第七章基因表達(dá)與調(diào)控詳解演示文稿

第七章基因表達(dá)與調(diào)控詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)優(yōu)選第七章基因表達(dá)與調(diào)控目前二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)第一節(jié)基因的概念與發(fā)展目前三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章4一、經(jīng)典遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念①．孟德爾：

把控制性狀的因子稱為遺傳因子。

如：豌豆紅花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。②．約翰生：

提出基因(gene)取代遺傳因子。③．摩爾根：

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)。

基因是化學(xué)實(shí)體，以念珠狀直線排列在染色體上。目前四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章5基因共性（按照經(jīng)典遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念）：

基因具有染色體的主要特性：自我復(fù)制和相對(duì)穩(wěn)定性，

在分裂時(shí)有規(guī)律地進(jìn)行分配。

交換單位：基因間能進(jìn)重組，而且是交換的最小單位。

突變單位：一個(gè)基因能突變?yōu)榱硪粋€(gè)基因。

功能單位：控制有機(jī)體的性狀?！?/p>

經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為：基因是一個(gè)最小的單位，不能分割；既是結(jié)構(gòu)單位，又是功能單位。目前五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章6⑴.揭示遺傳密碼的秘密：基因

具體物質(zhì)。一個(gè)基因

DNA分子上一定區(qū)段，攜帶有特殊遺傳信息

轉(zhuǎn)錄成RNA或翻譯成多肽鏈。⑵.基因不是最小遺傳單位

更復(fù)雜的遺傳和變異單位：

例如：在一個(gè)基因區(qū)域內(nèi)，仍可以劃分出若干起作用的小單位。二、現(xiàn)代遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念：目前六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章7⑶.

現(xiàn)代遺傳學(xué)上認(rèn)為：

①．突變子(muton)：性狀突變時(shí)產(chǎn)生突變的最小單位。

一個(gè)突變子可以小到只有一個(gè)堿基對(duì)；如移碼突變。

②．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個(gè)堿基對(duì)。

③．順反子(cistron)：表示一個(gè)作用的單位，基本符合

通常所述基因的大小或略小。所包括的一段

DNA與

一個(gè)多肽鏈合成相對(duì)應(yīng)；平均為500~1500個(gè)堿基對(duì)。目前七頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章8⑷．基因概念：

基因是DNA分子上帶有遺傳信息的特定核苷酸序列區(qū)段，這類遺傳信息或者被轉(zhuǎn)錄為RNA，或者被翻譯成多肽鏈，或者對(duì)其他基因的活動(dòng)起調(diào)控作用。①.可轉(zhuǎn)錄一條完整的RNA分子或編碼一個(gè)多肽鏈；②.功能上被順反測驗(yàn)或互補(bǔ)測驗(yàn)所規(guī)定。分子遺傳學(xué)保留功能單位的解釋，而拋棄最小結(jié)構(gòu)單位說法?；颍合喈?dāng)于一個(gè)順反子，包含許多突變子和重組子。紫外燈下的DNA目前八頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章9

⑴．結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)：

指可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列。三、基因概念的新發(fā)展：rRNA基因目前九頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章10⑵．調(diào)控基因(regulatorgene)：

指其表達(dá)產(chǎn)物參與調(diào)控其它基因表達(dá)的基因。lac調(diào)控基因目前十頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章11⑶．重疊基因(overlappinggene)：

指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，同時(shí)編碼兩個(gè)以上基因的現(xiàn)象。ABCDEF目前十一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)extron⑷．隔裂基因(splitgene)：

指基因內(nèi)部被一個(gè)或更多不翻譯的編碼順序即內(nèi)含子所隔裂。

內(nèi)含子(intron)：DNA序列中不出現(xiàn)在成熟mRNA的片段；

外顯子(extron)：DNA序列中出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段。卵清蛋白基因目前十二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章13⑸．跳躍基因(jumpinggene)：

即轉(zhuǎn)座因子，指染色體組上可以轉(zhuǎn)移的基因。

實(shí)質(zhì)：能夠轉(zhuǎn)移位置的DNA片斷。

功能：在同一染色體內(nèi)或不同染色體之間移動(dòng)

引起插入突變、DNA結(jié)構(gòu)變異（如重復(fù)、缺失、畸變）

通過表現(xiàn)型變異得到鑒別。

遺傳工程：轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法。玉米轉(zhuǎn)座子現(xiàn)象目前十三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章14⑹.假基因(pseudogene):

