遺傳學(xué)全套課件

遺傳學(xué)-GeneticsPartII

第11章染色體畸變的遺傳分析

要點重復(fù)、缺失、倒位、易位的類型及其細胞學(xué)和遺傳學(xué)效應(yīng)；單倍體、二倍體、多倍體、非整倍體的概念、特點及其在育種上的應(yīng)用；染色體畸變與人類疾病的關(guān)系；染色體變異在進化中的作用。11.1染色體結(jié)構(gòu)變異及其遺傳學(xué)效應(yīng)11.1.1果蠅多線染色體的特性多線染色體(Polytenechromosome):存在于雙翅目昆蟲幼蟲消化道細胞的有絲分裂間期核內(nèi)一種巨大的染色體。11.1.2染色體結(jié)構(gòu)變異引起變異的因素。自然因素：營養(yǎng)、溫度、生理等；人工因素：物理因素、化學(xué)藥劑等的處理。四大類型:缺失、重復(fù)、倒位和易位。機制：在染色體水平上是斷裂后的異常重連(rejoin)，引發(fā)重排。平衡重排：改變?nèi)旧w上基因順序（倒位與相互易位）。非平衡重排：改變?nèi)旧w上基因的劑量（重復(fù)與缺失）。11.1.3缺失(deletion,deficiency)1）概念：染色體丟失一段，其上的基因也隨之丟失的現(xiàn)象。2）類型：頂端缺失：染色體某臂的外端缺失。中間缺失：染色體某臂的內(nèi)段缺失。頂端著絲點染色體：染色體整條臂的丟失。3）缺失染色體的聯(lián)會與鑒定

（1）最初細胞質(zhì)存在無著絲點的斷片；（2）缺失雜合體聯(lián)會形成環(huán)狀突起，易與重復(fù)混淆，需參照染色體的長度；（3）頂端缺失較長時，可在雙線期檢查缺失雜合體交叉尚未完全端化的二價體，非姐妹染色單體的未端一長一短。缺失的鑒定續(xù)（1）染色體核型/形態(tài)分析法——臨床最常用，較長片段的異常易于查出，準(zhǔn)確。例如：人類5號染色體短臂缺失產(chǎn)生一種異常的綜合表型，稱為“貓叫綜合癥”。此外，還有4p-、18q-、22q-（費城染色體Ph）、Xp-或Xq-等。(2)PCR

擴增結(jié)合測序分析。適合微小片段的異常分析，要避免假陽性。(3)Southern雜交——結(jié)合酶切方法分析核酸片段長度，該方法準(zhǔn)確，假陽性低。4)缺失的遺傳學(xué)效應(yīng)（1）缺失影響個體生長發(fā)育缺失純合體很難存活；

缺失雜合體的生活力很低；

含缺失染色體的配子一般敗育；

缺失染色體主要是通過雌配子傳遞?；純旱目蘼曀曝埥?。5號染色體短臂缺失（5P-）所致，又稱5P-

綜合征，發(fā)病率約為1/5萬，女性多于男性，并有生長和智能發(fā)育不全。（2）

缺失導(dǎo)致假顯性（pseudodominance）假顯性：由于染色體發(fā)生缺失（顯性等位基因的缺失）導(dǎo)致隱性性狀在F1得以表現(xiàn)的現(xiàn)象。缺失染色體主要通過雌配子傳遞：缺失遺傳不平衡含有缺失染色體的缺失配子一般只能通過雌配子傳遞。黑腹果蠅缺刻翅的遺傳分析。缺刻的白眼雌果蠅，其X染色體的一段缺失帶來的特殊表型。伴性遺傳，缺失使隱性的白眼基因表現(xiàn)為“顯性”。假顯性與基因突變的區(qū)別①

染色體鑒定：基因突變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)不變。

②

可逆與否：突變可以回復(fù)。

③雜交試驗：基因突變符合孟德爾分離規(guī)律

。利用假顯性將隱性基因定位到特定的染色體上。若有某物種全套(n個)已知的缺失雜合體，分別用表現(xiàn)型為A(顯性)的這n個缺失系作為母本，與表現(xiàn)型為隱性(a)的正常植株雜交。如果某個組合的F1中有a表現(xiàn)型個體，則A-a基因位于該缺失系的缺失染色體的缺失片段上。如果有某個物種分別缺失兩條臂的缺失系（端體），那么還可以把A-a定位到特定染色體的某個臂上。11.1.4重復(fù)(duplication,repeat)1）概念：染色體上多了某一相同區(qū)段的染色體結(jié)構(gòu)變異。2）類型串聯(lián)重復(fù)：重復(fù)區(qū)段的方向與正常染色體相同。反向串聯(lián)重復(fù)：重復(fù)區(qū)段的方向與正常染色體相反。3）重復(fù)染色體的聯(lián)會和鑒定

(1)重復(fù)區(qū)段很短時一般無環(huán)出現(xiàn)。

(2)重復(fù)區(qū)段較長時

雜合體中二價體在重復(fù)區(qū)段突出形成環(huán)；與缺失雜合體的環(huán)易混淆（染色體長度不同，需要鑒定突出部分）。擾亂生物體內(nèi)基因固有的位置和劑量的平衡體系，影響比缺失為輕

。(1)劑量效應(yīng)：細胞內(nèi)某基因出現(xiàn)次數(shù)越多，表現(xiàn)型效應(yīng)越顯著。V+：果蠅眼色遺傳紅色(顯性)。V：果蠅眼色遺傳為朱紅色。V+V：紅色。但V+VV：朱紅色。

說明:2個隱性基因的作用大于1個顯性等位基因，改變了原來一個顯性基因與一個隱性基因的關(guān)系。4）重復(fù)的遺傳學(xué)效應(yīng)果蠅X染色體16A區(qū)段重復(fù)(棒眼)(2)基因的位置效應(yīng)：位置效應(yīng)：因基因所在染色體位置改變而引起表型變化的遺傳效應(yīng)化。在果蠅胚胎發(fā)育中，當(dāng)白眼基因被整合到異染色質(zhì)附近時，果蠅眼色的位置效應(yīng)會有所變化：白眼基因失活的細胞產(chǎn)生的是白眼個體，含有活躍白眼基因的細胞卻發(fā)育為紅眼個體。果蠅16A重復(fù)引起的棒眼突變11.1.5倒位(inversion)1)概念：染色體發(fā)生兩次斷裂，片段旋轉(zhuǎn)180°之后重接。使得染色體某一區(qū)段順序發(fā)生了顛倒。臂間倒位，臂比往往改變；臂內(nèi)倒位，臂比不變(右)。倒位純合體：含有完全相同的一對倒位染色體的個體。倒位雜合體：某對同源染色體中，一條是正常染色體，另一條則是倒位染色體的個體。

3）倒位的細胞學(xué)鑒定

倒位區(qū)段很短或倒位區(qū)段很長的情況：倒位區(qū)段很短倒位區(qū)段很長倒位區(qū)段中等:

倒位圈(inversionloop)

由一對染色體形成（而缺失或重復(fù)雜合體的環(huán)由單個染色體形成）。

倒位圈臂內(nèi)到位雜合體產(chǎn)生雙著絲粒染色單體，隨后出現(xiàn)后I期橋。臂間到位雜合體產(chǎn)生大量缺失和重復(fù)染色單體。4）倒位的遺傳效應(yīng)

交換抑制(crossoverrepressor)：臂內(nèi)或臂間倒位雜合體，倒位環(huán)內(nèi)染色單體間發(fā)生單交換，交換的產(chǎn)物帶有缺失或重復(fù)，不能形成有功能的配子，無重組類型。(1)改變重組率改變了倒位區(qū)段內(nèi)外基因的距離（純合體）：遠近。降低了倒位雜合體的重組率。雙線單交換：重組型配子不育，測交世代中重組型個體數(shù)減少，交換值下降。抑制圈內(nèi)外基因間的交換。(2)倒位雜合體部分不育：若倒位圈內(nèi)發(fā)生單交換：50%不育、50%可育。若倒位圈內(nèi)不發(fā)生交換：100%可育。若倒位圈內(nèi)發(fā)生其它類型交換：100%不育、50%不育、100%可育。(4)生物進化的因素倒位染色體相鄰關(guān)系改變功能、表型變化新的物種。(3)位置效應(yīng)基因在染色體上的位置變異，造成在表型上產(chǎn)生變異。例：百合（n=12）：兩個種（頭巾百合、竹葉百合）間的分化是由M1、M2、S1、S2、S3、S4等6個相同染色體發(fā)生臂內(nèi)倒位形成的（兩個種其它染色體仍相同）。(5)交換抑制效應(yīng)的應(yīng)用隱性基因以純合狀態(tài)保存，但隱性致死基因不能以純合體保存。解決辦法：利用另一個致死基因（兩基因距離很近，或染色體的倒位）在雜合狀態(tài)下保存。例1.果蠅第3染色體分別具有兩個致死基因:有展翅基因D，純合致死。有粘膠眼基因Gl，純合致死

