二、高等植物基因结构及表达调控 植物生理 教学课件

步行法找到所要克隆的基因。
已知基因
未知基因
步行探针
A
间隔100Kb
B
⑤ 如果该基因受某种因素诱导表达，
可用mRNA差异显示法找到所要克隆的 基因。
⑥ 核DNA减法克隆。利用缺失突变
体与同源亲本1~2DNA片段的差异克隆目
的基因。
克隆到基因与cDNA后，测序，对比基因全
序列与 cDNA序列，了解基因结构：如转录起始
③ 基因产物不明，但知道基因突变后的表型，
可用转座子标签法分离基因。
×
显性纯合子 隐性纯性表型
杂合子 突变表型
带转座子 亚克隆探针 DNA片段
完整目的基因
④ 利用RFLP图谱，找出与所要克
隆基因紧密连锁的分子标记，用染色体
⑤ 真核生物能够根据生长发育阶段的需要进 行DNA的重排和基因扩增。
⑥ 真核基因转录调控区很大，可远离启动 子上千个碱基。
⑦ 真核基因的表达——转录和翻译存在着 时间和空间间隔。
⑧ 真核基因表达的调控可从染色体结构至 翻译后加工多个层次（水平）上进行。
原核生物基因表达
真核细胞基因表达
2、植物的基因组
探针是一段与目的基因有互补序列的用放射性同位素 （32P）标记的 DNA 或 RNA分子。
restriction
DNA enzyme
denaturation
DNA or RNA probe
探针杂交
电泳分离
转膜
放射显影
核酸分子杂交
② 根据蛋白质测序结果，合成一对 PCR 引物，以植物总DNA为模板，扩增 出的基因与 cDNA克隆。
3 植物基因的结构
克隆植物中编码蛋白质基因的方法： ① 根据蛋白质测序结果，合A克隆。
某种生物全部基因的克隆总体——基因组克隆与基因组的构建cDNA
文 库 的 构 建
③ 编码区中常有数目不等的内含子（intron）。外 显子与内含子交界处共有序列是：
外显子 ···AG GTAAGT ···内含子···TCNAG G ···外显 子
也称“GT-AG法则”
内含子共有4种，具有核酶性质： I 类内含子：主要存在于rRNA和质体tRNA基因
中，中间部分高度保守； II 类内含子：主要存在中“钓出”目的基因。
利用“探针”分子钓取目的基因
两条来源不同的具有一定同源性（即具有碱基互补关 系）的DNA单链分子或DNA单链分子与RNA分子经退火形 成双链DNA分子或DNA-RNA异质双链分子的过程称为核 酸分子杂交。
位点，内含子数量、位置及长度，终止密码与加
尾信号的位置等。
通过对比研究，表明植物基因结构与其它真
核基因结构相似，主要由 5’上游区、5’非翻译区、
编码区、3’非翻译区4个结构区域组成。
高等植物基因结构
启动子
5’上游区 5’非翻译区
编码区
终止序列
3’非翻译区
3.1 5’上游区:
转录起点5’端上游一段很长的区域，包含启动子 在内的与基因表达起始和表达调控有关的许多元件。
二、高等植物基因结构及表达调控
1、真核基因组结构特征 2、植 物 的 基 因 组 3、植 物 基 因 的结构 4、植物基因 的表达调 控
1、 真核细胞基因组结构的特征
① 真核基因是单顺反子，一条成熟的mRNA链只 能翻译出一条多肽链。原核生物是多基因操纵子。
真核生物 rRNA 基因结构
ETS
植物细胞内的三类基因组存在着广泛的相 互作用。
叶绿体和线粒体的结构蛋白多数由核基因 组编码：细胞器基因 转移至核基因组；
在三种不同的基因组中存在有同源DNA— —“混源DNA”；
也有基因从核基因组转移至细胞器基因 组——核糖体L23蛋白质基因。
叶绿体、线粒起源：马古利斯的内 共生理论。
分子生物学证据： 1、线粒体和叶绿体仅能来自已有的线粒体和叶绿体； 2、基因组结构与原核生物相似； 3、有自已有蛋白质合成体系，且与原核生物相似； 4、能抑制细菌RNA聚合酶的抗生素也能 抑制线粒体
ITS 不转录间隔
18S 5.8S 28S 45S rNA前体
18 S 5.8S 28S rRNA基因
真核rRNA基因是多考贝（中度重复序列）； 三种rRNA基因总是按18S、5.8S、28S 顺序排列； 此基因簇是串联重复的，簇与簇之间由不转录间隔分开； 间期核中rDNA浓缩成核仁，在核仁中被转录、加工。
该序列是RNA聚合酶II起始转录所必需的。
在 –75 附近 处常有GC（T/C）CAATCT一致序 列，简称CAAT box，确定RNA聚合酶结合部位，具 有增强基因转录的作用。
GC box：-110附近的GGGCGG保守序列， 确定RNA聚合酶结合部位。
转录起点到 CAAT box 附近这一区段称为启动子。
基因组的复杂性是指基因组中不同序列的总和， 用DNA变性和复性实验检测；
可用参数：Co t1/2 表示；