同已知的基因相似，處于不同的位點(diǎn)，因缺失或突變而不能轉(zhuǎn)錄或翻譯，是沒有功能的基因。真核生物中的血紅素蛋白基因家族中就存在假基因現(xiàn)象。血紅蛋白分子的四條多肽鏈目前十四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章15Figure

Eachoftheα-likeandβ-likeglobingenefamiliesisorganizedintoasingleclusterthatincludesfunctionalgenesandpseudogenes目前十五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章16設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立起源的隱性突變，具有類似的表現(xiàn)型。

判斷是屬于同一基因的突變，還是屬于不同基因的突變？

即判斷是否屬于等位基因？①．建立雙突變雜合二倍體；

②．測定突變間有無互補(bǔ)作用。

㈠、互補(bǔ)作用：四、順反測驗(yàn)及基因的精細(xì)結(jié)構(gòu)目前十六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)1．無互補(bǔ)作用：則個(gè)體表現(xiàn)為突變型，突變來自同一個(gè)基因，

只能產(chǎn)生突變的mRNA

形成突變酶和個(gè)體，

顯示突變的表現(xiàn)型。目前十七頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)2．有互補(bǔ)作用：

突變來自不同的基因，則每個(gè)突變的相對(duì)位點(diǎn)上都有一個(gè)正常野生型基因最終可產(chǎn)生正常mRNA，其個(gè)體表現(xiàn)型為野生型。目前十八頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)本澤爾：提出順反子，表示功能的最小單位和順反的位置效應(yīng)。3．互補(bǔ)測驗(yàn)（順反測驗(yàn)）：根據(jù)功能確定等位基因的測驗(yàn)。

順反測驗(yàn)：根據(jù)順式表現(xiàn)型和反式表現(xiàn)型來確定兩個(gè)突變體是否屬于同一個(gè)基因（順反子）。

順式排列為對(duì)照（是兩個(gè)突變座位位于同一條染色體上），其表現(xiàn)型

野生型。

實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行反式測驗(yàn)（反式排列：是兩個(gè)突變座位位于不同的染色體上）。

①

反式排列為野生型：突變分屬于兩個(gè)基因位點(diǎn)；

②

反式排列為突變型：突變分屬于同一基因位點(diǎn)。目前十九頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章20㈡、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)：

本澤爾利用經(jīng)典的噬菌體突變和重組技術(shù)

分析T4噬菌體rⅡ區(qū)基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)。

⑴．原理：

r+野生型T4噬菌體：侵染E.coliB株和K12株；

rⅡ突變型T4噬菌體：只侵染B株，不能侵染K12(λ)株。利用上述特點(diǎn):

讓兩個(gè)rⅡ突變型雜交

侵染K12(λ)株，選擇重組體r+

計(jì)算出兩個(gè)r+

突變座位間的重組頻率。目前二十頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)⑵．方法：兩種rⅡ突變類型：rx、ry

r+rx

×

ryr+

↓混合感染

E.coliB株接種

B株K12(λ)株計(jì)數(shù)r+ry、rxr+

r+

r+r+

r+、rxry

僅生長一四種基因型種重組型均能生長目前二十一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章22r47r104r101r106r31r107⑶．結(jié)果：

①.重組值計(jì)算：

rxry的數(shù)量與r+r+相同，計(jì)算時(shí)r+r+

噬菌體數(shù)×2。

可以獲得小到0.001％，即十萬分之一的重組值。利用大量rⅡ區(qū)內(nèi)二點(diǎn)雜交結(jié)果，繪制出rⅡ區(qū)座位間微細(xì)的遺傳圖：

1.3

1.0

1.6

1.9

1.6目前二十二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)②.

rⅡ區(qū)有3000多個(gè)突變體，分為2種類型：

rⅡA、

rⅡB：兩個(gè)rⅡA突變體混合K12無噬菌體繁殖兩個(gè)rⅡB突變體混合K12無噬菌體繁殖

rⅡA

＋rⅡB突變體

K12噬菌體繁殖∴rⅡA與rⅡB區(qū)段可以互補(bǔ)，分屬于不同基因座位。目前二十三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章24rRNA

如發(fā)生致死突變，不能形成核糖體，易死亡。tRNA

發(fā)生突變后，

多肽鏈改變。轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白生物酶直接間接某段DNAmRNA性狀五、基因的作用與性狀的表現(xiàn)：目前二十四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)