。平衡致死品系(balancedlethalsystem):永遠以雜合狀態(tài)保存不發(fā)生分離的品系。必須滿足的條件：一對同源染色體的兩個成員各帶有一個座位不同的隱性致死基因。例2

果蠅第２染色體分別具有兩個致死基因:一個是顯性翹翅基因Cy，純合致死，左右臂ⅡL、ⅡR上都有兩個大的倒位。另一個是星狀眼基因S(star)，純合致死。后代一定是翹翅星眼到位雜合體11.1.6易位(translocation)1）概念：染色體的一個區(qū)段斷裂之后，重接時錯接到非同源的另一條染色體上。2）類型

①

簡單易位；

②相互易位；

③

整臂易位；

④Robertson式易位。

①簡單易位：一種單向的染色體片段轉(zhuǎn)移易位(shift)，比較罕見，但是在物種進化過程中有歷史意義。

②相互易位：兩條非同源染色體都發(fā)生斷裂，斷片重接時，接到了非同源染色體上。③整臂易位：非同源染色體之間整個臂的轉(zhuǎn)移或交換。④Robertson式易位

也稱著絲粒融合，近端部著絲點染色體在著絲粒處斷裂的整臂易位。易位純合體//易位雜合體易位純合體：12122121：即某個體中含有兩對相互易位的染色體，每對易位染色體完全相同。易位雜合體:112221，即某個體中某兩對同源染色體，一條是正常的染色體，另一條是易位染色體。3）易位的細胞學(xué)鑒定

①易位純合體沒有什么特殊表現(xiàn)。正常聯(lián)會表現(xiàn)正常。終變期聯(lián)會因交叉端化而變?yōu)橛?個染色體構(gòu)成的

“四體鏈”或“四體環(huán)”。②相互易位雜合體：偶線期、粗線期兩對非同源染色體同源區(qū)段聯(lián)會成“+”字形，后期分離。粗線期交換的多少、緊密程度決定終變期或者中期四價體的構(gòu)型4）易位的遺傳學(xué)效應(yīng)①四價體后期I著絲粒定向與易位雜合體的半不育

二價體：后期I一般只能1：1分離

四價體：因為有四個著絲粒，著絲粒的定向

a均等分離：2：2——互定向。b不均等分離：例如1：3——非互定向我們討論互定向：#交替式：易位染色體//非易位染色體#相鄰式：一條易位染色體+一條正常染色體//一條易位染色體+一條正常染色體。中期Ⅰ終變期的環(huán)可能變?yōu)榄h(huán)形或“8”字形。后期Ⅰ染色體表現(xiàn)出不同的分離方式：相鄰式相間式相鄰分離：“0”型結(jié)構(gòu)，配子全部致死；相間分離：“8”型結(jié)構(gòu)，配子全部可育。半不孕性相鄰式、相間式各占50%，因此易位雜合體配子半不育。圖示法T：表示易位點，可以看作一個控制半不育性狀的遺傳單位(基因座)，可以用二點測驗或者三點測驗對其進行定位。符號法②假連鎖(pseudolinkage)：易位使非同源染色體上的基因間在形成配子時不能自由組合，表現(xiàn)出類似連鎖的表型效應(yīng)。實質(zhì)是易位后形成的不平衡配子致死造成的。果蠅假連鎖現(xiàn)象。Bw褐眼基因，e黑檀體基因。相間分離產(chǎn)生的配子有1/2含有兩條易位染色體，它們同處一體成活，分離則至死，只有兩種表型?；颍哼B鎖遺傳→獨立遺傳（新物種的形成）。

植物在進化過程中不斷發(fā)生易位可以形成許多變種。

例如：直果曼陀羅（n=12）。許多變系就是不同染色體的易位純合體。

③降低了易位結(jié)合點附近一些基因的重組值

易位導(dǎo)致聯(lián)會松弛交換。

如玉米：T5-9a是第5染色體長臂的外側(cè)一小段染色體和第9染色體短臂包括Wx在內(nèi)的一大段染色體的易位。在第9染色體中：④易位造成染色體融合而改變?nèi)旧w數(shù)目兩條近端著絲粒染色體發(fā)生相互易位時，易位點位于著絲粒上或者附近(主要由異染色質(zhì)組成)，易位以后形成的大染色體聚集了大多數(shù)基因和功能，而小染色體則基本上只有著絲粒及其附近的異染色質(zhì)(無功能)，形成配子時未被包在配子核內(nèi)而丟失,后代中可能出現(xiàn)缺少一對染色體的易位純合體。例如，植物還陽參屬：出現(xiàn)n=3、4、5、6、7、8等染色體數(shù)目不同的種。易位融合造成染色體數(shù)目減少。

箭頭指9號染色體著絲點附著于第11號染色體上?；ò呶恢眯?yīng)果蠅的花斑位置效應(yīng)。(a)位置效應(yīng)，(b)w+易位到4號染色體異染色質(zhì)區(qū)而失活，使果蠅的紅眼復(fù)眼變?yōu)榛ò弑硇?。引發(fā)癌基因的表達原癌基因不表達，易位到啟動子附件表達或形成融合基因過表達。易位將c-myc基因置于B細胞IgH活性區(qū)，引起異常高表達，引發(fā)癌變。11.1.7染色體結(jié)構(gòu)變異的應(yīng)用1）基因定位（1）缺失：能夠把隱性基因定位到某條染色體的某一臂上。F1載有顯性基因的染色體缺失

假顯性表現(xiàn)。F1隱性個體進行細胞學(xué)鑒定或者組型分析，有無缺失環(huán)等，找出缺失區(qū)段----基因所在的區(qū)段。（2）易位：

把基因定位到特定染色體上。

例如發(fā)現(xiàn)C(紅花)---c(白花)與染色體3和4的易位點連鎖（即與半不育連鎖），又與4和5的易位點連鎖。由此，可以推測該基因位于染色體4上。3）果蠅的ClB測定法（1）ClB染色體(Crossoversuppress－lethal－Barchromosome

)。果蠅的X染色體：16區(qū)A段重復(fù)一次：B----棒眼16區(qū)A段附近有一個倒位：抑制交換的發(fā)生。

倒位圈內(nèi)有一個隱性致死基因(l):純和致死。一些特點：(1)

沒有ClB的純合體存在(ll致死)。(2)

沒有ClB雄果蠅存在(l致死)。(3)ClB只能存在于X//ClB雜合體中，

而且B與l之間不發(fā)生交換。（2）應(yīng)用：檢測果蠅X染色體上的隱性(致死)突變及其頻率F1每只棒眼雌果蠅都與F1的雄果蠅雜交觀察F2有無雌果蠅，若無，則F1的對應(yīng)雌果蠅有隱性致死突變，而且可以計算隱性致死突變頻率4）玉米雙雜合保持系雄性不育：雌蕊發(fā)育正常，雄蕊不能產(chǎn)生正?？捎ǚ鄣默F(xiàn)象，只能作母本。例如：核內(nèi)、隱性不育基因(msms)msms×MsMs

Msms(F1雜合，可育，有雜種優(yōu)勢，可結(jié)子）msms:不育系MsMs:恢復(fù)系，與不育系雜交后F1育性恢復(fù)。保持系：與不育系雜交之后仍然保持不育。由于不育系不能自交保留種子，必需有保持系來不斷生產(chǎn)不育系種子，才能保證雜交種子的持續(xù)生產(chǎn)。對于這種核不育，一般只能使用半保持系Msms與msms雜交。msms×Msms

50%msms+50%Msms缺點：一半的種子是可育的，需要在開花期鑒定拔出。雙雜合保持系：玉米除了2、4兩條染色體以外的所有染色體都有不育基因,位于6th染色體上的ms1,與9th染色體發(fā)生易位。6699×69699696

669996×6699

66999（由少數(shù)無效配子699受精）11.2染色體數(shù)目變異染色體組：物種一個正常配子中所包含的染色體數(shù)。

染色體基數(shù)（X）：在某些生物（如植物），存在著包含若干祖先種的染色體組，以X表示。其中所含的染色體數(shù)稱為基數(shù)，例小麥的X=7，二粒小麥2n=4x=28,普通小麥2n=6x=42。染色體倍性（Ploidy）:

細胞中染色體組的數(shù)目。

配子中的染色體數(shù)目用n表示，體細胞中染色體數(shù)目用2n表示。染色體數(shù)目變異的分類

（1）整倍性變異：染色體數(shù)目的增減以染色體組(x)為單位進行的數(shù)目變異，整倍性變異產(chǎn)生整倍體。

（2）非整倍性變異：染色體數(shù)目的增減不是以染色體組(x)為單位進行的數(shù)目變異，非整倍性變異產(chǎn)生非整倍體。11.2.1染色體組及其數(shù)目變異分類（1）整倍體單倍體：只有正常二倍體配子數(shù)目的染色體的個體，無融合生殖獲得。

