1 第十一章 基因表达与调控 浙江大学 遗传学第十一章 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： 复制、转录和翻译三个水平。 本章重点 第一节 基因的概念 浙江大学 遗传学第十一章 4 ㈠、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 遗传学第十一章 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 遗传学第十一章 6 ⑴.揭示遗传密码的秘密：基因 Î 具体物质。 一个基因 Î DNA分子上一定区段，携带有特殊遗传 信息 Î 转录成RNA Î 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 Î 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：
1 第十一章 基因表达与调控 浙江大学 遗传学第十一章 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： 复制、转录和翻译三个水平。 本章重点 第一节 基因的概念 浙江大学 遗传学第十一章 4 ㈠、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 遗传学第十一章 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 遗传学第十一章 6 ⑴.揭示遗传密码的秘密：基因 Î 具体物质。 一个基因 Î DNA分子上一定区段，携带有特殊遗传 信息 Î 转录成RNA Î 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 Î 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：
2 浙江大学 遗传学第十一章 7 ⑶. 现代遗传学上认为： 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 遗传学第十一章 8 ⑷．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 遗传学第十一章 9 ⑴．结构基因(structural gene)： 指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。 ㈢、分子遗传学对基因概念的新发展： rRNA基因 浙江大学 遗传学第十一章 10 ⑵．调控基因(regulator gene)： 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 遗传学第十一章 11 ⑶．重叠基因(overlapping gene)： 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。 A BC D E F extron ⑷．隔裂基因(split gene)： 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
2 浙江大学 遗传学第十一章 7 ⑶. 现代遗传学上认为： 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 遗传学第十一章 8 ⑷．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 遗传学第十一章 9 ⑴．结构基因(structural gene)： 指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。 ㈢、分子遗传学对基因概念的新发展： rRNA基因 浙江大学 遗传学第十一章 10 ⑵．调控基因(regulator gene)： 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 遗传学第十一章 11 ⑶．重叠基因(overlapping gene)： 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。 A BC D E F extron ⑷．隔裂基因(split gene)： 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
3 浙江大学 遗传学第十一章 13 ⑸．跳跃基因(jumping gene)： 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 Î 引起 插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）Î 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Ä性状发生改变 浙江大学 遗传学第十一章 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 遗传学第十一章 16 ⑹. 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 遗传学第十一章 17 二、基因的微细结构： 浙江大学 遗传学第十一章 18 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：
3 浙江大学 遗传学第十一章 13 ⑸．跳跃基因(jumping gene)： 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 Î 引起 插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）Î 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Ä性状发生改变 浙江大学 遗传学第十一章 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 遗传学第十一章 16 ⑹. 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 遗传学第十一章 17 二、基因的微细结构： 浙江大学 遗传学第十一章 18 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：
4 1．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。 2．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。 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。 3．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 Î 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 遗传学第十一章 22 ㈡、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 Î 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.coli B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 Î侵染K12(λ) 株，选择重组体r +Î 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：r x、r y r +r x × r y r + ↓混合感染 E.coli B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 遗传学第十一章 24 r47 r104 r101 r106 r31 r107 ⑶．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 1.6 100% B 2 K ( ) 100% 2 r r 12 × × = × × = + + 株上生长的噬菌斑总数 株上生长的噬菌斑数 总噬菌体数 噬菌体数 重组值 λ
4 1．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。 2．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。 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。 3．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 Î 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 遗传学第十一章 22 ㈡、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 Î 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.coli B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 Î侵染K12(λ) 株，选择重组体r +Î 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：r x、r y r +r x × r y r + ↓混合感染 E.coli B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 遗传学第十一章 24 r47 r104 r101 r106 r31 r107 ⑶．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 1.6 100% B 2 K ( ) 100% 2 r r 12 × × = × × = + + 株上生长的噬菌斑总数 株上生长的噬菌斑数 总噬菌体数 噬菌体数 重组值 λ
