01 第一章 植物基因的结构及其表达调

（3）顺式作用元件
• 在5’端远上游区域中．还存在对基因的表达 有增强或阻遏作用的顺序、决定基因在特 定时空表达的顺序以及对激素或外界胁迫 有应答作用的顺序，由于这些顺序对基因 表达起调控作用，因此统称为调控元件， 又由于它们与基因位于同一条DNA链上，故 又称顺式作用元件(cis－acting element)。 有些研究论文中提到的启动子有时也指包 括了这些元件在内的很长一段区域
1.2 5’非翻译区
• 基因的转录起始位点到翻译起始密码子之间的一 段顺序被称为5’非翻译区。该区的5’端是前体mRNA 加帽(7-甲基鸟嘌呤核苷）的位点。有些基因的5’ 非翻译区中还有一些茎环结构。这些茎环结构与 翻译起始密码子的旁邻顺序对翻译的效率都有影 响。此外在有些值物基团的5’非翻译区中还鉴定 出有内含子存在。如在Ubiquitin基因、Sh基因、 Actin基因、Ashl基因与Wx基因的5’非翻译区中均 有内含子存在，且这些内含子都有增强基因表达 的作用。
• （1）转录起始位点 • （2）TATA box、 CAAT box • （3）顺式作用元件
（1）转录起始位点
• Joshi曾比较了79个高等植物基因启动区的 DNA顺序，推衍出在基因转录起始点附近的 一致顺序(consensus sequence)是CTCATCA。 当中的一个A是转录起始的核苷酸，一般都 将此核苷酸编号为+1位。转录本中的核苷 酸位臵均以正数表示，而A的5’上游区非转 录核苷酸则以负数表示，A的两边通常是嘧 啶核苷酸。
（2）TATA box、 CAAT box
• Joshi的总结中还指出，在转录起始点上游 －32±7 核苷酸对(bp)处有一段一致顺序 TCACTATATAG，简称为TATA box，这些顺序 对RNA聚合酶Ⅱ准确地使基因起始转录是必 需的。在TATA box 上游-75bp 附近常有一 致顺序GC(T／C)CAATCT，简称CAAT box．这些顺序有增强基因特录的作用。在 有些植物基因中．没有明显的TATA box， 在另一些植物基团中，AGGA box替代了 CAAT box
• ③如果基因的产物不明确或蛋白质不易提纯而无 法测序，但是知道该基因突变后所出现的表型改 变，则可用转座子标签法来分离基因，该法是利 用转座子在染色体上能够移动的特性，分离出由 于转座因子插入而造成该基子探针杂交的阳性克隆。然 后以该克隆中转座子要克隆的基因。也有用农杆菌中 的T－DNA作插入突变来克隆基因的，原理相同。
2．基因的表达调控
• 在植物的一个生命周期，即从种子胚到下一代种 子胚的形成过程中，要经过许多不同的发育阶段 与形成许多不同的组织与器官。这些过程都是与 基因时空专一性表达密切相关的。同时，植物的 生长与发育也离不开光、温度等外界环境，而干 旱、水涝、盐碱、甚至病虫害的侵袭等也会影响 植物的正常生长与发育。因此，弄清基因时空表 达以及环境因素如何诱导基因表达的分子机理在 理论上与实际应用上都有重要的意义。
• 近年来，很多科学家对植物基因的结构进 行了研究，结果表明它们与其他真核基因 的结构很相似。下面将他们对植物基因中4 个区域结构的研究结果简述如下：
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1.1 5’上游区
• 这是指基因转录起始点5’端ห้องสมุดไป่ตู้游包括启动 子在内的一段很长的区域，其中包含着与 基因转录起始与表达调控有关的许多元件。 这个区域在结构上有以下几点值得注意。