單元單倍體（一倍體）：n=1x=A(雄蜂，雄蟻）多元單倍體：n=2x;3x;4x;……二倍體狹義：2n=2x=AA一個染色體組，兩套。廣義：2n=4x=TTSS,多個染色體組，兩套，無重

復(fù)。又叫功能性二倍體。多倍體：2n=3x；4x；5x；……同源多倍體：一個染色體組，≥3套。2n=AAA同源三倍體。2n=AAAA同源四倍體。

異源多倍體：含有≥2種以上的染色體組的多倍體2n=AABB2n=AABBDD(功能性二倍體）。同源異源多倍體：既是同源多倍體又是異源多倍體

2n=AAABB(A的同源多倍體，AB異源多倍體)。非整倍體缺體：正常雙體缺少了一對或多對同源染色體的非整倍體。

單缺體：2n-2=(n-1)II

多缺體：2n-4=(n-2)II（雙缺體）單體：正常雙體少了一條或多條非同源染色體的非整倍體。

單單體：2n-1=(n-1)II+I

多單體：2n-3=(n-3)II+I+I+I（三單體）。雙體：正常二倍體相對于非整倍體時稱為雙體2n。三體：比正常雙體多出一條或多條非同源染色體的非整倍體

單三體：2n+1=(n-1)II+III

多三體：2n+2=(n-2)II+III+III（雙三體）。四體：比正常雙體多出一對或多對同源染色體的非整倍體。

單四體：2n+2=(n-1)II+IV

多四體：2n+4=(n-2)II+IV+IV(雙四體)。超倍體：染色體數(shù)目>2n的非整倍體----三體、四體。亞倍體：染色體數(shù)目<2n的非整倍體----缺體、單體。1）單倍體遺傳表現(xiàn)：體型小、生活力弱；高度不足:(1/2)n。用途：單倍體育種：染色體加倍后即純和，縮短育種年限。研究基因的性質(zhì)、功能和基因突變：沒有等位基因。獲得亞倍體的最佳材料異源聯(lián)會：追溯同源轉(zhuǎn)換關(guān)系。2）多倍體體細胞有絲分裂:染色體復(fù)制而細胞不分裂。異常減數(shù)分裂：2n+2n→4n,2n+n→3n等。機械損傷：如摘心、反復(fù)斷頂?shù)取Ｈ斯ふT導(dǎo)：秋水仙素處理種子或幼苗等。11.2.2整倍體的遺傳特征（1）表型特征巨大性(細胞核、莖、葉、花、種子等)。代謝活性增強(大麥蛋白質(zhì)10～12%，玉米的類胡蘿卜素40%，番茄Vc１倍)—劑量效應(yīng)。

三倍體植物具有很強的生活力，但發(fā)育延遲，結(jié)實率低，如香蕉、無籽西瓜等。遺傳表現(xiàn):同源三倍體同源三倍體的聯(lián)會與分離（1）三價體Ⅲ;（2）二價加一。同源三倍體高度不育的原因：三價體和單價體的頻率較高，產(chǎn)生n，2n配子的機會很?。?/2)n，交配更難。例：無籽西瓜（X=11）

二倍體（2n=2X=22=11Ⅱ）

↓加倍

同源四倍體×二倍體

（2n=4X=44=11Ⅳ）↓同源三倍體西瓜

（無籽）

2n=3X=33=11Ⅲ

同源四倍體聯(lián)會和分離：

聯(lián)會：Ⅳ、Ⅲ+Ⅰ、Ⅱ+Ⅱ和Ⅱ+Ⅰ+Ⅰ。分離：2/2或3/1；

2/2或3/1或2/1；2/2；

2/2或3/1或2/1或1/1。（2）異源多倍體(allopolyploid)普通小麥2n=6X=42。AABBDD。概念：加倍的染色體來源于不同的物種。由先雜交再加倍產(chǎn)生。蘿卜甘藍（Raphanobrassica）：其中蘿卜和甘藍的染色體各有兩套，2n=36，染色體能正常配對，可育。

（3）奇數(shù)倍的異源多倍體(allopolyploid)奇數(shù)倍的異源多倍體是偶數(shù)倍多倍體雜交產(chǎn)生。又叫倍半二倍體，在育種工作中，可以作為進行染色體替換的手段，通過單體替換產(chǎn)生新的單體。自然界的物種難以以奇數(shù)倍數(shù)的異源多倍體存在，只能依靠無性繁殖的方法加以保存。單價體多---分離紊亂---配子染色體不平衡----不育或部分不育。多倍體形成途徑及應(yīng)用：1）形成途徑：未減數(shù)配子的形成和體細胞染色體加倍。體細胞染色體加倍孢母細胞染色體加倍配子染色體加倍。人工誘導(dǎo)體細胞染色體加倍：秋水仙堿處理。2）應(yīng)用

（1）克服遠緣雜交的不孕性，遠緣雜交時花粉往往不萌發(fā)，或者萌發(fā)而不受精。將某個親本的染色體加倍可以部分結(jié)子。

（2）克服遠緣雜種（F1）不實性F1體細胞染色體加倍種子。

（3）創(chuàng)造遠緣雜交育種的中間親本。是普通小麥(Triticum，2n=6x=42)和黑麥(Secale，2n=6x=14)間的雙二倍體普通小麥作母本，雌配子中有3個染色體組(ABD)，共21條染色體，用黑麥作父本，雄配子中有1個染色體組(R)，7條染色體，雜交后的子一代包括4個染色體組(ABDR)4個染色體組來自不同屬的種，因此，子一代不能進行正常的減數(shù)分裂，需要用人工的方法將子一代的染色體加倍，形成正常的雌、雄配子，才能受精、結(jié)實，繁殖后代由普通小麥和黑麥雜交，雜種子一代染色體加倍產(chǎn)生的小黑麥具有56(42+14)條染色體，是7的八倍，這些染色體組又來自不同屬的物種，因此，把這種小黑麥稱為異源八倍體小黑麥小黑麥結(jié)合了小麥的高產(chǎn)和黑麥的頑強生命力：穗大、粒重、抗病性強、耐瘠性強、抗逆性強和營養(yǎng)品質(zhì)好等優(yōu)點，已經(jīng)在我國西北、西南高寒地區(qū)試種成功，并且正在進一步推廣。（4）培育作物新類型：成功合成的異源多倍體是小黑麥(Triticale)11.2.3非整倍體產(chǎn)生：減數(shù)分裂時某一對同源染色體不分離或提前分離形成n-1或n+1的配子。雙體(disomy)：正常的2n個體單體(monosomy)：2n-1缺體(nullisomy)：2n-2雙單體(dimonosomy)：2n-1-1三體(trisomy)：2n+1雙三體(ditrisomy)：(2n+1+1)四體(tetrasomy)：2n+2。單體在二倍體中，某一對染色體的一條丟失，2n–1。不同染色體對的2條丟失，2n–1–1，稱雙單體(doublemonosomic)單體是有害的。因為：①單體打亂了染色體的平衡，②單個染色體上的有害隱性基因得到表達單體、三體和四體全都可能是在有絲分裂或減數(shù)分裂期間不分離造成的。如果不分離發(fā)生在第二次減數(shù)分裂期間，那么最終產(chǎn)物是怎樣組成的？請同學(xué)們自己分析！配子結(jié)合后，會得到如下結(jié)果：

n+(n-1)單體

n+(n+1)三體 (n+1)+(n+1)四體或雙三體 (n-1)+(n-1)缺體或雙單體單體的存在是動物的種性，特別常見。在昆蟲（蟋蟀、蝗蟲等）中：雌性為XX(即2n)，雄性為X(即2n-1)。在鳥類和鱗翅目昆蟲中：雄性為XX(即2n)，雌性為X(即2n-1)人類中最常見的單體是X染色體單體，即45，XO。稱為Turner氏綜合征。三體在二倍體中，多余出某一對染色體的一條，2n+1在二倍體中，多余出某二對異源染色體的二條，2n+1+1，叫雙三體(doubletrisomic)異源多倍體生物中，常見，在玉米、大麥等植物中都曾分離到全套的三體人類中常見的三體：47,XXX47,XXY47,XYY47,XX或XY,+2147,XX或XY,+18（Edward′ssyndrome）47,XX或XY,+13（Patau‘ssyndrome）。11.3染色體畸變與人類疾病染色體結(jié)構(gòu)改變與人類疾病例:5p-造成貓叫綜合癥;t(9,22)(q34;q11)，導(dǎo)致9q34上的基因BCR與22q11上的基因ABL融合，形成BCR-ABL融合基因，造成慢性骨髓性白血病(CML)；t(8;14)(q24;q32),導(dǎo)致8q24上的癌基因c-myc轉(zhuǎn)移到14q32IgH的增強子鄰近部位,增強了c-myc,使之大量表達造成Burkitt淋巴溜。Down’sSyndrome:先天愚型，21三體綜合癥。Pautau’Syndrome:13三體綜合癥。Edwards’Syndrome:18三體綜合癥。Turner’sSyndrome::45,X。Trisomysyndrome:47,XXX。超Y綜合癥:47,XYY。(Klinefelter’Syndrome):47,XXY。