基因變異

直接影響蛋白質(zhì)特性，表現(xiàn)出不同遺傳性狀。例如人的鐮形紅血球貧血癥。

紅血球碟形HbA

突變

HbS

HbC

紅血球鐮刀形血紅蛋白分子有四條多肽鏈：

兩條α鏈(141個(gè)氨基酸/條)；兩條β鏈(146個(gè)氨基酸/條)。

HbA、Hbs、Hbc氨基酸組成的差異在于β鏈上第6位上氨基酸：

HbA第6位為谷氨酸（GAA、GAG)；

HbS第6位為纈氨酸（GUA、GUG)；

HbC第6位為賴氨酸（AAA、AAG）。1.結(jié)構(gòu)蛋白：目前二十五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)產(chǎn)生貧血癥的原因：

單個(gè)堿基的突變引起氨基酸的改變導(dǎo)致蛋白質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化，直接產(chǎn)生性狀變化。正常碟形紅血球轉(zhuǎn)變?yōu)殓牭缎渭t血球缺氧時(shí)表現(xiàn)貧血癥。HbA

HbS

HbC目前二十六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)

2.酶蛋白：

例如：豌豆

圓粒(RR)

×

皺粒(rr)

F1

圓粒(Rr)

F21/4皺粒。

R基因酶蛋白淀粉分枝酶正常合成淀粉

r基因不合成酶無功能酶缺少一種淀粉分枝酶積累蔗糖和大量的水分

產(chǎn)生mRNA，產(chǎn)生多肽，有表型；∴基因產(chǎn)生tRNA、rRNA，無表型；不轉(zhuǎn)錄mRNA，但對(duì)其它基因起調(diào)控作用。目前二十七頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)第二節(jié)基因表達(dá)的調(diào)控目前二十八頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章29

一種生物的整套遺傳密碼可以比作一本密碼字典

該種生物的每個(gè)細(xì)胞中都有這本字典。

為什么基因只有在它應(yīng)該發(fā)揮作用的細(xì)胞內(nèi)和應(yīng)該發(fā)揮作用的時(shí)間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?

結(jié)論：必然有一個(gè)基因調(diào)控系統(tǒng)在發(fā)揮作用。基因調(diào)控主要在三個(gè)水平上進(jìn)行：①.DNA水平；②.轉(zhuǎn)錄水平（最主要、最經(jīng)濟(jì)有效）；③.翻譯水平。目前二十九頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章30

一、原核生物的基因調(diào)控：目前三十頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章31

無論是真核生物還是原核生物，其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)都涉及到調(diào)控蛋白和DNA元件的相互作用，而小分子等可以調(diào)節(jié)二者的相互作用。1.順式作用元件：

是DNA上一段序列，只能調(diào)控同一條DNA序列上的基因。2.反式作用因子：調(diào)控蛋白可以自由地結(jié)合到其相應(yīng)的多個(gè)靶標(biāo)上。㈠、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控:目前三十一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章32目前三十二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章33負(fù)調(diào)控：細(xì)胞中阻遏物阻止基因轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)控機(jī)制。

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)；正調(diào)控：細(xì)胞中激活子激活基因轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)控機(jī)制。

誘導(dǎo)物通常與蛋白質(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

使基因處于表達(dá)的狀態(tài)。目前三十三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)誘導(dǎo)作用（induction）：應(yīng)答某種特定物質(zhì)的出現(xiàn)而合成特定酶的過程。阻遏作用（repression）：應(yīng)答某種特定物質(zhì)的出現(xiàn)而關(guān)閉特定酶的合成過程。。如果某種小分子能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶，這種小分子物質(zhì)就叫做誘導(dǎo)物（inducer），它一般是酶作用的底物。如果某種小分子能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生酶，這種小分子物質(zhì)就叫做輔阻遏物（corepressor），它一般是酶所催化合成的產(chǎn)物。目前三十四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章35目前三十五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章36Figure

11.3

Controlcircuitsareversatileandcanbedesignedtoallowpositiveornegativecontrolofinductionorrepression.目前三十六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章37

正調(diào)控與負(fù)調(diào)控并非互相排斥的兩種機(jī)制，而是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；

原核生物以負(fù)調(diào)控為主，真核生物以正調(diào)控為主；

降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；合成代謝途徑中一般以負(fù)調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。目前三十七頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章38㈡、乳糖操縱元：

1.乳糖操縱元模型：

1961年，雅各布（JacobF.）和莫諾（MonodJ.）的操縱元模型：操縱元：細(xì)菌的主要基因調(diào)控單位，也就是轉(zhuǎn)錄單位。如：大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)控需要三種酶參加：

①.-半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；

②.滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖；③.轉(zhuǎn)乙酰酶：

-半乳糖轉(zhuǎn)變成乙酰半乳糖。

大量乳糖時(shí)：大腸桿菌三種酶的數(shù)量急劇增加，幾分鐘即可達(dá)到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加；

