNA， 故稱順式作用元件。順式作用位 點通常總是在靶基因的上游反式作用因子：調節基因的產物可 以自由地結合到其相應的靶上負調控：存在細胞中的阻遏物阻止轉錄過程的調

5、控 正調控：調節蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互作用來幫助起始。誘導物通常與另一蛋白質結合形成一種激活子復合物，與基因啟動子DNA序列結合，激活基因起始轉錄原核生物中基因表達以負調控為主, 真核生物中則主要是正調控機制 圖 14-5 正調控和負調控 一、轉錄水平的調控 原核生物基因表達的調控主 要發生在轉錄水平當需要某一特定基因產物時 ， 合成這種mRNA。當不需 要這種產物時，mRNA轉錄 受到抑制 1、乳糖操縱元模型 大腸桿菌的乳糖降解代謝途徑：Monod等（1946）發現，當大腸桿菌生長在含有乳糖的培養基上時，乳糖代謝酶濃度急劇增加；當培養基中沒有乳糖時，乳糖代謝基因不表達，乳糖代謝酶合

6、成停止。Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操縱元模型，用來闡述乳糖代謝中基因表達的調控機制 圖 146 乳糖操縱元模型通過遺傳分析證明lac操縱元的存在；已經分離出阻遏蛋白，并成功地測定了阻遏蛋白的結晶結構，以及阻遏蛋白與誘導物及操縱子序列結合的結構 乳糖操縱元的正調控 除了阻遏蛋白能抑制lac操縱元轉錄外，其他因子也能有效地抑制lac mRNA轉錄，這個因子的活性與葡萄糖有關：葡萄糖抑制腺苷酸環化酶的活性腺苷酸環化酶催化ATP前體 cAmpcAmp+代謝激活蛋白(CAP) cAmp-CAP復合物，作為操縱元 的正調控因子 當cAmp-CAP復合物二聚體插入到lac啟動子區域特異核苷

7、酸序列時，使啟動子DNA彎曲形成新的構型，RNA聚合酶與這種 DNA 新構型的結合更加牢固，因而轉錄效率更高。在葡萄糖存在時，不能形成cAmp，也就無操縱元的正調控因子cAmp-CAP復合物，因此基因不表達。 乳糖操縱元的正調控2、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種酶的結構基因。當培養基中有色氨酸時，色氨酸操縱元5種酶的轉錄同時受到抑制；色氨酸供應不足時，發生轉錄色氨酸直接作為阻遏物而不是誘導物參與調控色氨酸mRNA的轉錄。因此trp操縱元是一個典型的可阻遏操縱元 1）阻遏物trp R由相距較遠的阻遏物基因編碼無輔基阻遏物 +

8、 trp活性無輔基阻遏物色氨酸復合物，與操縱子結合，阻止轉錄2）色氨酸不足時，無輔基阻遏物的三維空間結構發生改變，不能與操縱子結合，進行轉錄 活性的阻遏物與操縱子結合并不足以抑制轉錄的起始衰減子與衰減作用：1）在高濃度色氨酸存在時，轉錄的前導序列mRNA只含有140個核苷酸，其中有一段28bp的衰減子區域，它在轉錄后可迅速形成發夾環結構，RNA聚合酶轉錄時不能通過這種發夾環結構。所以衰減子是一種:內部終止子2）無色氨酸時，由于前導肽中色氨酸密碼子的作用，使衰減子不能形成發夾結構而成為單鏈，繼續向前轉錄 二、翻譯水平的調控 1、反饋調控機制如果某種蛋白質過量積累，將與其自身的mRNA結合，阻止進

9、一步翻譯這種結合位點通常包括mRNA 5端非翻譯區，也包括啟動子區域的 Shine-Dalgarno (SD) 序列 2、反義RNA調控反義RNA可與目的基因的5UTR互補配對，配對的區域通常也包括啟動子的SD序列，使mRNA不能與核糖體有效結合，從而阻止蛋白質的合成反義RNA基因已被導入真核細胞，控制真核生物基因表達。例如，將乙烯形成酶基因的反義RNA導入蕃茄，大大延長了蕃茄常溫貯藏期。 第三節 真核生物的基因調控 真核生物基因調控比原核生物復雜：1）高等真核生物的基因組遠比細菌 的基因組大得多 2）很多重復序列與調控作用有關 3）染色質結構的變化可以調控基因 表達 4）存在同一染色體上不同