染色體數(shù)目改變與人類疾病77%的21三體綜合癥是母系起源的，而且母親的生育年齡與發(fā)病率有很重要的關(guān)系。原因：主要是隨著年紀(jì)增大，染色體不分離的概率增加。由于女性在出生時所有卵細胞都經(jīng)過第一次減數(shù)分裂而處于休止?fàn)顟B(tài)，直到排卵。因此卵母細胞在高齡孕婦體內(nèi)長期接受著內(nèi)外環(huán)境因素的影響，而且自身不斷衰老，因而導(dǎo)致染色體不分離現(xiàn)象的發(fā)生，這便是高齡母親易生先天愚型患兒的原因。

脆性X染色體綜合癥在人類中研究的最為詳盡的是脆性X綜合癥，為X連鎖遺傳，在男性中約為1/2500，目前發(fā)現(xiàn)與智障有關(guān)。主要成因是CGG核苷片段重復(fù)數(shù)目的變化。第12章基因突變與DNA損傷修復(fù)要點：

1）基因突變的相關(guān)概念、類型；

2）基因突變的機制；

3）基因突變的修復(fù)機制；

4）基因突變的檢測。12.1基因突變的概念、類別及性質(zhì)基因突變（genemutation）:基因的核苷酸順序或數(shù)目發(fā)生改變。僅涉及DNA分子中單個堿基的改變稱點突變（pointmutation）。涉及多個堿基的還有缺失、重復(fù)和插入。突變體(mutant)：具有突變表型的細胞或個體。誘因：自發(fā)突變/誘發(fā)突變。基因突變率自發(fā)突變率：高等動植物：10-5～10-8

低等生物

：10-4～10-10發(fā)生的時期：任何時期都可以發(fā)生。但是：性細胞>體細胞：減數(shù)分裂末期特別敏感

。1）性細胞發(fā)生突變可以直接傳遞給后代。2）體細胞發(fā)生突變形成嵌合體。按其發(fā)生的原因:

1)自發(fā)突變（spontaneousmutation）：在自然情況下發(fā)生的突變。2)誘發(fā)突變（inducedmutation）：人們有意識地利用物理、化學(xué)誘變因素引起的突變?；蛲蛔兊奶卣麟S機性：發(fā)生的時間、個體、基因不可知。稀有性：突變率<10-4重演性：同一突變在同一物種能夠以相同的頻率再次發(fā)生可逆性：正突變---------回復(fù)突變多方向性和復(fù)等位基因：A(a1,a2,a3,…….an)等位、表型各異。有害性和有利性：有害突變：----隱性致死：純和致死；----顯性致死：雜合即可致死；----伴性致死：致死基因位于性染色體上?；蛲蛔兊谋憩F(xiàn)顯性突變和隱性突變

大突變和微突變大突變：變異明顯、易識別、往往有害、常屬于質(zhì)量性狀

基因的突變微突變：變異微小、不易識別、往往有利、常屬于數(shù)量性

狀基因的突變12.2基因突變的分子基礎(chǔ)一、自發(fā)突變(spontanueousmutation)

包括DNA復(fù)制的錯誤和自發(fā)損傷。1）DNA復(fù)制錯誤(1)轉(zhuǎn)換：一個嘌呤被另一個嘌呤取代，

或一個嘧啶被另一個嘧啶取代。顛換:

一個嘧啶被一個嘌呤取代，

或一個嘌呤被一個嘧啶取代。

ATG

CDNA的四種堿基的互變異構(gòu)體。嘧啶上3位和4位之間的H以及嘌呤上的1位和6位之間的H的移位會改變堿基配對的能力。(烯醇式)(亞胺式)(酮式)（氨基式）（氨基式）(亞胺式)(酮式)(烯醇式)DNA中的堿基互變異構(gòu)作用會引起堿基錯配。T烯醇式----GT-----G烯醇式

C亞胺式----AC-----A亞胺式(3)移碼突變：增加或減少一個或幾個堿基對的突變，引起密碼編組的移動。

eg：HbWayne是138位UCC失去一個C，使α鏈的合成不在原來應(yīng)該終止的地方停止，一直到146位合成精氨酸后才終止，從而使α鏈延長。

(4)缺失和重復(fù)突變(5)插入突變

（轉(zhuǎn)座子）2）自發(fā)損傷脫嘌呤作用(depurination)：細胞中經(jīng)常發(fā)生使脫氧核糖和堿基G或A連接的糖苷鍵被打斷，從而失去G或A，復(fù)制時在脫嘌呤位點對面插入堿基造成突變。損傷的結(jié)果造成轉(zhuǎn)換和顛換(transversion，一個嘧啶被一個嘌呤取代，或一個嘌呤被一個嘧啶取代)。脫氨基作用(deamination)：如胞嘧啶C脫氨基后形成尿嘧啶U，在復(fù)制過程中將與A配對，從而引起GC→AT轉(zhuǎn)換突變。

3）氧化損傷：O2-，OH-，H2O2可對DNA造成損傷。如：8-oxodG與A配對，導(dǎo)致G.C→dG.A→T.A在基因的編碼區(qū)、3

或5

-UTR、啟動子區(qū)、內(nèi)含子區(qū)出現(xiàn)的三核苷酸重復(fù)，及其他長短不等的小衛(wèi)星、微衛(wèi)星序列的重復(fù)拷貝數(shù)，在減數(shù)分裂或體細胞有絲分裂過程中發(fā)生擴增而造成遺傳物質(zhì)的不穩(wěn)定。亦稱為基因組的不穩(wěn)定性，可造成基因功能喪失或獲得異常改變的產(chǎn)物。

動態(tài)突變點突變的誘變機制堿基類似物:5溴尿嘧啶（5-BU，胸腺嘧啶類似物）由于胸腺嘧啶中5位CH3被Br取代會導(dǎo)致5-BU變換異構(gòu)體，使其堿基的配對能力發(fā)生變化，出現(xiàn)A—5-BU（酮式）G—5-BU（烯醇式）。天然堿基類似物（5-溴尿嘧啶）的摻入誘變烷化劑的誘變?nèi)鏜S（甲基磺酸乙酯E/乙基甲磺酸），能在DNA上的四個堿基發(fā)生作用，使其增加烷基側(cè)鏈，其最大的特異性是在鳥嘌呤的6位氧上增加一個烷基側(cè)鏈導(dǎo)致與T錯配，從而在下個復(fù)制周期中產(chǎn)生GC→AT轉(zhuǎn)換。16羥胺HA（NH2OH）也是特定誘發(fā)GC→AT轉(zhuǎn)換的誘變劑。能在胞嘧啶4位上的氨基氮上發(fā)生羥基化作用產(chǎn)生N4羥基胞嘧啶，它能象T那樣與A配對，產(chǎn)生GC→AT轉(zhuǎn)換。N4羥基胞嘧啶腺嘌呤ANH2OH胞嘧啶C43亞硝酸能誘發(fā)胞嘧啶脫氨基成為尿嘧啶U，尿嘧啶會與A配對，誘發(fā)GC→AT轉(zhuǎn)換突變；亞硝酸還能誘發(fā)腺嘌呤脫氨基形成次黃嘌呤H，H能和C配對，誘發(fā)AT→GC轉(zhuǎn)換突變。

||亞硝酸

||復(fù)制

||

(1)

GCAUAT||C脫氨基

||||

||亞硝酸

||復(fù)制

||

(2)

ATHCGC||A脫氨基

||||

亞硝酸可誘發(fā)兩個方向上的轉(zhuǎn)換。嵌入劑如吖啶橙、吖啶黃素、原黃素等堿基對的類似物，易造成移碼突變。黃曲霉毒素B1的誘變作用（AFB1）強烈的致癌物，它能在鳥嘌呤G上接上一個黃曲霉毒素分子，從而使其脫去嘌呤，在復(fù)制過程中會在脫嘌呤位置的對面優(yōu)先插入一個腺嘌呤A，從而誘發(fā)GC→TA的顛換。紫外線UV的誘變作用

能使DNA上同一鏈中相鄰的TT變?yōu)槎垠wTT，干擾正常堿基配對能力，在DNA復(fù)制過程中將發(fā)生錯誤導(dǎo)致突變。生物為了生存和繁衍后代，DNA必須精確的復(fù)制。但在DNA復(fù)制的忠實性上存在許多潛在危險。有機體是怎樣使DNA復(fù)制保持高度的穩(wěn)定性使變異減少到最低限度的呢？——細胞具有以各種方式修復(fù)DNA損傷的酶系統(tǒng)。12.3DNA損傷修復(fù)機制光復(fù)活修復(fù)UV引起的光損傷TT二聚體能被光復(fù)活酶修復(fù)，該酶能在暗處和TT二聚體結(jié)合，形成酶和DNA復(fù)合體，在光照條件下，復(fù)合體分解，使TT二聚體分解為原先正常的堿基。光復(fù)活酶不能在暗處起修復(fù)作用，故也稱光修復(fù)作用。如何提高UV誘發(fā)突變的頻率？切除修復(fù)途徑此作用不需要光照，而是經(jīng)修復(fù)酶將損傷切除修補的過程，亦稱暗修復(fù)。

