第八章 基因表达与调控第八章 基因表达与调控

第一节 基因的概念第一节 基因的概念• 经典遗传学：遗传物质的传递规律经典遗传学：遗传物质的传递规律• 分子遗传学（分子遗传学（ 19531953 ，， Watson & CrickWatson & Crick ）：）： 基因的本质－化学、结构基因的本质－化学、结构 基因的功能－基因表达、调控与性状表现基因的功能－基因表达、调控与性状表现 基因的变化－基因突变等基因的变化－基因突变等

一、经典遗传学中基因的概念 功能单位：控制一个或者几个性状。

结构单位：染色体片段－基因位点（ locus ）与 染色体一起有丝分裂和减数分裂。 是突变最小单位： Aa

是交换最小单位： A － B

经典遗传学认为：基因是遗传上最小的结构与功

能单位，不能分割。是结构与 功能的统一体

二、分子遗传学中基因的概念1. 基因的本质： （ 1 ）基因是特定长度和碱基序列的 DNA 片

段 （ 2 ）核苷酸序列中蕴藏着遗传信息：

mRNA 多肽 DNA tRNA

rRNA

调节基因

无翻译产物

翻 译转 录无转录产物

结构基因

2. 基因遗传结构的可分性 （ 1 ）拟等位基因的发现： Oliver （ 1940 ），果蝇

野生型 突变型 （卵圆眼） （菱形眼）

szlyzl

都位于 X 染色体上 27.2

szl

szl

szl

yzl

yzl

yzl

yzl

szl

Y Y

♀

♂

F1F1 ： 应该全是菱形眼，但是却意外发现了： 应该全是菱形眼，但是却意外发现了 0.2%0.2% 的野生卵圆形眼。的野生卵圆形眼。为什么？推断：为什么？推断： i i 回复突变：回复突变： ii ii 等位基因“不等位” ： 和 虽然都位于等位基因“不等位” ： 和 虽然都位于 X27.X27.

2 2

这个基因位点（这个基因位点（ locuslocus ），但是，它们却处在不），但是，它们却处在不 同的座位（同的座位（ sitesite ），基因内部不同座位之间发生），基因内部不同座位之间发生 重组：重组：

szl

yzl

szl Y s

zlyzl

yzl Y× ×

（（ 0.2%0.2% ））

szl

yzl

szl ＋

yzl

＋27.2

FF11 ：：

OliverOliver 的两个学生设计了一个更巧妙的实验，证明了同的两个学生设计了一个更巧妙的实验，证明了同一个基因内部的不同座位之间可以发生交换一个基因内部的不同座位之间可以发生交换，而且排除了突，而且排除了突变的可能性：变的可能性：

yy aprapr splspl × yy aprapr splspl × ＋ ＋ w w ＋ ＋ YY （黄身、杏黄眼、分叉刚毛） （ 灰身、白眼、直刚毛）（黄身、杏黄眼、分叉刚毛） （ 灰身、白眼、直刚毛）

FF11 X X 染色体染色体

yy

++

apr +apr +

+ w+ w

splspl

++

0 1.5 3.0

y apr + spl y apr + spl

♀♀

♂♂

由于由于 apr apr 和 和 ww 都位于都位于 XX 的的 1.51.5 位点，是等位基因。位点，是等位基因。让该让该 F1F1 自交，自交， F2F2 不应该有不应该有红眼红眼个体出现。但结果却是个体出现。但结果却是出现了出现了 0.1%0.1% 的红眼：的红眼：