Co：复性时相同DNA的浓度；t：复性的时间 一半DNA复原成双链所用的时间，基因组越复杂，
Co t1/2值越大。
叶绿体基因组（chloroplast genome）：
多数植物 cpDNA在120~160kb之间； 含有87~183个已知基因；
基因符号用三个斜体字母表示，基因产物蛋白质用正体大写：
突变型基因用小写：abc
野生型基因用大写：ABC
ABC是该基因的产物
Abc+指 ABC 基因的表型（野生型）；
Abc- 指 abc 基因的表型（突变型）；
ABC1 和 ABC2 是不同的基因；
abc4-1 和 abc4-2为相同基因的不同等位基因；
③ 在5’远上游区，存在对基因表达有增强或 抑制作用、决定基因表达特定时空顺序以及对激 素和外界胁迫起应答作用的序列——
顺式作用元件（cis-acting element）
3.2 5’非翻译区:
转录起点到翻译起始密码子之间的序列。 该序列5’端是前体 mRNA 加帽位点。
5’非翻译区
3.3 编码区:
植物的基因组：细胞核基因组 + 细胞质基因组
叶绿体基因组+ 线粒体基因组
基因组学：研究基因组的结构、功能和进化的科学。
2.1 植物基因组的复杂性
（1）植物除了细胞核基因组外，还有细胞质基因组； （2）植物基因组的长度差异是整个生物界最大的；
拟南芥单倍体基因组：6.3×107 bp； 百 合单倍体基因组：1.0×1011 bp； （3）植物基因组中重复序列变化极大; 拟南芥和一些多倍体植物中: 20%; 小麦、豌豆中，80%以上基因是重复序列；
起始密码到终止密码之间的序列。有时专指 外显子（extron）部分。
① 多数植物基因转录本 5’ 有一个起始密码 AUG，少数植物 5’ 有4个AUG。
翻译起点的共有序列： 植物：C（G）AANNATGG 动物：A（G）NNATGG
转录的基本原则——碱基互补： A=T G=C A=U
② 外显子中4种碱基比例： 单子叶植物：AT含量 43 %； 双子叶植物：AT含量 54 %；
因中，拼接点的序列高度保守； III 类内含子：主要存在于核mRNA基因中； IV 类内含子：存在于核tRNA基因中；
3.4 3’非翻译区:
终止密码后的序列，也有一些调控序列，对 mRNA的稳定性和翻译效率起调节作用。
3种终止密码使用的频率为： 单子叶植物：TGA 46 %，TAA 28 %，TAG 26 % 双子叶植物：TAA 46 %， TGA 36 %，TAG 18 %
烟草
86684 LSC
25339 IRA
18482 25339 SSC IRB
rRNA
rRNA
4 rRNA基因、30 tRNA基因、4 RNA聚合酶基因、21核糖 体蛋白质基因、31光合作用相关基因、40其它蛋白质基因。
线粒体基因组（mitochondrial genome）
mtDNA长度变异要比cpDNA大得多，195~2600kb； 动物mtDNA为15~18kb；真菌在18~78kb；
和叶绿体RNA聚合酶。 5、叶绿体基因结构中有象细菌那的启动子、操纵子
结构。
2.2 基因组学简介
1995，第一个细胞生物，流感嗜血菌基因组1.8Mb测序完成； 1996，第一个真核生物，啤酒酵母基因组12Mb测序完成； 1998，第一个动物，美丽线虫基因组（97Mb）测序完成； 2000，第一个昆虫，果蝇基因组（120Mb）测序完成； 2000，第一个植物，拟南芥基因组（125Mb）测序完成； 2001，第一个哺乳动物，人的基因组（3100Mb）测序完成； 2002，第一个重要作物，水稻基因组（430Mb）测序完成；
基 因（gene）？ 基因组（genome）？ 基因组学（genomics）？
遗传物质单元，在染色体上占据特定位置、具有某种 特定遗传功能的DNA序列。
结构基因：编码一个完整mRNA的一段DNA序列。
调控基因：不编码蛋白质或RNA，对其它基因表达起 调节作用的一段DNA。
基因组：一个生物遗传物质的总和。 细胞中的全部DNA。
173
玉 米(Zea mays)
25
75
人 类(Hemo sapiens)
31
102
大肠杆菌(E. coli)
0.042
0.14
玉米叶绿体
0.0016
0.006
玉米线粒体
0.0057
0.02
基因组的序列可分为单一序列（single copy sequence）和重复序列（repetitive sequence）；
http//www.ddbj.nig.ac.jp/
基因的命名：
植物基因命名委员会： Commission on Plant Gene Nomenclature，CPGN 根据基因序列，把植物基因分成不同的家族； CPGN规定：基因符号最多8个：