在营养器官中：
• （1）编码Rubisco小亚基的rbcS基因。主要在叶 子的叶肉细胞、叶表面的保卫细胞，中脉与绿色 组织细胞中表达。 • （2）编码富含羟基脯氨酸的糖蛋白的HRGP基因。 此种糖蛋白是植物细胞壁的主要结构成分，有防 御病菌感染的作用，主要在茎的栅状细胞、表皮 细胞与滴漏细胞中表达。 • （3）编码S－腺苷甲硫氨酸合成酶并参与多胺与 乙烯生物合成的5’Sam-1基因。主要在维管组织的 木质部、韧皮部，厚壁组织与根的皮层中表达。
1.4
3’非翻译区
• 这是指转录本中终止密码子后面的一段顺序，这段顺序中 也有一些调控元件，它们对mRNA的稳定性和翻译的效率均 起重要的调节作用。 • （1）Angenon等分析了748种植物基因中围绕终止密码子的 18个核苷酸顺序，总结出所有3种已知的终止密码子都能被 植物基因用作翻译终止讯号，但使用的比例则因植物的不 同而有差别。单子叶植物基因使用UGA作为终止密码的占46 ％，UAA与UAG的分别占28％与26％，而双子叶植物首选UAA 占46％，而用UGA与UAG的分别为36％与18％，而琥珀密码 子UAG选用的百分比最低。 • （2）在mRNA末端有1或2个加polyA信号，多数植物基因均 为AAUAAA，有少数基因其中的个别核苷酸有不同。
1.3
编码区
• （2）关于编码区外显子中4种核苷酸的比 例，Murray统计了54种单子叶植物基因与 3种双子叶植物基因，总结出单子叶植物 基因的AU含量为54％，双子叶植物基因中 AU含量为43％。主要的差别是发生在密码 子的第3个碱基上，双子叶植物基因对A、 U、C、G 4种碱基的选用机率基本相似， 而单子叶植物基因则偏向于选择A与U。
1.3
•
•
编码区
这是指从翻译起始密码列终止密码之间的一段 区域，或者说是指这一区域中的所有外显子部 分。 （1）Kozak比较了47种植物基因与植物病毒基 因中翻译起始位点附近的23个核苷酸，除了一 个基因例外，其余的都是从5’端的第一个AUG作 为翻译起始密码子的。例外的是菜豆的凝集素 基因，它的转录本5’端有4个AUG，但彼此的读码 框不同。可能由于前面3个AUG的旁邻顺序不适 宜核糖体的识别而不被使用，第4个AUG才是真 正的翻译起始密码子。
1.3
•
编码区
•
（3）像其他真核基因一样，植物基因的编码区 中也常有数目不等的内含子，而且有些编码区 中的内含子也有增强基因表达的作用。 （4）有些真核基因中的一个外显子正好对应此 基因所编码蛋白质中的一个结构域，因此有人 推测在基因演化过程中，一个内含子可能会带 着相邻的外显子在基因间飘移，从而构成由不 同结构域组成的不同蛋白质分子。
2.2
•
受环境因素诱导而表达的基因
一些非生物性胁迫因素如高温、低温、 干旱、水涝、盐碱、重金属离子与创伤以 及一些生物性胁迫因素如致病菌的感染与 根瘤菌的入侵等均能诱导植物基因的表达， 在胁迫因素与基因表达之间有一个很复杂 的信号传导过程，这里只介绍几个受这些 因素诱导的基因的例子。
第一章 植物基因的结构及其表达调控
• 自从孟德尔用不同表型的豌豆品种进行杂交试验以探 探讨生物的遗传规律以来，一部遗传学的发展史反映 了人类对基因不断深化认识的过程。特别在分子遗传 学诞生以后，有关基因的结构、突变、表达、调节与 克隆等方面的研究取得很大的进展。这不但帮助生物 学各分支学科找到了深化自己研究问题的思路，同时 也为解决医药与农业上的许多难题提供了新的技术与 途径。但是目前对基因仍有许多不够了解的地方，还 有许多基因尚未被克隆。这有待不同学科研究者的共 同努力来完成。下面就近年有关植物中编码蛋白质的 核基因的结构，以及表达调控方面的一些进展作一简 单的介绍。