— — 如果是回复突变：红眼果蝇应该是黄身、 如果是回复突变：红眼果蝇应该是黄身、

分叉刚毛，或者灰身、直刚毛。分叉刚毛，或者灰身、直刚毛。

— — 如果是在图示位置发生交换：如果是在图示位置发生交换：红眼都是灰红眼都是灰

身、分叉刚毛。身、分叉刚毛。

实验证明：红眼都是灰身、分叉刚毛，所以是基因位点内实验证明：红眼都是灰身、分叉刚毛，所以是基因位点内部两个座位之间交换的结果。部两个座位之间交换的结果。

（（ 22 ）顺反测验）顺反测验 基因既然可以划分为不同的遗传单位，那么基因的界限基因既然可以划分为不同的遗传单位，那么基因的界限

在哪儿？在哪儿？————顺反测验顺反测验 概念 概念 ：

顺式（顺式（ ciscis ）－同侧，像“相引相”）－同侧，像“相引相” 反式（反式（ transtrans ）－不同侧，像“相斥相”）－不同侧，像“相斥相”

步骤：步骤： 创建双突变杂合二倍体：创建双突变杂合二倍体：

注意：注意： aa11 、、 aa22 是基因产物相同或者相似的突变基因是基因产物相同或者相似的突变基因

有无互补作用？有无互补作用？

A B

a b

A b

a B

+ +

a1 a2

+ a2

a1 +

顺式 反式顺式 反式

a1 、 a2 a1 、 a2

等位基因 非等位基因

+ ++ +

aa11 a a22

+ a+ a22

aa1 +1 +

野生型野生型

gene1 gene2

野生型野生型

突变型突变型 gene1 gene2

野生型 突变型野生型 突变型

顺式：顺式：

反式：反式：

DNA DNA 转录 转录 mRNA mRNAmRNA mRNA

顺式：无论顺式：无论 a1a1 、、 a2 a2 是否等位，都表现为野生型，因此在顺 是否等位，都表现为野生型，因此在顺

反测验中只能起对照作用。反测验中只能起对照作用。

反式：顺反测验如果没有互补作用反式：顺反测验如果没有互补作用 a1a1 、、 a2 a2 等位基因等位基因

顺反测验如果有互补作用顺反测验如果有互补作用 a1a1 、、 a2 a2 非等位基因非等位基因

顺反子顺反子（（ citroncitron ） ） ：在顺反测验中没有互补作用的所有座位的突：在顺反测验中没有互补作用的所有座位的突变。是功能的最小单位。实际上相当于一个基因。变。是功能的最小单位。实际上相当于一个基因。

（（ 33 ）基因的细微结构）基因的细微结构 T4T4 噬菌体 噬菌体 rIIrII 区的细微结构 区的细微结构 T4T4 噬菌体染色体上有三个区段，决定三种快速溶菌类型：噬菌体染色体上有三个区段，决定三种快速溶菌类型： rIrI ，， rIIrII ，， rIII (rIII ( 注意：第七章噬菌体作图时的注意：第七章噬菌体作图时的 rr 是是 T2T2 的基的基

因因 )) BenzerBenzer （（ 19501950 ）对）对 rIIrII 深入研究：深入研究： 首先：首先：获得了获得了 20002000 多个独立的突变株，估计有多个独立的突变株，估计有 400~500400~500 个个 突变位点。突变位点。 其后：其后：双重感染 双重感染 E.coli BE.coli B （同时），形成双突变杂合二倍（同时），形成双突变杂合二倍 体，进行互补测验。发现突变体可以分为体，进行互补测验。发现突变体可以分为 rIIA rIIA 和 和 rIIBrIIB 二组：其中只有分别属于二组：其中只有分别属于 rIIA rIIA 和 和 rIIBrIIB 的突变的突变 体之间可以互补，而体之间可以互补，而 rIIArIIA 或者或者 rIIBrIIB 内部的突变体之内部的突变体之 间没有互补效应间没有互补效应 rIIrII 区有区有 AA 、、 BB 二个顺反子。二个顺反子。

最后：最后：作连锁图 ：作连锁图 ：

rrxx －－ rryy 重组值＝重组值＝

双重感染双重感染 E.Coli BE.Coli B

+ r+ rxx

rry y ++

+ r+ ry y rrxx + +

+ r+ ryy

rrx x ++rrxx r ryy

+ ++ +

E.Coli BE.Coli B

E.Coli K12(E.Coli K12())