乳糖消耗完：這三種酶的合成也即同時(shí)停止。目前三十八頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章392.乳糖操縱元的負(fù)調(diào)控：①.乳糖操縱元組成部分；②.野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),

無乳糖時(shí)，基因不表達(dá)；③.野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),

有乳糖時(shí)，基因表達(dá)；④.抑制基因突變(I－O+Z+Y+A+),

無乳糖時(shí)，基因組成型表達(dá)；⑤.操縱基因突變型(I＋OcZ+Y+A+),

無乳糖時(shí)，基因組成型表達(dá)。阻遏蛋白乳糖RNA聚合酶目前三十九頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章403.乳糖操縱元存在的遺傳證據(jù)：

⑴.遺傳分析的三個(gè)基本假定：①.阻遏基因的產(chǎn)物是可以在細(xì)胞中擴(kuò)散的反式調(diào)控元件；②.操縱子Ｏ是調(diào)控位點(diǎn)，不編碼蛋白；③.Ｏ

位點(diǎn)需緊鄰受其控制的結(jié)構(gòu)基因，是順式調(diào)控元件；通過性導(dǎo)產(chǎn)生局部二倍體，可以進(jìn)行遺傳驗(yàn)證。目前四十頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章41⑵.阻遏蛋白的分離與鑒定：吉爾伯特（GilbertW.,1966）等利用阻遏蛋白超量表達(dá)突變型（regulatorQuantity，Iq）

分離出阻遏蛋白；

①.IPTG誘導(dǎo)Iq細(xì)胞，分離提取阻遏蛋白，用含有同位素標(biāo)記的IPTG溶液透析，透析袋內(nèi)外濃度不一樣

提取物中含有與IPTG結(jié)合的物質(zhì)，純化分析證明具有蛋白特性。IPTG乳糖類似物目前四十一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章42②.沉降分析：

帶有l(wèi)acO序列的λDNA沉降系數(shù)為40S；阻遏蛋白復(fù)合物：沉降系數(shù)為7S；阻遏蛋白復(fù)合物(同位素標(biāo)記)+λDNA序列：超速梯度沉降分析有同位標(biāo)記的沉降系數(shù)為40S。③.序列特異結(jié)合：阻遏蛋白只與正常的乳糖操縱子（lacO）序列結(jié)合，而不與lacOc

的序列結(jié)合。目前四十二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章43⑶.蛋白的結(jié)晶分析：

劉毅斯（LewisM.，1996

)等成功地測定了阻遏蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，與誘導(dǎo)物以及與DNA

序列結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

阻遏蛋白：

360個(gè)氨基酸；

功能蛋白：

同聚四聚體。目前四十三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章44操縱元調(diào)控位點(diǎn)的精細(xì)分析：目前四十四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章454.乳糖操縱元的正調(diào)控：

當(dāng)有乳糖存在時(shí)，操縱子開啟，基因進(jìn)行表達(dá)。

當(dāng)既有大量半乳糖又有葡萄糖時(shí)，基因表達(dá)將會(huì)怎樣？

基因不表達(dá)，存在新的調(diào)節(jié)因子來控制乳糖操縱子開啟，這個(gè)因子的活性與葡萄糖有關(guān)。

葡萄糖可使腺苷酸環(huán)化酶活性降低；而腺苷酸環(huán)化酶能將ATP轉(zhuǎn)變成cAMP。目前四十五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)

cAMP又與代謝激活蛋白(cataboliteactivatingprotein,CAP)結(jié)合形成cAMP-CAP復(fù)合物，作為lac操縱子正調(diào)控因子。當(dāng)cAMP-CAP復(fù)合物二聚體插入到lac特異啟動(dòng)子序列時(shí)使DNA構(gòu)型發(fā)生變化，而RNA聚酶與該新構(gòu)型的DNA結(jié)合緊密，轉(zhuǎn)錄效率高。葡萄糖抑制操縱子的原理：

葡萄糖

腺苷酸環(huán)化酶活性降低

ATP無法轉(zhuǎn)變成cAMP

不能形成CAP-cAMP復(fù)合蛋白

RNA酶無法結(jié)合在DNA上

基因不表達(dá)。目前四十六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章47目前四十七頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章48目前四十八頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章49㈢、色氨酸操縱元：

1．色氨酸操縱元模型：

由雅各布（JacobF.）和莫諾（MonodJ.）提出，典型的合成代謝途徑操縱元模型。操縱元：包括色氨酸合成有關(guān)的5種酶的結(jié)構(gòu)基因；