一般切除修復(fù)：切補核酸酶（UVRA，B，C基因編碼）能識別一些大的損傷，將受損堿基及兩旁的堿基切除。造成的缺口由DNApolI合成填補，并由連接酶封口。切除修復(fù)的uvr系統(tǒng)包括3個基因，uvrA，B，C，編碼一種修復(fù)核酸內(nèi)切酶的成分(圖14.28)。首先，UvrAB組分識別嘧啶二聚體和其它較大的損傷。然后UvrA解離(需要ATP)，UvrC與UvrB結(jié)合。UvrBC重組使損傷兩邊都產(chǎn)生一個切口，切口位置是在損傷5

端的7個核苷酸處，3

端的3-4個核苷酸處。也需要ATP。UvrD是一個解旋酶，能使DNA解旋以釋放兩個切口之間的單鏈。切除涉及到的酶可能是DNA聚合酶I。在人類中也是一種重要的修復(fù)途徑。著色性干皮癥(XP)是由于缺乏切補修復(fù)酶造成的遺傳性缺陷，正常人的皮膚細胞和該缺陷者的皮膚細胞在培養(yǎng)時對UV的敏感性有很大差異，具有該缺陷的人在30歲之前就易死于皮膚癌。圖14.37在人的XP修復(fù)系統(tǒng)中，解旋酶在受損傷部位將DNA解開，內(nèi)切酶在損傷部位兩端做兩個切口，然后用新合成的DNA置換被切除的部分。AP核酸內(nèi)切酶修復(fù)途徑單個嘌呤或嘧啶脫去后的位點稱AP位點，細胞中自發(fā)產(chǎn)生的AP位點的頻率很高。由一種專門在AP位點上切割的酶——切斷DNA上的磷酸二酯鍵。然后再起動由DNA外切酶、DNA聚合酶I和連接酶參與的切除修復(fù)過程。

DNA聚合酶I合成新鏈AP位點AP核酸酶打開一切口

外切酶切除部分單鏈

連接酶封口

95異常堿基U形成AP位點經(jīng)AP核酸內(nèi)切酶途徑修復(fù)DNA糖基酶修復(fù)途徑該酶切斷N-糖苷鏈(堿基與糖的連接)，能將DNA中的異常堿基切除，切除后在DNA上形成AP位點，再經(jīng)AP核酸內(nèi)切酶途徑修復(fù)。保證DNA中的正常堿基不是尿嘧啶U而是胞嘧啶和胸腺嘧啶的機制。重組修復(fù)作用挽救(retrieval)修復(fù)，又因為其修復(fù)過程與遺傳重組過程相似，因此也稱為“重組修復(fù)”。挽救修復(fù)機制。此系統(tǒng)在處理含有復(fù)制損傷堿基模板產(chǎn)生的子代雙鏈中的缺陷起作用。修復(fù)模型見圖14.35。假如在雙螺旋鏈上有嘧啶二聚體，引起DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)扭曲，當(dāng)DNA復(fù)制時，嘧啶二聚體阻止損傷位點成為模板，復(fù)制只能被迫放棄該位點。圖14.35

在重組修復(fù)中，受損傷的序列被除去，在未損傷鏈對面代之以完好的DNA鏈。12.4基因突變的檢測

利用寄主范圍、生長速度、噬菌斑大小、形態(tài)等性狀可檢測病毒突變。通過在培養(yǎng)基中添加抗生素或噬菌體即可篩選細菌抗性突變體。細菌營養(yǎng)缺陷型的檢測：利用在完全培養(yǎng)基上能正常生長，在基本培養(yǎng)基上不能生長的影印培養(yǎng)實驗。首先采用青霉素富集法濃縮大量突變體，再進行負選擇。病毒和細菌基因突變的檢測真菌營養(yǎng)缺陷型的檢出------菌絲過濾法分生孢子→誘變處理→基本培養(yǎng)基

↙

↘

未萌發(fā)孢子萌發(fā)菌絲培養(yǎng)去除(過濾)

↙

↓

↘少數(shù)

死亡營養(yǎng)野生型

孢子缺陷型

(去除)

↘

↙

營養(yǎng)培養(yǎng)基果蠅突變體的檢測果蠅X連鎖隱性突變的檢出①ClB法

ClB品系：l—隱性致死基因；B—棒眼C—交換抑制因子(B－l倒位）。②Muller-5法

Muller-5品系:B(棒眼)-Wa(杏眼)-sc(小盾片少剛毛)——并具重復(fù)倒位。③“并連X染色體”法常染色體突變—平衡致死系(Cy和S)

需依靠家系、出生調(diào)查，運用電泳技術(shù)、DNA標(biāo)記技術(shù)，篩選各種蛋白質(zhì)、酶或DNA分子的微小差異，這些微小差異是可遺傳的。人類顯性突變的檢測植物及其他動物突變體的檢測

利用分離定律

轉(zhuǎn)座子插入突變的檢測、T-DNA插入突變的檢測、RNAi技術(shù)等。

第13章原核生物基因表達調(diào)控要點：原核基因表達調(diào)控的特點；操縱子、衰減子、多基因座阻遏的機制；RNA調(diào)控及翻譯水平調(diào)控?；虮磉_調(diào)控可分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控和翻譯水平調(diào)控。轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要發(fā)生在起始時期，而不在轉(zhuǎn)錄延伸階段進行調(diào)控，但可在終止階段進行調(diào)控，終止可以防止越過終止子而進入下一個基因的轉(zhuǎn)錄。1961年Jacob和Monod提出基因表達調(diào)控經(jīng)典模式。將DNA序列分成兩種類型：編碼反式作用因子(trans-acting

factor)編碼序列和順式作用元件(cis-actingelement)。基因的活性調(diào)控主要通過反式作用因子和順式作用元件的特異性相互作用而實現(xiàn)?；蚴蔷幋a可擴散產(chǎn)物的DNA序列，其產(chǎn)物可以是蛋白質(zhì)或RNA(tRNA和rRNA)?；虍a(chǎn)物要從合成的場所擴散到其發(fā)揮作用的場所。游離的基因產(chǎn)物擴散至其目標(biāo)場所的過程稱為反式作用(trans-acting)。順式作用(cis-acting)指不轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏纹渌问降腄NA序列，只在原位發(fā)揮DNA的作用，僅影響與其在物理上相連的DNA?？煞譃榻Y(jié)構(gòu)基因(structuralgene)和調(diào)控基因(regulatorgene)的概念。概述圖10.1調(diào)節(jié)基因編碼的蛋白與DNA特定的靶位點作用。調(diào)控的關(guān)鍵是調(diào)控基因編碼的蛋白質(zhì)通過與DNA上的特異位點結(jié)合來調(diào)控轉(zhuǎn)錄。位于轉(zhuǎn)錄單位開始和結(jié)束位置上的序列為啟動子(promoter)和終止子(terminator)，二者都是典型的順式作用位點。細菌的傳統(tǒng)控制機制是負調(diào)控，即阻遏蛋白阻止基因表達。在通常狀態(tài)下，RNA聚合酶能識別其啟動子使基因得到表達(圖10.1)。與啟動子相鄰的另一個順式作用位點稱為操縱基因(operator)，它是阻遏蛋白的靶位點。當(dāng)阻遏蛋白和操縱基因結(jié)合時，基因的表達因而被關(guān)閉。正調(diào)控和負調(diào)控的共同點是調(diào)控蛋白(regulatoryprotein)都是反式作用因子，它們通常識別位于基因上游的順式作用元件。盡管調(diào)控蛋白結(jié)合DNA的實際長度較長，但僅識別DNA上很短的序列，一般小于10bp。在細菌中，正調(diào)控和負調(diào)控使用的頻率可能大致相等，但在真核生物中，最常見的調(diào)控方式是正調(diào)控。在典型的默認(rèn)(default)狀態(tài)下，真核基因不具活性，RNA聚合酶不能在啟動子處單獨開始轉(zhuǎn)錄。反式作用因子在啟動子附近有作用位點，其中一些或所有因子的結(jié)合使RNA聚合酶能起始轉(zhuǎn)錄(圖10.2)。正調(diào)控：能激活基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。受正調(diào)控機制調(diào)控的基因，僅當(dāng)活性調(diào)控蛋白存在，并與順式元件結(jié)合或與RNA聚合酶相互作用，轉(zhuǎn)錄才被激活(圖10.3)。正調(diào)控蛋白應(yīng)答的小分子物質(zhì)稱為激活物(activator)。根據(jù)應(yīng)答小分子的性質(zhì)，操縱子可分為誘導(dǎo)型(inducible)和阻遏型(repressible)兩種。原核生物和真核生物的基因的組織形式差異很大，細菌的結(jié)構(gòu)基因一般成簇(cluster)排列，而真核生物的基因則是獨立存在。成簇排列的結(jié)構(gòu)基因能受單一啟動子共同控制：結(jié)果使整套基因或者表達或者都不表達。