所有基因型噬菌斑所有基因型噬菌斑

野生型噬菌斑野生型噬菌斑

2×2× E.Coli K12(E.Coli K12()) 噬菌斑数噬菌斑数

E.Coli BE.Coli B 噬菌斑数噬菌斑数×100%×100%

顺反子（顺反子（ citroncitron ）是功能的基本单位，但是一个顺反子内部）是功能的基本单位，但是一个顺反子内部同的区段可以发生基因突变 同的区段可以发生基因突变 突变子（突变子（ mutonmuton ）：突变的最小单位。）：突变的最小单位。 重组子（重组子（ reconrecon ）： 重组的最小单位。重组子作图。 ）： 重组的最小单位。重组子作图。 i.e. i.e. 基因不是最小的（遗传）结构单位。基因不是最小的（遗传）结构单位。

高等动植物的复等位基因高等动植物的复等位基因 a1a1 A a2 A a2 基因突变的多方向性：即同一个基因突变的多方向性：即同一个 a3 a3 基因内部不同座位发生突变。基因内部不同座位发生突变。 a4a4

如何判断是否是复等位基因？顺反测验－如何判断是否是复等位基因？顺反测验－

3. 基因概念的发展：基因概念的发展： 移动基因（跳跃基因）：转座子移动基因（跳跃基因）：转座子 断裂基因：内含子、外显子断裂基因：内含子、外显子 重叠基因：同一段重叠基因：同一段 DNADNA 不同的读码或终止方式，产生不不同的读码或终止方式，产生不 同的表达产物。一般常见于原核生物。同的表达产物。一般常见于原核生物。

假基因：与正常基因序列高度同源，但是不表达。假基因：与正常基因序列高度同源，但是不表达。

4. 4. 基因与性状表达基因与性状表达 基因（ DNA ） mRNA 蛋白质 tRNA

rRNA

AA BB AA BB

结构蛋白结构蛋白

酶蛋白酶蛋白性状表现

性状表现代代

谢谢

例 1 ：人的镰形红血球贫血症

SS (G (GTTA, A, ValVal))

AA (GAA, Glu) (GAA, Glu) CC ((AAAA, AA, Lys)Lys)

豌豆：圆粒－皱粒豌豆：圆粒－皱粒 RR －淀粉分支酶（－淀粉分支酶（ SBESBE ）基因正常，淀粉粒形成）基因正常，淀粉粒形成圆圆 粒豌豆。粒豌豆。 r r －－ SBESBE 基因插入失活（基因插入失活（ 0.8kb0.8kb ），蔗糖积累），蔗糖积累皱粒。皱粒。

Beadle, G W & Tatum, E L Beadle, G W & Tatum, E L ：“一个基因一个酶” ：“一个基因一个酶” “ “ 一个基因一个多肽” 一个基因一个多肽” 一个多肽或多个多肽 一个多肽或多个多肽 生物性状。 生物性状。

局限性局限性

例 2 豌豆的圆粒与皱粒

第二节 基因表达的调控第二节 基因表达的调控基因表达的调控：

细胞、组织功能的分化 细胞的全能性与 不同发育阶段的分化。 不同环境 基因表达的时空调控。 一般表现两个层次：（ 1 ）转录水平 （ 2 ）转录后水平

一、原核生物基因表达的调控（一）主要在转录水平调控：（一）主要在转录水平调控： 负调控：负调控： gene ON OFFgene ON OFF 正调控：正调控： gene OFF ONgene OFF ON

诱导：诱导： 活性阻遏蛋白 活性阻遏蛋白失活 失活 诱导因子诱导因子＋＋ 非活性激活蛋白非活性激活蛋白活性活性 阻遏：阻遏： 失活阻遏蛋白失活阻遏蛋白活性活性 共阻遏蛋白共阻遏蛋白＋＋ 活性激活蛋白活性激活蛋白失活失活