大量色氨酸時(shí)：大腸桿菌5種酶的轉(zhuǎn)錄同時(shí)受到抑制；

色氨酸不足時(shí)：這５種酶的基因開始轉(zhuǎn)錄；

色氨酸：作為輔阻遏物而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄?！鄑rp操縱元是一個(gè)典型的可阻遏操縱元模型(repressible

operon)。目前四十九頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)色氨酸操縱元模型結(jié)構(gòu)：5種結(jié)構(gòu)基因：trpE、D、C、B、A；調(diào)控結(jié)構(gòu)：啟動(dòng)子、操縱子、前導(dǎo)序列、衰減子/弱化子；阻遏物trpR基因：與trp操縱元相距較遠(yuǎn)；目前五十頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章512.色氨酸操縱元的負(fù)調(diào)控：

⑴.阻遏調(diào)控：

trpR基因編碼無輔基阻遏物

與色氨酸結(jié)合

形成有活性的色氨酸阻遏物

與操縱子結(jié)合

阻止轉(zhuǎn)錄；

色氨酸不足：阻遏物三維空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化

，不能與操縱子結(jié)合，操縱元開始轉(zhuǎn)錄；

色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結(jié)合，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可與操縱子結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。

色氨酸操縱元的阻遏調(diào)控能力較低，還需其他的調(diào)控途徑補(bǔ)充。目前五十一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章52⑵.弱化子調(diào)控：弱化作用/衰減作用

當(dāng)有色氨酸存在而trp操縱元受抑制時(shí)，仍有一段前導(dǎo)序列發(fā)生轉(zhuǎn)錄，可能存在另一種的機(jī)制來抑制trp操縱元的轉(zhuǎn)錄？色氨酸高濃度存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄的前導(dǎo)序列140bp長，其中有一28bp的弱化子區(qū)域；形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，為內(nèi)部終止子，RNA酶從DNA上脫落；

色氨酸低濃度或不存在時(shí)，RNA聚合酶能通過弱化子區(qū)域，轉(zhuǎn)錄完整的多順反子mRNA序列；

問題：弱化子如何進(jìn)行調(diào)控？目前五十二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)前導(dǎo)序列可翻譯出一段14個(gè)氨基酸的短肽，在該短肽的第10、11位置上是兩個(gè)色氨酸密碼子；兩個(gè)密碼子之后是一段mRNA序列，該序列可分為四個(gè)區(qū)段，區(qū)段間可互補(bǔ)配對(duì)，形成不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)。目前五十三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章54原核生物為邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，前導(dǎo)序列中核糖體位置決定形成哪種二級(jí)結(jié)構(gòu)從而決定弱化子是否可形成終止信號(hào)。

①.當(dāng)有色氨酸時(shí)，完整翻譯短肽

核糖體停留在終止密碼子處，鄰近區(qū)段2位置

阻礙了2,3配對(duì)

使3,4區(qū)段配對(duì)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)終止子

RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動(dòng)。目前五十四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)②.如缺乏色氨酸，核糖體到達(dá)色氨酸密碼子時(shí)

由于沒有色氨酰tRNA的供應(yīng)

停留在該密碼子位置，位于區(qū)段1

使區(qū)段2與區(qū)段3配對(duì)

區(qū)段4無對(duì)應(yīng)序列配對(duì)呈單鏈狀態(tài)

RNA聚合酶通過弱化子，繼續(xù)向前移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄出完整的多順反子序列。目前五十五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)蘇氨酸在前導(dǎo)肽中有8個(gè)蘇氨酸密碼子存在，組氨酸則有7個(gè)組氨酸密碼子存在，核糖體停留在這些位置時(shí)，弱化子不產(chǎn)生發(fā)夾結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄。

細(xì)菌弱化子的作用是許多關(guān)鍵氨基酸生物合成所共有的一種調(diào)控機(jī)制；在蘇氨酸、組氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸等操縱元的前導(dǎo)肽中均有弱化子存在，具有多個(gè)相應(yīng)氨基酸密碼子供核糖體停留。目前五十六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章57（四）、翻譯水平的調(diào)控：

①.反饋調(diào)控機(jī)制(feedbackregulation)：大腸桿菌核糖體蛋白合成的自我調(diào)控：

E.coli有

7個(gè)參與核糖體蛋白合成的操縱元結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄的各種mRNA都可與同一操縱元編碼的核糖體蛋白識(shí)別結(jié)合；如果其中有一種核糖體蛋白過量累積，它們將與其自身的mRNA結(jié)合阻止進(jìn)一步翻譯。