5 ②. 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 遗传学第十一章 26 三、顺式与反式调控： 1. 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Î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Î这种突变称为反式调控。 浙江大学 遗传学第十一章 27 浙江大学 遗传学第十一章 28 rRNA 如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。 转录 tRNA 发生突变后， 多肽链改变。 翻 译 蛋白质 结构蛋白 生物酶 直接 间接 某 段 DNA mRNA 性 状 四、基因的作用与性状的表现： 基因变异 Î 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： S Hbβ 产生贫血症的原因： 单个碱基的突变Î引起氨基酸的改变Î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Î缺氧时表现贫血症。 HbA HbS HbC
5 ②. 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 遗传学第十一章 26 三、顺式与反式调控： 1. 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Î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Î这种突变称为反式调控。 浙江大学 遗传学第十一章 27 浙江大学 遗传学第十一章 28 rRNA 如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。 转录 tRNA 发生突变后， 多肽链改变。 翻 译 蛋白质 结构蛋白 生物酶 直接 间接 某 段 DNA mRNA 性 状 四、基因的作用与性状的表现： 基因变异 Î 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： S Hbβ 产生贫血症的原因： 单个碱基的突变Î引起氨基酸的改变Î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Î缺氧时表现贫血症。 HbA HbS HbC
6 2. 酶蛋白： 例如：豌豆 圆粒(RR) × 皱粒(rr)Î F1 圆粒(Rr) Î 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。 第二节 基因的调控 浙江大学 遗传学第十一章 33 一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典 Î 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 遗传学第十一章 34 一、原核生物的基因调控： 浙江大学 遗传学第十一章 35 ㈠、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Î阻碍RNA聚合酶转录Î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 Î 形成一种激活子 复合物 Î 与基因启动子 DNA 序列结合Î 激活基 因起始转录 Î 使基因处 于表达的状态。 浙江大学 遗传学第十一章 36 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
6 2. 酶蛋白： 例如：豌豆 圆粒(RR) × 皱粒(rr)Î F1 圆粒(Rr) Î 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。 第二节 基因的调控 浙江大学 遗传学第十一章 33 一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典 Î 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 遗传学第十一章 34 一、原核生物的基因调控： 浙江大学 遗传学第十一章 35 ㈠、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Î阻碍RNA聚合酶转录Î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 Î 形成一种激活子 复合物 Î 与基因启动子 DNA 序列结合Î 激活基 因起始转录 Î 使基因处 于表达的状态。 浙江大学 遗传学第十一章 36 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
7 浙江大学 遗传学第十一章 37 ㈡、乳糖操纵元（操纵子）： 1.乳糖操纵元模型： 1961年，雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.） 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. β-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： β-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 遗传学第十一章 38 2. 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＋Oc Z+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 遗传学第十一章 39 3. 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 (catabolite activating protein, 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 遗传学第十一章 41 4. 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 遗传学第十一章 42 ⑵. 阻遏蛋白的分离与鉴定： 吉尔伯特（Gilbert W., 1966）等利用阻遏蛋白超量表达突变 型（regulator Quantity，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
7 浙江大学 遗传学第十一章 37 ㈡、乳糖操纵元（操纵子）： 1.乳糖操纵元模型： 1961年，雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.） 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. β-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： β-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 遗传学第十一章 38 2. 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＋Oc Z+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 遗传学第十一章 39 3. 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 (catabolite activating protein, 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 遗传学第十一章 41 4. 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 遗传学第十一章 42 ⑵. 阻遏蛋白的分离与鉴定： 吉尔伯特（Gilbert W., 1966）等利用阻遏蛋白超量表达突变 型（regulator Quantity，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