阻遏蛋白阻遏蛋白

激活蛋白激活蛋白

1. 1. 乳糖操纵元 （乳糖操纵元 （ lac operonlac operon ））

（（ 11 ）乳糖操纵元的结构）乳糖操纵元的结构

lacII lacZ lacY lacAZ lacY lacA

PPlacI lacI PPlac lac OOlaclac

RNARNA

DNADNA

lacZ lacY lacAZ lacY lacA

lacII

乳糖阻遏物（单体、四聚体） 乳糖阻遏物（单体、四聚体） -- 半乳糖苷酶半乳糖苷酶 渗渗透酶 乙酰转移酶透酶 乙酰转移酶

ProteinProtein

乳糖 葡萄糖＋半乳糖乳糖 葡萄糖＋半乳糖 增加乳糖的吸收 功能未知增加乳糖的吸收 功能未知

（（ 22 ）乳糖操纵元转录调节）乳糖操纵元转录调节

Plac lacZ lacY lacA转录被阻滞

RNA聚合酶 Olac

被激活的乳糖阻抑物四聚体

乳糖 诱导物（异乳糖）

失活的乳糖阻抑物 - 诱导物复合体

OlacPlac lacZ lacY lacA

RNA聚合酶

转录被诱导

lacZ lacY lacA RNA

cAMP-CRP cAMP-CRP ComplexComplex

PlacPlac 弱启动子，当体内葡萄糖缺乏时，弱启动子，当体内葡萄糖缺乏时， cAMPcAMP 并与并与 cAMcAMPP 受体蛋白 受体蛋白 (CRP) (CRP) 结合成复合物结合成复合物 , , 再结合到图中的位置，再结合到图中的位置，可使可使 DNADNA 发生发生 909000弯曲，转录效率提高弯曲，转录效率提高 5050 倍倍——正调控——正调控。。

葡萄糖 葡萄糖 cAMPcAMP 合成合成 lacZ lacZ

2. 2. 色氨酸操纵元色氨酸操纵元• 色氨酸操纵元的结构和色氨酸阻抑物的功能色氨酸操纵元的结构和色氨酸阻抑物的功能

• 弱化作用弱化作用——前导序列可以组成性转录。——前导序列可以组成性转录。 弱化子：弱化子： 前导前导 RNARNA 结构结构 重要性：使色氨酸转录抑制重要性：使色氨酸转录抑制 1010 倍。倍。

trpAtrpBtrpCtrpE trpDPPtrp trp OOtrptrp 前导序列 a 前导肽

Trp Trp 阻抑物 色氨酸阻抑物 色氨酸

激活激活

RNAtrpE trpD trpC trpB trpA

色氨酸合成所需的酶色氨酸合成所需的酶

trpR

弱化子：缺失导致转录水平上升的不依赖于弱化子：缺失导致转录水平上升的不依赖于 σσ 因子的因子的 DNADNA 序列，如果序列，如果形成发夹结构就可以作为一个高效的转录终止子。形成发夹结构就可以作为一个高效的转录终止子。

前导前导 RNARNA 序列序列

5’ trptrp mRNA mRNA trptrpLL

1 21 2 3 43 4

寡聚寡聚 UU 区区

trpE

(a) (a) 正常正常

(b) (b) 高 高 [Trp][Trp]

11 22 转录终止转录终止

3 4

(C) (C) 低低 [Trp] [Trp]

11

2 32 3

44转录延伸转录延伸

（二）翻译水平的调控（二）翻译水平的调控 1. E. coli 1. E. coli 核糖体合成反馈抑制： 核糖体合成反馈抑制： 核糖体合成过量 核糖体合成过量 核糖体与本身 核糖体与本身 mRNAmRNA 的的 （（ 11 ）） UTRUTR （（ 5’5’ 非翻译区）结合或者非翻译区）结合或者 （（ 22 ）） Shine-dalgarno Shine-dalgarno 序列（ 序列（ AGGAGGUAGGAGGU 与与 rRNArRNA