結(jié)合位點(diǎn)：

起始密碼子序列、Shine-Dalgarno序列（mRNA翻譯起始信號(hào)上游的一段5’-AGGAGGU-3’保守序列，與16SrRNA3’端保守序列互補(bǔ)配對(duì)）。目前五十七頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章58Figure

11.18

Translationofther-proteinoperonsisautogenouslycontrolledandrespondstothelevelofrRNA.目前五十八頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章59②.反義RNA(antisenseRNA)的調(diào)控：

原核生物中mRNA的翻譯（轉(zhuǎn)錄后）也受反義RNA的調(diào)控。

作用機(jī)制：反義RNA與mRNA的5’端非翻譯區(qū)UTR片段互補(bǔ)配對(duì)，使mRNA不能有效地與核糖體結(jié)合；在其他區(qū)域形成雙鏈，改變構(gòu)象。真核中也可阻止RNA的轉(zhuǎn)錄或加工。

真核細(xì)胞中導(dǎo)入反義RNA基因

控制真核生物基因表達(dá)。如將乙烯形成酶基因的反義RNA導(dǎo)入番茄，延長了番茄常溫貯藏期。目前五十九頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章60Figure

11.16Secondarystructurecancontrolinitiation.OnlyoneinitiationsiteisavailableintheRNAphage,buttranslationofthefirstcistronchangestheconformationoftheRNAsothatotherinitiationsite(s)becomeavailable.③.RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控：目前六十頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章61

二、真核生物的基因表達(dá)調(diào)控目前六十一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)真核生物與原核生物的調(diào)控差異目前六十二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章63真核生物與原核生物的調(diào)控差異1.調(diào)控目標(biāo)不同。原核：適應(yīng)外界環(huán)境。真核：適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境、個(gè)體發(fā)育、組織器官分化。2.細(xì)胞和基因組結(jié)構(gòu)不同。原核：無核膜，轉(zhuǎn)錄和翻譯同時(shí)進(jìn)行；基因組是近于裸露的DNA，基因組小，重復(fù)序列少；真核：有核膜，細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)分開，轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進(jìn)行（剪接）；基因組為多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)的染色體（染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化）；基因組大，重復(fù)序列多（拷貝數(shù)）。3.協(xié)同調(diào)控的主要方式不同。原核：操縱元調(diào)控；真核：調(diào)節(jié)蛋白對(duì)多個(gè)分散位點(diǎn)的調(diào)控，存在同一染色體上不同基因間的調(diào)控，也存在不同染色體之間的基因調(diào)控。

真核生物基因調(diào)控遠(yuǎn)比原核生物復(fù)雜，包括染色質(zhì)水平、DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平的調(diào)控。目前六十三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章64（一）染色質(zhì)水平的調(diào)控1.異染色質(zhì)化：

真核生物可改變?nèi)旧w某一區(qū)域異染色質(zhì)化程度而控制基因的表達(dá)。

功能性異染色質(zhì)指在某些特定的細(xì)胞中，或在一定的發(fā)育時(shí)期和生理?xiàng)l件下凝聚，由常染色質(zhì)變成異染色質(zhì)。

人類巴氏小體（箭頭）：

女性的一個(gè)X染色體異染色質(zhì)化關(guān)閉其上攜帶基因的表達(dá)。劑量補(bǔ)償目前六十四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章652.組蛋白修飾和非組蛋白的作用

組蛋白的修飾作用包括甲基化、乙?；土姿峄渲凶钪饕姆绞绞琴嚢彼釟埢系陌被阴；＝M蛋白的作用本質(zhì)是真核基因調(diào)節(jié)的負(fù)控制因子。非組蛋白數(shù)量多，并具有組織特異性，表明非組蛋白在基因表達(dá)的調(diào)節(jié)、細(xì)胞分化的控制以及生物的發(fā)育中起很重要的作用。3.核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（matrixassociationregion,MAR）

或稱為骨架附著區(qū)（scaffoldattachedregion,SAR）目前六十五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)Figure

21.36

Domainsmaypossessthreetypesofsites:insulatorstopreventeffectsfromspreadingbetweendomains;MARstoattachthedomaintothenuclearmatrix;andLCRsthatarerequiredforinitiationoftranscription.Anenhancermayactonmorethanonepromoterwithinthedomain.目前六十六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章67