1961年法國科學(xué)家Jacob和Monod發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在含有乳糖的培養(yǎng)基中會誘導(dǎo)合成大量的β-半乳糖苷酶，而在沒有乳糖的環(huán)境中卻不產(chǎn)生，從而提出了乳糖操縱子。圖10.4

乳糖操縱子長度約為6000bp。左端的LacI基因有自己的啟動子和終止子，LacI基因的末端緊接啟動子P。操作基因O占據(jù)LacZ基因的前26bp，LacZ基因之后是LacY基因和LacA基因以及終止子。圖10.5

圍繞著乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄啟始位點，阻遏蛋白和RNA聚合酶的結(jié)合區(qū)域相互重疊。

乳糖操縱子操縱基因（Operator，簡稱O），起到基因開關(guān)的作用。是DNA上與阻遏物結(jié)合的特異性位置。阻遏物一旦結(jié)合到O基因上，就能阻制由RNA聚合酶催化的轉(zhuǎn)錄起動。啟動子（Promoter，簡稱P），是RNA聚合酶結(jié)合的部位，能起動ZYA基因的表達，POZYA在DNA上幾個相鄰接的基因共同組成一個功能單位稱操縱子(operon)。調(diào)節(jié)基因（I基因），能編碼產(chǎn)生一種阻遏蛋白，該蛋白能識別和結(jié)合到操縱基因上，并能阻止RNA聚合酶啟動轉(zhuǎn)錄，使乳糖操縱子處于關(guān)閉狀態(tài)，一般情況下，阻遏蛋白總是結(jié)合在操縱基因O上，使操縱子關(guān)閉。圖10.7

阻遏蛋白與操縱子結(jié)合，使乳糖操縱子處于失活狀態(tài)，加入誘導(dǎo)物以后，阻遏蛋白被釋放出來，才允許RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄。

操縱子operon：是幾個基因協(xié)同表達的遺傳功能單位。由啟動子，操縱基因和轉(zhuǎn)錄成一條mRNA分子的幾個相鄰接的基因組成的功能單位(POZYA)。

如何開啟操縱子表達？當(dāng)環(huán)境中存在乳糖及其類似物時（稱為誘導(dǎo)物），它們能與阻遏物蛋白結(jié)合，使其構(gòu)型改變，不能再與操縱基因O區(qū)結(jié)合。這時，操縱基因便開啟，結(jié)合到啟動子上的RNA聚合酶能順利啟動ZYA基因的表達，合成相應(yīng)的三種酶。乳糖操縱子阻遏蛋白具有兩種識別功能

1)能識別操縱子上特定的操縱基因的序列；

2)能識別乳糖或乳糖類似物。當(dāng)阻遏蛋白與乳糖或類似物結(jié)合時，阻遏蛋白的構(gòu)型將發(fā)生變化，從而使阻遏物失去了對操縱基因的親和作用。阻遏物將從DNA上脫落下來。對Lac系統(tǒng)阻遏作用的解除稱為誘導(dǎo)，能使阻遏物失活并導(dǎo)致Lac基因表達的乳糖類似物稱為誘導(dǎo)物。乳糖半乳糖葡萄糖

Β-半乳糖苷酶(βgalactosidase)水解乳糖為葡萄糖和半乳糖。導(dǎo)致Lac基因表達的乳糖類似物誘導(dǎo)物異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside，IPTG)，稱為安慰誘導(dǎo)物。

操縱基因和操縱子(1)阻遏蛋白怎樣阻斷Lac酶的合成？Jacob操縱子學(xué)說認(rèn)為，操縱子成員是協(xié)同調(diào)控的。LacI——阻抑蛋白，LacZ——β-糖苷酶，LacY——透性酶，LacA——轉(zhuǎn)乙?；浮D10.4

乳糖操縱子長度約為6000bp。左端的LacI基因有它自己的啟動子和終止子，LacI基因的末端緊接啟動子P。操縱基因O占據(jù)LacZ基因的前26bp，LacZ基因之后是LacY基因和LacA基因以及終止子。圖10.5

圍繞著乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄啟始位點，阻遏蛋白和RNA聚合酶的結(jié)合區(qū)域相互重疊。（2）乳糖操縱子的控制屬負調(diào)控。

調(diào)控蛋白與操縱基因結(jié)合關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。調(diào)控因子的失活突變導(dǎo)致功能基因保持表達狀態(tài)。lacI的表達產(chǎn)物稱為乳糖操縱子阻遏蛋白(repressor)，其功能是阻止結(jié)構(gòu)基因表達。乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因起始區(qū)域的詳細結(jié)構(gòu)如圖10.5所示。lac操縱基因是mRNA起始點上游-5bp至轉(zhuǎn)錄單位內(nèi)+21bp的序列，因此它與啟動子的右末端重疊。LacI編碼乳糖操縱子的阻遏蛋白，由4個相同亞基組成的四聚體，每個亞基38kD，大腸桿菌每個細胞含有10個阻遏蛋白分子。圖10.7

阻遏蛋白與操縱子結(jié)合，使乳糖操縱子處于失活狀態(tài)，加入誘導(dǎo)物以后，阻遏蛋白被釋放出來，才允許RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄。（3）誘導(dǎo)物控制阻遏蛋白。在乳糖操縱子中，能應(yīng)答誘導(dǎo)物的成分就是lacI編碼的阻遏蛋白。阻遏蛋白應(yīng)答環(huán)境變化時控制結(jié)構(gòu)基因lacZYA轉(zhuǎn)錄的作用歸納于圖10.7。結(jié)構(gòu)基因從lacZ上游的啟動子開始轉(zhuǎn)錄成一條mRNA。圖10.8

操縱子發(fā)生突變的結(jié)果是組成型表達，因為突變阻遏蛋白不能與操縱子結(jié)合，從而使RNA聚合酶與操縱子的結(jié)合不受限制。操縱子突變?yōu)轫樖阶饔茫挥绊懴嗤溕线B續(xù)的一系列結(jié)構(gòu)基因。(4)通過突變鑒定操縱子和調(diào)控基因1）操縱子突變。

使操縱子在任何情況下，總是不能表達的突變稱為不可誘導(dǎo)型突變(uninduciblemutants)。而不受調(diào)控物影響的連續(xù)表達稱為稱為組成型突變(consititutivemutants)，如圖10.8所示。2）順式顯性突變。操縱基因僅能控制與其相鄰的lac基因。操縱基因控制著鄰近的基因，而對細胞內(nèi)存在的其它等位基因無作用。此位點的突變，如Oc突變稱為順勢顯性(cis-dominant)突變。圖10.10

通過突變可以確認(rèn)并繪制LacI基因內(nèi)不同的功能區(qū)：DNA結(jié)合區(qū)通過N端的LacI-d突變確認(rèn)；如果發(fā)生了LacI-突變則在220-280bp之間不能成四聚體，其他的LacI-突變在整個基因都存在；LacIs突變在62-300bp之間呈規(guī)律性分布。（5）等位基因間互補與反式顯性。當(dāng)存在兩個不同的lacI等位基因時，其產(chǎn)物結(jié)合形成雜合四聚體，性質(zhì)不同于同源四聚體。亞基間這種相互作用稱為等位基因間互補(interalleticcomplementation)。LacI-d稱為顯性負調(diào)控(dominantnegatives)。呈現(xiàn)顯性的原因是因為lacI-d型等位基因產(chǎn)生了“壞”亞基，它不僅本身不能與操縱基因DNA結(jié)合，而且能參與形成阻遏蛋白四聚體，從而妨礙“好”亞基與操縱基因DNA結(jié)合。分解代謝產(chǎn)物調(diào)控

（1）分解代謝產(chǎn)物阻遏。在大腸桿菌中，在培養(yǎng)基中存在葡萄糖和乳糖時，它先分解利用葡萄糖，而抑制乳糖的利用。這種選擇是通過葡萄糖的某些分解物能抑制Lac操縱子的激活，稱為分解物阻遏作用(cataboliterepression，CRO)。當(dāng)葡萄糖濃度很高時，細胞內(nèi)cAMP的濃度較低；隨葡萄糖消耗，cAMP濃度增加；Lac操縱子的激活需要高濃度的cAMP。葡萄糖通過PTs(磷酸丙酮酸:葡萄糖轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng))輸入。圖10.22cAMP只有一個磷酸基團與糖環(huán)的3

和5

相連。分解代謝產(chǎn)物阻遏(該操縱子簡稱CRO)。它是由cAMP水平下降導(dǎo)致CAP(cataboliteactivatorprotein)/(Cataboliterepression，CRP)調(diào)節(jié)蛋白失活而引起的。