互互 补配对）结合。补配对）结合。

2. 2. 反义反义 RNARNA ：： 与与 UTRUTR 或者或者 Shine-dalgarnoShine-dalgarno 结合结合

翻译翻译

（一） 真核生物基因表达的调控机制要复杂得多（一） 真核生物基因表达的调控机制要复杂得多 1. 1. 基因组大得多：基因组大得多： 重复序列重复序列 多个调节基因调控一个或多个结构基因多个调节基因调控一个或多个结构基因 2. 2. 基因分布在不同染色体基因分布在不同染色体 3. 3. 复杂的染色质结构复杂的染色质结构（二） 几种调控机制（二） 几种调控机制 1. DNA1. DNA 的改变的改变

二、真核生物基因表达的调控二、真核生物基因表达的调控

（（ 11 ）基因剂量与基因扩增：）基因剂量与基因扩增： 蟾蜍（昆虫、鱼、两栖）：卵母细胞发育 蟾蜍（昆虫、鱼、两栖）：卵母细胞发育 rDNA 600rDNA 6002×102×1066 ，临时扩增 ，临时扩增 4000 4000 倍。 倍。 癌细胞中的致癌基因。 癌细胞中的致癌基因。 （（ 22 ）） DNADNA 重排 重排 基因从远离启动子的位置移到距离启动子近的 基因从远离启动子的位置移到距离启动子近的 位置，从而启动转录。位置，从而启动转录。 （（ 33 ）） DNADNA甲基化（去甲基化） 甲基化（去甲基化） 5-mC 5-mC ———— CpG CpG 岛岛 NN66-mA-mA

7-mG7-mG

2. 2. 转录水平的调控转录水平的调控

5’5’ AA BB 3’3’

CAAT boxCAAT box

TATA boxTATA box

翻译起始翻译起始 翻译停止翻译停止

TAA/TAG/TGATAA/TAG/TGA

加 加 Poly (A) Poly (A) 信信号号

加帽，转录起始加帽，转录起始

信号肽序列信号肽序列

UTRUTR11 3322

1,1, 、、 22 、 、 33 ： 外显子： 外显子

AA 、、 B B ：内含子边界：内含子边界

真核基因的结构示意图真核基因的结构示意图

（ 1 ）顺式作用元件（ DNA ）调控作用：

a.a. 启动子启动子：基因转录起始位点（：基因转录起始位点（ +1+1 ）到上游）到上游 100-200bp100-200bp 以内 以内

一组具有独立功能的一组具有独立功能的 DNADNA 序列，每个元件 序列，每个元件

7~20bp7~20bp ，决定转录起始点和转录频率。，决定转录起始点和转录频率。

b. b. 增强子增强子：位于转录起始点上游（多数）、下游、内含子， ：位于转录起始点上游（多数）、下游、内含子，

有的相距达 有的相距达 1 kb 1 kb 的 的 DNA DNA 序列序列，长度 ，长度 20bp 20bp ，，

与转录激活子结合，在合适转录因子存在时与转录激活子结合，在合适转录因子存在时

表达某一基因，或通过竞争转录不同的基因。表达某一基因，或通过竞争转录不同的基因。 c. c. 选择性启动子选择性启动子：有些真核生物的基因具有两个或两个以上：有些真核生物的基因具有两个或两个以上 的启动子，用于不同细胞中表达。的启动子，用于不同细胞中表达。

（ 2 ）反式作用因子（蛋白质）调控作用： a. a. 转录因子转录因子 : : 可与 可与 RNA RNA 聚合酶和聚合酶和 // 或启动子或启动子 // 增强子结合的增强子结合的蛋白质蛋白质，启动转录或转录延伸。包括转录激活子。反式作用因，启动转录或转录延伸。包括转录激活子。反式作用因子的功能结构域：子的功能结构域：