1.基因劑量與基因擴(kuò)增：

①.拷貝數(shù)增加：如合成大量組蛋白用于形成染色質(zhì)，多數(shù)細(xì)胞具有數(shù)百個(gè)蛋白基因拷貝；

②.基因擴(kuò)增：兩棲動(dòng)物卵母細(xì)胞大小是正常體細(xì)胞的一百萬倍，需要合成大量蛋白質(zhì)，所以需要大量核糖體。rRNA基因通過形成大量小環(huán)及復(fù)制滾環(huán)，數(shù)目臨時(shí)增加了4000倍，600→2×106。（二）、DNA水平的調(diào)控目前六十七頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章68基因重排：是指DNA分子核苷酸序列的重新排列。

哺乳動(dòng)物一般可產(chǎn)生106種抗體分子，比整個(gè)基因組基因數(shù)目還多，人類的抗體基因約有

300個(gè)，為什么？抗體分子結(jié)構(gòu)：

重鏈H：440個(gè)氨基酸；

輕鏈L：220個(gè)氨基酸。

重鏈和輕鏈：

由變異區(qū)V和非變異區(qū)C組成；均由二硫鍵連接。目前六十八頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章69抗體基因的結(jié)構(gòu)：重鏈包括4個(gè)片段：（人類第14號(hào)染色體上）

86個(gè)重鏈變異區(qū)段(VH)；30個(gè)多樣區(qū)片段(D)；

9個(gè)連接區(qū)片段(J)；11個(gè)恒定區(qū)片段(C)；輕鏈有3個(gè)片段；

(第2號(hào)和第22號(hào)染色體上)輕鏈變異區(qū)(VL)；連接區(qū)(J)；恒定區(qū)(C)；目前六十九頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章70

所有的抗體并不是由一個(gè)完整的基因來編碼，而是由不同的基因片段經(jīng)重排連接而成的。隨著B淋巴細(xì)胞發(fā)育，基因組中抗體基因在DNA水平發(fā)生重排，形成編碼抗體的完整基因，一個(gè)淋巴細(xì)胞只有一種組合的抗體基因。

由于抗體基因重排中各個(gè)片段間的隨機(jī)組合，因此

300個(gè)抗體基因產(chǎn)生

108種抗體。目前七十頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)3.DNA甲基化：在真核生物中，少數(shù)胞嘧啶在C5的位置上的H被甲基所取代，發(fā)生甲基化后的胞嘧啶仍可滲入復(fù)制的DNA中。甲基化酶可識(shí)別一條鏈上半甲基化，使另一條鏈也甲基化。

CG序列中發(fā)生甲基化的頻率較高，許多真核生物基因的5’端非編碼序列富含CG序列，為甲基化提供位點(diǎn)。甲基化可降低轉(zhuǎn)錄效率。目前七十一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章72一些基因在所有細(xì)胞中都呈現(xiàn)活躍狀態(tài)，為組成型表達(dá)，稱為看家基因(housekeepinggene)。另一些基因則在不同細(xì)胞或組織中呈現(xiàn)高度表達(dá)，受到一定的調(diào)控，稱為特異表達(dá)基因。1.啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子：啟動(dòng)子(promoter)：轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)，位于基因上游某一固定位置，緊接轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，是基因一個(gè)組成部分。轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor，TF)：

激活真核生物基因轉(zhuǎn)錄的一系列蛋白質(zhì)。分為通用轉(zhuǎn)錄因子和激活子。（三）、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控：目前七十二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章73啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)（真核生物）：

TATA盒(TATAbox)：RNA酶識(shí)別并結(jié)合位點(diǎn)；

CAAT盒(CAATbox)：轉(zhuǎn)錄起始起重要作用；

GC盒(GCbox)：增強(qiáng)子作用。目前七十三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章742.轉(zhuǎn)錄強(qiáng)化子(增強(qiáng)子，transcriptionalenhancer)：

強(qiáng)化子：是真核生物基因轉(zhuǎn)錄中另一種順式調(diào)控元件，常位于啟動(dòng)子上游700~1000bp處，離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)較遠(yuǎn)，可提高轉(zhuǎn)錄效率。轉(zhuǎn)錄強(qiáng)化子的存在，使基因轉(zhuǎn)錄只有在適宜轉(zhuǎn)錄因子存在時(shí)進(jìn)行，并能對(duì)細(xì)胞內(nèi)外的信號(hào)作出反應(yīng)，可以滿足細(xì)胞分化的需要。目前七十四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章75強(qiáng)化子的功能：