10、基因間的 調控，也存在不同染色體之間的 基因調控 調控發生在: DNA水平 轉錄水平 轉錄后修飾 翻譯水平 翻譯后修飾等多種層次多數基因表達調控發生在轉錄水平一、染色質水平調控 1、異染色質化常染色質變成異染色質也是真核生物的一種表達調控的途經 2、組蛋白質修飾和非組蛋白的作用組蛋白: 若被組蛋白覆蓋的基因要表達，組蛋白必須被修飾，使其和DNA的結合由緊變松，這樣DNA鏈才能和RNA聚合酶或調節蛋白相互作用。組蛋白的作用本質上是真核基因調節的負控制因子，即它們是基因表達的抑制物非組蛋白: 打開特異基因的分子，具有組織特異性，在基因表達調節、細胞分化控制以及生物的發育中起著很重要的作用 3、DN

11、A酶的敏感區域 超敏感區域(位點):具有轉錄活性基因周圍的DNA區域有一個中心區域，對DNA聚合酶高敏感這些位點或區域將首先受到DNA聚合酶的剪切，DNA暴露區域（轉錄起始點附近） 4、核基質蛋白 染色質并不漂浮在核內，而是結合在核基質（骨架蛋白）上這種結合是特異性的，這種特異性的結合對于控制基因的活性是有用的 二、DNA水平的調控1、基因擴增 基因擴增：細胞內特定基因拷貝數專一性大量增加的現象 人類癌細胞中的許多致癌基因，經大量擴增后高效表達，導致細胞生長失控。有些致癌基因擴增的速度與病癥的發展及癌細胞擴散程度高度相關。 2、基因重排 基因重排：DNA分子核苷酸序列的重新排列重排不僅可以形成

12、新的基因，還可以調節基因表達。基因組中的DNA序列重排并不是一種普遍方式，但是一些基因調控的重要機制 圖14-14 抗體分子的基本結構一個抗體分子包括兩條重鏈( H )和兩條輕 ( L )。氨基端( N )是變異區( V )，羧基端( C )是恒定區( C )動物抗體基因重排 VC人類第14號染色體上抗體重鏈基因片段(A)和抗體重鏈基因的構建(B) 抗體基因重排中各個片段之間的隨機組合，可從約300個抗體基因中產生108個抗體分子 3、DNA甲基化真核生物中，少數胞嘧啶第5碳上的氫被一個甲基取代-甲基化。甲基化降低轉錄效率三、轉錄水平的調控1、順式作用元件 (1) 啟動子與轉錄因子 同原核生物

13、一樣，真核生物基因啟動子包括所有順式調控元件及RNA聚合酶識別位點，可以起始轉錄形成RNA 轉錄因子: 激活真核生物基因轉錄 的蛋白質真核生物基因轉錄與原核生物的一個重要區別是：真核生物基因的啟動子必須與一系列轉錄因子結合，才能在RNA聚合酶的作用下起始轉錄 圖14-16 真核生物5端的順式調控元件 (2)增強子 轉錄增強子: 真核生物基因轉錄中的另一種順式調控元件，通常位于啟動子上游700-1000bp處，離轉錄起始點較遠 增強子主要有兩個功能:與轉錄激活子結合，改變染色 質的構型使DNA彎曲形成環狀結構，使 增強子與啟動子直接接觸，以 便通用轉錄因子、轉錄激活子 、RNA聚合酶一起形成轉錄

14、復 合體，從而提高mRNA合成效率 圖14-18 轉錄復合體 2、反式作用因子 根據靶位點的特點反式作用因子分為3類：（1）通用反式作用因子 （2）特殊組織與細胞中的反式作用因子（3）反應性元件相結合的反式作用因子 反式作用因子通過不同途經發揮調控作用：（1）蛋白質和DNA相互作用（2）蛋白質和配基結合（3）蛋白質之間的相互作用以及蛋白質的 修飾等 圖14-19 -螺旋-轉角-螺旋圖14-20 由Cys-His與鋅離子形成的具有三個手指的鋅指構型(a)模式圖 (b)與DNA結合，一個手指與DNA大溝結合 圖 14-21 亮氨酸拉鏈二聚體 (a)模式圖 (b)與DNA結合時的剪刀狀構型 酵母菌半乳糖代謝的正調控 酵母菌半乳糖酶基因的作用方式與細菌中的lac操縱元相似：無半乳糖時，基因不表達；加入半乳糖后，mRNA濃度迅速增加1000倍四、翻譯水平的調控 真核生物中，如果翻譯過