8 浙江大学 遗传学第十一章 43 ②. 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（lac O）序列结合，而 不与lacOc 的序列结合。 浙江大学 遗传学第十一章 44 ⑶. 蛋白的结晶分析： 刘毅斯（Lewis M.， 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 遗传学第十一章 45 操纵元调控位点的精细分析： 浙江大学 遗传学第十一章 46 ㈢、色氨酸操纵元： 1．色氨酸操纵元模型： 由雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.）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 遗传学第十一章 48 2.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
8 浙江大学 遗传学第十一章 43 ②. 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（lac O）序列结合，而 不与lacOc 的序列结合。 浙江大学 遗传学第十一章 44 ⑶. 蛋白的结晶分析： 刘毅斯（Lewis M.， 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 遗传学第十一章 45 操纵元调控位点的精细分析： 浙江大学 遗传学第十一章 46 ㈢、色氨酸操纵元： 1．色氨酸操纵元模型： 由雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.）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 遗传学第十一章 48 2.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
9 浙江大学 遗传学第十一章 49 ⑵. 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； 问题：弱化子如何进行调控？ 前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、 11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA序列， 该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。 浙江大学 遗传学第十一章 51 原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成 哪种二级结构Ä从而决定弱化子是否可形成终止信号。 ①. 当有色氨酸时，完整翻译短肽 Ä 核糖体停留在终止密码子 处，邻近区段2位置 Ä 阻碍了2,3配对 Ä 使3, 4区段配对形成发夹 结构终止子 Ä RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。 ②. 如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时Ä 由于没有色氨 酰tRNA的供应 Ä 停留在该密码子位置，位于区段1 Ä 使区段2与区段 3配对Ä 区段4无对应序列配对呈单链状态 Ä RNA聚合酶通过弱化子， 继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。 苏氨酸在前导肽中有8个氨基酸密码子存在，组氨酸则有7个组氨 酸密码子存在，核糖体停留在这些位置时，弱化子不产生发夹结构， 结构基因开始转录。 细菌弱化子的 作用是许多关键 氨基酸生物合成所 共有的一种调控机 制；在苏氨酸、组 氨酸、亮氨酸和苯 丙氨酸等操纵元的 前导肽中均有弱化 子存在，具有多个 相应氨基酸密码子 供核糖体停留。 浙江大学 遗传学第十一章 54 ⑶. 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
9 浙江大学 遗传学第十一章 49 ⑵. 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； 问题：弱化子如何进行调控？ 前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、 11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA序列， 该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。 浙江大学 遗传学第十一章 51 原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成 哪种二级结构Ä从而决定弱化子是否可形成终止信号。 ①. 当有色氨酸时，完整翻译短肽 Ä 核糖体停留在终止密码子 处，邻近区段2位置 Ä 阻碍了2,3配对 Ä 使3, 4区段配对形成发夹 结构终止子 Ä RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。 ②. 如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时Ä 由于没有色氨 酰tRNA的供应 Ä 停留在该密码子位置，位于区段1 Ä 使区段2与区段 3配对Ä 区段4无对应序列配对呈单链状态 Ä RNA聚合酶通过弱化子， 继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。 苏氨酸在前导肽中有8个氨基酸密码子存在，组氨酸则有7个组氨 酸密码子存在，核糖体停留在这些位置时，弱化子不产生发夹结构， 结构基因开始转录。 细菌弱化子的 作用是许多关键 氨基酸生物合成所 共有的一种调控机 制；在苏氨酸、组 氨酸、亮氨酸和苯 丙氨酸等操纵元的 前导肽中均有弱化 子存在，具有多个 相应氨基酸密码子 供核糖体停留。 浙江大学 遗传学第十一章 54 ⑶. 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
10 浙江大学 遗传学第十一章 55 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 遗传学第十一章 57 ⑷. 翻译水平的调控： ①. 反馈调控机制(feedback regulation)： 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； 如果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(untranslated region，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 遗传学第十一章 58 ②. 反义RNA(antisense RNA)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 遗传学第十一章 59 二、真核生物的基因调控： 真核生物与原核生物的调控差异 真核生物 原核生物 操纵元调控 多样化调控，更为复杂 基因组小，大肠杆菌： 总长 4.6×106 bp, 编码 4288 个基因, 每个基因 约 1100bp 基因组大，人类基因组全长3×109 bp， 编码10万个基因，其余为重复序列 基因分布在同一染色体 上，操纵元控制 DNA 与组蛋白结合成染色质，染色质 的变化调控基因表达；基因分布在不 同的染色体上，存在不同染色体间基 因的调控问题 适应外界环境，操纵元 调控表达 基因差别表达是细胞分化和功能的核 心 转录和翻译同时进行， 大部分为转录水平调控 转录和翻译在时间和空间上均不同， 从 DNA 到蛋白质的各层次上都有调 控，但多数为转录水平调控
10 浙江大学 遗传学第十一章 55 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 遗传学第十一章 57 ⑷. 翻译水平的调控： ①. 反馈调控机制(feedback regulation)： 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； 如果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(untranslated region，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 遗传学第十一章 58 ②. 反义RNA(antisense RNA)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 遗传学第十一章 59 二、真核生物的基因调控： 真核生物与原核生物的调控差异 真核生物 原核生物 操纵元调控 多样化调控，更为复杂 基因组小，大肠杆菌： 总长 4.6×106 bp, 编码 4288 个基因, 每个基因 约 1100bp 基因组大，人类基因组全长3×109 bp， 编码10万个基因，其余为重复序列 基因分布在同一染色体 上，操纵元控制 DNA 与组蛋白结合成染色质，染色质 的变化调控基因表达；基因分布在不 同的染色体上，存在不同染色体间基 因的调控问题 适应外界环境，操纵元 调控表达 基因差别表达是细胞分化和功能的核 心 转录和翻译同时进行， 大部分为转录水平调控 转录和翻译在时间和空间上均不同， 从 DNA 到蛋白质的各层次上都有调 控，但多数为转录水平调控