①.與轉(zhuǎn)錄激活子結(jié)合，改變?nèi)旧|(zhì)構(gòu)型；

②.使DNA彎曲形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)化子與啟動(dòng)子直接

接觸，以便使轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄激活子和

RNA聚合酶

一起形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，利于轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，提高轉(zhuǎn)錄效率。目前七十五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章76

③.轉(zhuǎn)錄強(qiáng)化子可提高不同的啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄效率，同一時(shí)間里，一個(gè)強(qiáng)化子只與一個(gè)啟動(dòng)子起作用，具體作用取決于啟動(dòng)子與強(qiáng)化子競爭性互作。如：人血紅蛋白基因，控制胎兒γ鏈和成人β鏈兩基因共用同一個(gè)強(qiáng)化子，強(qiáng)化子與不同的啟動(dòng)子結(jié)合導(dǎo)致不同的基因表達(dá)。目前七十六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章773.激活子：

兩個(gè)功能域：

①.

強(qiáng)化子結(jié)合的DNA結(jié)合區(qū)域(DNA-bindingdomain)；②.

轉(zhuǎn)錄復(fù)合體中的蛋白質(zhì)互作的反式調(diào)控激活區(qū)域

(trans-activatingdomain)。

DNA結(jié)合域的三維構(gòu)型(motif)：

①

α-螺旋－轉(zhuǎn)角－α-螺旋(helix-turn-helixHTH)；

②

鋅指(zincfinger)；

③

堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipperbZIP)。目前七十七頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章78不能單獨(dú)折疊或與DNA結(jié)合，只是

DNA結(jié)合蛋白的一部分，構(gòu)型以外的氨基酸在控制和識(shí)別DNA具有重要的作用；許多控制真核生物發(fā)育的基因都具有HTH構(gòu)型，幾乎所有真核生物所具有的同型異位盒(homeobox)。α-螺旋－轉(zhuǎn)角－α-螺旋(HTH)：目前七十八頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章79

鋅指結(jié)構(gòu)：基因調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子存在于致癌基因、果蠅控制發(fā)育的基因、受生長因子和分化信號(hào)誘導(dǎo)合成的蛋白質(zhì)序列中；鋅指區(qū)域：由二個(gè)Cys簇及二個(gè)His簇組成；保守序列Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His；

鋅指蛋白：2~13個(gè)手指，各由23氨基酸組成，并由7~8個(gè)氨基酸連接；與DNA大溝結(jié)合并環(huán)繞DNA分子，大溝與特異DNA堿基互作。目前七十九頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)堿性亮氨酸拉鏈(bZIP)：

可形成蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)二聚體的亮氨酸拉鏈(leucinezipper，LP)；具有35個(gè)氨基酸殘基，其中有4個(gè)亮氨酸，每隔7個(gè)氨基酸出現(xiàn)一次，形成α-螺旋時(shí)，每兩圈伸出一個(gè)亮氨酸，由亮氨酸殘基間的疏水作用力形成一條拉鏈，產(chǎn)生蛋白質(zhì)二聚體；堿性α-螺旋與DNA磷酸殘基和堿基互作，二聚體

剪刀結(jié)構(gòu)。目前八十頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)yeastone&twohybridassay目前八十一頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)Figure

22.12

Theactivityofaregulatorytranscriptionfactormaybecontrolledbysynthesisofprotein,covalentmodificationofprotein,ligandbinding,orbindingofinhibitorsthatsequestertheproteinoraffectitsabilitytobindtoDNA.目前八十二頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章83酵母菌半乳糖代謝的正調(diào)控（蛋白質(zhì)之間相互作用）：圖18-40

目前八十三頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章84目前八十四頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章85激素誘導(dǎo)模式：

真核生物內(nèi)的調(diào)控信號(hào)來自體內(nèi)激素，這些可擴(kuò)散的物質(zhì)稱反式作用因子。目前八十五頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)遺傳學(xué)第八章864.選擇性啟動(dòng)子：

有些真核生物基因具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的啟動(dòng)子用于在不同的細(xì)胞中表達(dá)，具有獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄調(diào)控（不同的啟動(dòng)子可產(chǎn)生不同的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物和相同的蛋白質(zhì)編碼序列）。

如果蠅的乙醇脫氫酶基因分別具有幼蟲和成蟲啟動(dòng)子。

目前八十六頁\總數(shù)九十五頁\編于十七點(diǎn)5.選擇性mRNA切割：

同一初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在不同的細(xì)胞中用不同方式進(jìn)行切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使蛋白質(zhì)含量或組成上都可能不同。例，老鼠的α－淀粉酶基因，肝臟和腺體中的不同切割，外顯子Ｓ和Ｌ分別成為腺體和