I. DNAI. DNA 结合结构域（结合结构域（ DNA Binding DomainDNA Binding Domain ）） 螺旋－转角－螺旋（螺旋－转角－螺旋（ HTHHTH ））

锌指（ 锌指（ zinc fingerzinc finger ）：）： 碱性亮氨酸拉链（碱性亮氨酸拉链（ bZIPbZIP ）） II. II. 转录活激活结构域（转录活激活结构域（ Transactivating domainTransactivating domain ）：）： 与与 RNARNA聚合酶或者其它转录因子结合，激活转录。聚合酶或者其它转录因子结合，激活转录。

DBDDBD ：螺旋－转角－螺旋（：螺旋－转角－螺旋（ HTHHTH ））

DBDDBD ：锌指（：锌指（ Zinc FingerZinc Finger ））

DBDDBD ：碱性亮氨酸拉链（：碱性亮氨酸拉链（ bZIAPbZIAP ））

（（ 33 ）其它 调控途径：）其它 调控途径：

a. a. mRNA mRNA 的降解的降解：：

3’ 3’ 非编码区 非编码区 5’-UUUA-3’ 5’-UUUA-3’ 是 是 RNA RNA 快速降解的标志。快速降解的标志。

b. b. 选择选择 mRNAmRNA切割切割 同一初级转录产物在不同细胞中以不同的方式切割 同一初级转录产物在不同细胞中以不同的方式切割 加工，形成不同的成熟加工，形成不同的成熟 mRNAmRNA

c. c. 激素的调控作用激素的调控作用 激素 激素 双翅目昆虫唾腺染色体变化（唾腺染色体 双翅目昆虫唾腺染色体变化（唾腺染色体 疏松图式变化）疏松图式变化） 激素 激素 + + 受体受体转录因子磷酸化转录因子磷酸化 d. d. 染色质的结构染色质的结构

3. 3. 翻译水平的调控翻译水平的调控

（（ 11 ）） mRNA mRNA 加尾加尾 : 20 PolyA : 20 PolyA handreds of Poly A handreds of Poly A 。。

种子中种子中 mRNAmRNA加尾后才翻译。加尾后才翻译。

（（ 22 ）阻抑蛋白与 ）阻抑蛋白与 mRNA mRNA 结合 结合 翻译受阻。 翻译受阻。

（（ 33 ）蛋白质翻译后加工：）蛋白质翻译后加工：

a. a. 蛋白质折叠：蛋白质＋分子伴侣蛋白质折叠：蛋白质＋分子伴侣折叠折叠

b. b. 蛋白酶切割：蛋白酶切割：末端切割： 原蜂毒（无毒）末端切割： 原蜂毒（无毒） 蜂毒（有毒） 蜂毒（有毒）

胰岛素的切割胰岛素的切割

信号肽的切割 信号肽的切割

胰岛素的切割胰岛素的切割 前体胰岛素前体胰岛素

胰岛素原胰岛素原

胰岛素胰岛素

信号肽：信号肽： N-N-端疏水性强的氨基酸组成，与膜脂容易结合，端疏水性强的氨基酸组成，与膜脂容易结合， 内质网膜运输。切除后蛋白质有活性。内质网膜运输。切除后蛋白质有活性。

多聚蛋白质的切割：多聚蛋白质的切割：

一个多肽链切割成多个功能蛋白质，如动物激素。一个多肽链切割成多个功能蛋白质，如动物激素。

c. c. 蛋白质化学修饰：蛋白质化学修饰：

乙酰基、甲基、磷酸基、糖基 乙酰基、甲基、磷酸基、糖基 NN端、端、 CC端 或者侧链。端 或者侧链。

磷酸化：磷酸化：

糖基化：糖基化： SerSer 、、 Thr OThr O －糖基化－糖基化

Asn NAsn N －联糖基化－联糖基化

d. d. 蛋白质内含子蛋白质内含子

Intein Extein InteinIntein Extein Intein

成熟蛋白质成熟蛋白质 有核酸内切酶活性 有核酸内切酶活性