克隆植物中核基因的方法
• ②根据蛋白质中所测出的氨基酸顺序， 合成一对或数对用于聚合酶链式反应 (PCR)的引物，以植物总DNA为模板， 扩增或分段扩增出所要克隆的基因或 基因因与cDNA克隆。
克隆植物中核基因的方法
第一章
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植物基因的结构及其表达调控
1. 基因的结构 1.1 5’上游区 1.2 5’非翻译区 1.3 编码区 1.4 3’非翻译区 2. 基因的表达调控 2.1 器官与组织专一性表达的基因 2.2 受环境因素诱导而表达的基因 2.3 基因表达的调节机理
1. 基因的结构
• 1.1 • 1.2 • 1.3 • 1.4 5’上游区 5’非翻译区 编码区 3’非翻译区
克隆植物中核基因的方法
• 在研究一个基因的结构之前，先要克隆到这 个基因。目前常用来克隆植物中编码蛋白质 的核基因的方法大致有以下几种： • ①根据蛋白质中所测出的部分氨基酸顺序， 合成一段与之相对应的由三联密码组成的寡 核苷酸基因与cDNA克隆。
在生殖器官中：
• (1)P2 基因。只在雄蕊的成熟花粉与花粉管中表 达，它所编码的蛋白与聚半乳糖醛酶有同源性， 推测此蛋白参与花粉管萌发与生长时的果胶解聚 作用。 • (2)def 基因。它是金鱼草中编码一种转录因子的 基因，该基因发生突变后即造成金鱼草的雄性器 官转换成不正常的雌性器官，它只在花器官的雄 蕊中表达。 • (3)PAL2 基因。它编码苯丙氨酸解氨酶，参与花 色素的合成，只在花瓣中表达。
• ⑤如果有该基因的突变株或该基因受某种因素诱导表达， 则可利用mRNA的差异显示法或减法克隆策略找到所要克隆 的基因。 • 除以上几种方法外，也有人用其他生物中已被克隆的同源 基因的顺序作探针或据此合成引物，从所研究的植物中克 隆出同源的基因。在克隆到基因与cDNA后，即可对它们进 行测序，并将基因的全顺序与相应的cDNA顺序作比较，就 可以初步了解该基因结构的概况，如基因转录起始点的位 臵，内含子的数目、位臵及其长度，终止密码子与加 po1yA信号的位臵等。通过基因的cDNA克隆在细菌细胞中 的高表达，以纯化出它所编码的蛋白质，在测出该蛋白质 氨基端的部分氨基酸顺序后，即可确定基因的翻译起始密 码子，并推测出基因所编码蛋白质中的氨基酸顺序与蛋白 质的相对分子质量Mr。
在种子中：
• (1)编码大豆贮藏蛋白的的Gy4基因。 它只在胚乳组织中表达。 • (2)O2基因。它是玉米中编码一种转录因 子的基因，该因子调节玉米醇溶蛋白基因 的表达、O2基因只在玉米的胚乳中表达。 （奥帕克-2（Opaque－2），它是辛格尔 顿（Singleten）发现的 ）
在种子中：
• (3)编码禾谷类α-淀粉酶的αAmyl基因。当种子 吸水后开始萌发时，该基因在糊粉层中表达。 • 除了上述几个例子外，近年来还鉴定出了一些 专一在果实、块茎与根瘤中表达的基因，此处不一 一列举。但要指出的是：①许多组织专一性表达的 基因，往往也是发育阶段专一性表达的基因。如一 些贮藏蛋白基因。②有些外界因素会改变基因表达 的部位。如土豆的Class Ⅰ patatin 基因，它编 码土豆的贮藏蛋白，主要在块茎中表达，在叶与茎 中不表达。但当块茎与腋生芽被除去后，该基因即 在茎与叶柄中表达。此外蔗糖也可诱导此基因在叶 与茎中表达。