圖10.23

葡萄糖通過降低細胞cAMP水平引起Lac操縱子分解代謝產(chǎn)物阻遏。多基因座阻遏調(diào)控

（1）色氨酸阻遏蛋白。色氨酸阻遏蛋白(trprepressor)控制三套不直接相連的基因：①結(jié)構(gòu)基因簇trpEDBCA的操縱基因，控制從分支酸(chorismicacid)合成色氨酸(tryptophan)有關(guān)酶的合成。②另一個基因座上的操縱基因控制aroH基因，編碼在芳香族(aromatic)氨基酸生物合成途徑中催化起始反應(yīng)的三種酶之一。③trpR調(diào)控基因被其自身產(chǎn)物Trp阻遏，稱為自體調(diào)控(autogenouscontrol)。trp操縱基因序列長21bp，三個基因座上均有一個該序列，是trp阻遏蛋白作用的位點。圖10.20操縱基因的位置可以相對與啟動子而發(fā)生各種變化(阻遏能力可能不同)。操縱基因位置操縱基因-23-3操縱基因-12+9操縱基因(下游)操縱基因–49-29操縱基因(啟動子上游)半乳糖芳香族（2）多個操縱子同時阻遏。色氨酸阻遏蛋白(TrpR)識別散在分布的操縱基因有明顯的特點，每個基因座的操縱基因都在啟動子內(nèi)的不同位置上。色氨酸阻遏蛋白基因的操縱基因位于-12至+9之間，而色氨酸操縱子的操縱基因則位于-23至-3之間，aorH基因座的操縱基因則在上游更遠的區(qū)域，位于-49至-29之間。其它操縱子的操縱基因或者位于啟動子的下游(如乳糖操縱子lac)，或者位于啟動子上游(如半乳糖操縱子gal，其天然阻遏作用比較弱)。阻遏蛋白在不同位置操縱基因上的阻遏能力不同。衰減子調(diào)控策略衰減子與衰減作用。衰減調(diào)控是控制RNA聚合酶通讀衰減子(attenuator)的能力，衰減子是位于轉(zhuǎn)錄開始區(qū)的一種內(nèi)部終止子。Attenuator(衰減子)：是位于轉(zhuǎn)錄單位開始區(qū)的一種內(nèi)部終止子，由于核糖體在mRNA上的位置決定該終止發(fā)夾是否形成。若不形成發(fā)夾，RNA聚合酶通讀終止子，基因得以表達。衰減子是在trp操縱子中發(fā)現(xiàn)的。蛋白質(zhì)與發(fā)夾區(qū)結(jié)合模式結(jié)構(gòu)：區(qū)域2與2和3互補區(qū)域2和3配對，終止區(qū)為單鏈，不成發(fā)夾區(qū)域3與2和4互補區(qū)域3和4配對形成終止發(fā)夾在一種結(jié)構(gòu)中，1區(qū)與2區(qū)配對；3區(qū)與4區(qū)配對。3區(qū)與4區(qū)配對形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，緊接發(fā)夾結(jié)構(gòu)是U8序列：它是內(nèi)部終止作用的重要信號。RNA聚合酶可能會占據(jù)U8結(jié)構(gòu)，任何外部干涉都會影響此結(jié)構(gòu)。如果1區(qū)不能與2區(qū)配對，則形成另一種結(jié)構(gòu)。此時2區(qū)能與3區(qū)配對，4區(qū)則無法配對被迫保持單鏈，所以終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu)(hairpin)不能形成。色氨酸缺乏核糖體的位置可以決定發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，其關(guān)鍵點是核糖體在前導(dǎo)肽編碼序列的色氨酸密碼子處延宕。當(dāng)缺乏色氨酸時(上)，核糖體在trp密碼子上暫停，此密碼子是1區(qū)的一部分。所以1區(qū)被核糖體隔離，不能與2區(qū)堿基配對，這意味著在4區(qū)轉(zhuǎn)錄之前2區(qū)已和3區(qū)配對，迫使4區(qū)保持單鏈形式，不能形成終止子發(fā)夾，RNA聚合酶穿越衰減子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。當(dāng)色氨酸存在時(下)，核糖體可以合成前導(dǎo)肽，并延伸到mRNA上的UGA密碼子，UGA密碼子位于1區(qū)與2區(qū)之間。當(dāng)核糖體前進到此點時，通過2區(qū)并阻止其形成堿基配對，導(dǎo)致3區(qū)與4區(qū)配對，產(chǎn)生終止子發(fā)夾。因此，在這種情況下，RNA聚合酶在衰減子處終止。翻譯水平調(diào)控翻譯水平自體調(diào)控。（1）翻譯阻遏蛋白。翻譯水平的調(diào)控主要包括對編碼蛋白質(zhì)合成機構(gòu)基因的操縱子進行控制。采用操縱子可對一組結(jié)構(gòu)基因進行協(xié)調(diào)控制。實際上，這仍然是通過轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控實現(xiàn)對翻譯水平的影響。但也存在翻譯水平上進行調(diào)控的方式，使操縱子中各個基因的表達量存在差異。一個經(jīng)典的例子是RNA噬菌體R17的外被蛋白，它與噬菌體mRNA核糖體結(jié)合位點內(nèi)的發(fā)夾結(jié)構(gòu)結(jié)合。另一個相似的例子是T4噬菌體的RegA蛋白，它與幾種T4噬菌體早期mRNA上含有AUG起始密碼子的一段共有序列結(jié)合。而且，T4噬菌體DNA聚合酶在mRNA上的結(jié)合序列中包括與核糖體結(jié)合的SD序列。圖10.32與mRNA起始區(qū)序列結(jié)合抑制翻譯起始的阻遏蛋白。圖10.31如果調(diào)節(jié)蛋白與mRNA的結(jié)合位點包含起始密碼，則翻譯就被阻止。圖10.34編碼核糖體蛋白、蛋白質(zhì)合成因子、RNA聚合酶亞單位的基因散布于幾個自體調(diào)控的操縱子內(nèi)。調(diào)控蛋白名稱用紅色表示，被調(diào)控的蛋白被描成粉紅色。圖10.33二級結(jié)構(gòu)也能控制起始：RNA噬菌體只有一個可利用的起始位點，但當(dāng)?shù)谝粋€順反子被翻譯時RNA的構(gòu)象發(fā)生改變，使得其它起始位點也能夠被利用。操縱子

strspcS10αL11rifS:小亞基蛋白，L:大亞基蛋白α,βRNA聚合酶亞基（2）mRNA二級結(jié)構(gòu)調(diào)控翻譯。（3）翻譯機構(gòu)操縱子的自體調(diào)控。應(yīng)急調(diào)控策略（1）應(yīng)急反應(yīng)。細菌處于極差的生長條件下，由于缺乏足夠的氨基酸使蛋白質(zhì)合成受到抑制，因而會關(guān)閉大量的代謝過程，稱為應(yīng)急反應(yīng)(stringentresponse)或應(yīng)急調(diào)控，是細菌渡過困難時期而存活下來的機制。應(yīng)急反應(yīng)時rRNA和tRNA減少大約10～20倍，某些mRNA的合成也下降大約三倍。蛋白質(zhì)降解速度加快，核苷酸、糖和脂類等的合成量也下降。（2）應(yīng)急因子與空轉(zhuǎn)反應(yīng)。應(yīng)急反應(yīng)引起腺苷四磷酸ppGpp和腺苷五磷酸pppGpp增加(統(tǒng)稱(p)ppGpp)，能與目標(biāo)蛋白結(jié)合，空轉(zhuǎn)反應(yīng)引發(fā)應(yīng)急反應(yīng)，ppGpp是應(yīng)急反應(yīng)的效應(yīng)物和觸發(fā)器。Stringentfactor(應(yīng)急因子)：ppGpp合成酶RelA(通過松弛型突變體研究發(fā)現(xiàn)的，是一種酶，催化合成(p)ppGpp的反應(yīng)。圖10.29在正常的蛋白質(zhì)合成中，氨酰-tRNA占據(jù)A位點是多肽轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移多肽鏈的信號，接著便是由轉(zhuǎn)位因子G催化的移動。但在應(yīng)急條件下，空載tRNA使得RelA蛋白合成出pppGpp，而后者排斥空載tRNA。（3）ppGpp是應(yīng)急反應(yīng)的效應(yīng)物。

RelA酶更多地利用GTP為底物進行合成反應(yīng)，因此RelA的主要產(chǎn)物是pppGpp(圖10.29)。ppGpp是調(diào)控一些反應(yīng)的效應(yīng)物，能抑制轉(zhuǎn)錄。已研究報道了ppGpp的許多作用，其主要作用有兩個方面：①特異性抑制編碼rRNA操縱子的啟動子轉(zhuǎn)錄起始。應(yīng)急反應(yīng)的啟動子突變可以廢除應(yīng)急調(diào)控，表明應(yīng)急反應(yīng)的作用需要ppGpp與特異性啟動子的相互作用。②多數(shù)或大多數(shù)基因轉(zhuǎn)錄的延伸過程受ppGpp抑制。

原因是能增加RNA聚合酶的暫停時間。當(dāng)在體外加入ppGpp時，該反應(yīng)可以降低總體轉(zhuǎn)錄效率。原噬菌體可以通過誘導(dǎo)過程解除溶原限制，這時它從細菌基因組中切除，產(chǎn)生游離的噬菌體DNA，然后進入裂解途徑(lyticphathway)。噬菌體這種可替換形式的繁殖方式是由轉(zhuǎn)錄調(diào)控決定的。溶原狀態(tài)的保持是通過噬菌體阻遏蛋白(repressor)與操縱基因(operator)的相互作用。裂解周期需要級聯(lián)(cascade)性轉(zhuǎn)錄控制。這兩種生活方式的轉(zhuǎn)換依賴阻遏作用的建立(裂解周期到溶原狀態(tài))或解除阻遏(誘導(dǎo)溶原狀態(tài)到裂解狀態(tài))。圖11.1裂解途徑中噬菌體顆粒的復(fù)制伴隨著對細菌宿主的破壞，但溶原性存在使得宿主把噬菌體基因組當(dāng)作自己遺傳物質(zhì)的一部分。λ噬菌體的表達調(diào)控圖11.11在感染過程中，λDNA進行環(huán)化，因此晚期基因簇在一個轉(zhuǎn)錄單元內(nèi)且相對完整。早期：宿主RNA聚合酶從PL和PR轉(zhuǎn)錄N和cro中早期：pN允許轉(zhuǎn)錄從相同的啟動子并跨過N和cro后期：轉(zhuǎn)錄從PR’開始并完成所有后期基因轉(zhuǎn)錄λ噬菌體是E.coli的溫和噬菌體。其DNA進入宿主后，粘末端互補并由連接酶連接成共價閉環(huán)。進入宿主時，其DNA上沒有任何調(diào)控蛋白，因此宿主的RNA聚合酶便分別結(jié)合在PL和PR上，表達出抗終止蛋白N和調(diào)節(jié)蛋白Cro。由于抗終止蛋白N的抗終止作用，使RNA聚合酶越過終止子TL1、TR1、TR2轉(zhuǎn)錄，并翻譯出CII、CIII、O、P蛋白。在cII和cIII的作用下啟開了在cII和cro基因之間的啟動子PE(establishment)轉(zhuǎn)錄，并翻譯成CI(還包括一段反義RNA)。cro產(chǎn)物抑制溶原性阻遏蛋白CI的合成，從而使噬菌體進入裂解循環(huán)。溶原與裂解之間的平衡圖11.26溶原態(tài)的建立首先需要一系列的級聯(lián)反應(yīng)，但溶原建立后噬菌體會有一套自體阻遏蛋白調(diào)控路徑來維持溶原，原先的級聯(lián)反應(yīng)被關(guān)閉。中早期：N和cro

轉(zhuǎn)錄后早期：pN抗終止，cII和cIII轉(zhuǎn)錄熔原態(tài)建立期：CII作用在PRE，cI轉(zhuǎn)錄熔原態(tài)維持期：阻遏蛋白結(jié)合在OL

和OR，CI從PRM轉(zhuǎn)錄溶原與裂解途徑密切相關(guān)，（1）溶原與裂解取決于兩個操縱基因的占用權(quán)。溶原與裂解在即將決定去向之前都遵循同一條代謝途徑。二者都使前早期基因表達，并延伸進入后早期基因。它們之間的區(qū)別可歸結(jié)為究竟是阻遏蛋白還是Cro將獲得兩個操縱基因的占用權(quán)。（2）CⅡ蛋白表達水平?jīng)Q定噬菌體的侵染結(jié)果。對溶原與裂解間轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵性影響是CⅡ。如果CⅡ有活性，經(jīng)由阻遏建立啟動子的阻遏蛋白有效表達，結(jié)果使阻遏蛋白獲得占據(jù)操縱基因的能力。如果CⅡ沒有活性，阻遏蛋白的建立失敗并且Cro與操縱基因結(jié)合。CⅡ蛋白的低表達水平?jīng)Q定噬菌體的侵染結(jié)果。圖11.27裂解反應(yīng)需要Cro蛋白：它一方面通過與PRM作用直接阻止阻遏蛋白的合成，一方面關(guān)閉后早期基因的表達，間接組織阻遏蛋白的合成。中早期：N和cro轉(zhuǎn)錄后早期：pN抗終止，cII和cIII轉(zhuǎn)錄后早期繼續(xù)：Cro結(jié)合在OL

和OR后期：Cro抑制CI和所有早期基因，pQ激活后期基因表達（3）宿主基因產(chǎn)物亦影響溶原和裂解途徑。

宿主基因hflA和hflB的突變體能增加溶原化(hfl代表高頻溶原化)。這種突變使使宿主降解CⅡ的蛋白酶失活，從而能增加CⅡ的穩(wěn)定性。宿主細胞對CⅡ蛋白水平的影響提供了一種干擾選擇-決定去向的途徑。例如，降解CⅡ的宿主蛋白酶在細菌生長在培養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基時活性較高，因此λ噬菌體傾向于裂解生長較好的細胞；但當(dāng)細胞營養(yǎng)不良處于饑餓狀態(tài)時，λ噬菌體缺少有效裂解生長的必要成分，更傾向于進入溶原狀態(tài)。小分子RNA調(diào)控翻譯圖10.45反義RNA能夠影響RNA的穩(wěn)定性和功能。（1）調(diào)控RNA。調(diào)控RNA總體上有兩種調(diào)控機制：①RNA分子與靶分子形成雙螺旋，通過形成和封閉特異位點直接影響靶分子的功能。②調(diào)控RNA與靶分子的部分區(qū)域形成雙螺旋，從而改變靶分子其它區(qū)域的構(gòu)型，間接影響靶分子的功能。（2）反義RNA調(diào)控。在細菌中反義RNA(antisenseRNA)在有些情況下作為調(diào)控因子，如圖10.45所示。用反義RNA抑制mRNA的翻譯，是從天然反義RNA學(xué)來的。AntisenseRNA(反義RNA)：由同一基因反向轉(zhuǎn)錄，得反義RNA(反義RNA可通過顛倒某基因相對其啟動子的方向，使用反義鏈轉(zhuǎn)錄而產(chǎn)生)，它可以與野生型轉(zhuǎn)錄本退火形成雙鏈RNA。（3）反義RNA的作用機制。圖10.47秀麗隱線蟲的Lin4RNA通過與Lin14RNA的3

非翻譯區(qū)結(jié)合來調(diào)節(jié)其表達(Lin4調(diào)節(jié)幼蟲發(fā)育的基因，其產(chǎn)物為22和61bp的RNA)。圖10.46大腸桿菌摩爾滲透壓濃度增加激活并產(chǎn)生了OmpR，OmpR誘導(dǎo)micF和ampC(編碼大腸桿菌的外膜蛋白)的轉(zhuǎn)錄，micFRNA(反義)與ampF5

互補，阻止其翻譯。（4）反義RNA產(chǎn)生的機制。反義RNA可通過反向轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生(圖10.48)。反義RNA的合成能抑制原核基因或真核基因的靶RNA。人工合成的編碼反義RNA的基因引入大腸桿菌時，它們可通過與mRNA互補阻止特異靶基因的表達。第14章真核生物基因表達調(diào)控要點：真核基因表達調(diào)控的特點；調(diào)控因子的結(jié)構(gòu)域及其作用機制；小RNA調(diào)控及RNA編輯。調(diào)控類型和水平高等真核生物各種細胞表型的差異，很大程度上取決于編碼蛋白質(zhì)基因表達上的不同。真核生物基因調(diào)控，根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：第一類稱為瞬時調(diào)控，相當(dāng)于原核生物細胞對環(huán)境條件變化做出的反應(yīng)。瞬時調(diào)控包括某種底物或激素濃度升降以及細胞周期不同階段酶活性和濃度的調(diào)控。第二類是發(fā)育調(diào)控或稱不可逆調(diào)控，它決定真核細胞生長、分化、發(fā)育的全過程，是真核生物基因表達調(diào)控的精髓。根據(jù)基因調(diào)控在同一事件中發(fā)生的先后次序，可將其分為不同“調(diào)控水平”(levelofcontrol)，基因調(diào)控可在幾個連續(xù)步驟中的任何一步進行調(diào)控。至少可分為5個潛在的調(diào)控層面：基因結(jié)構(gòu)的激活

轉(zhuǎn)錄起始

轉(zhuǎn)錄物加工

mRNA向胞質(zhì)轉(zhuǎn)運

mRNA的翻譯。真核基因調(diào)控要比原核更復(fù)雜遺傳信息量大，其DNA與組蛋白及其他蛋白組成染色質(zhì)。這些染色質(zhì)的狀態(tài)直接影響基因表達。在真核細胞中，轉(zhuǎn)錄發(fā)生在核中，翻譯發(fā)生在胞質(zhì)中，因此，mRNA必須從核中運送到細胞質(zhì)中才能進行蛋白質(zhì)的合成。在運送到細胞質(zhì)之前，真核基因的轉(zhuǎn)錄本要進行加