基因的表达与调控

第八章基因的表达与调控

基因表达就是将基因携带的生物信息释放出来，供细胞利用的过程，或将生物的遗传信息作为性状或特征表现出来的过程。

第一节基因的概念

一、基因的概念及其发展

（一）经典遗传学中关于基因的概念

1、基因具有染色体的主要特征，能自我复制，有相对的稳定性，在有丝分裂和减数分裂中有规律地进行分配。

2、基因在染色体上占有一定位置（位点），并且是交换的最小单位。

3、基因是以一个整体进行突变的，故它又是一个突变单位。

4、基因是一个功能单位，它控制着正在发育有枘本的某一个或某些性状，如红花、白花等。

（二）分子遗传学关于基因的概念

认为基因不是不可分割的最小遗传单位。

一个基因相当于DNA分子上的一定区域段，是由多少不等的核苷酸对构成的，所以在一个基因内部的不同核苷酸对之间可以发生交换和突变。

那么按照现代遗传学的观点，根据重组、突变、功能这三个单位应分别是：

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是一个核苷酸对。

2、重组子（recon）：（交换子）

发生性状重组时，可交换的最小单位，一个重组子只包含一对核苷酸。

3、顺反子（cistron）：（作用子）

表示一个起作用的单位，基本符合通常所指的基因。一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽链的合成相对应。

所谓起作用，是指这一段DNA可以转录成RNA，进而合成蛋白质。

（三）基因概念的进一步发展

分子遗传学上基因的概念：

①可转录一条完整的RNA分子，或编码一条多肽链；

②功能上被互补测验或顺反测验所规定。

事物是在不断发展和深化的，对基因的认识也在日新月异，基因可分为不同的类型

1、结构基因（structual gene）：是可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列

2、调控基因（regulator gene）：指其产物参与调控其他结构基因表达的基因。

3、重叠基因（overlapping gene）：指同一段DNA的编码顺序，同时编码两个或两个以上的多肽链基因。

4、隔裂基因（spit gene）：指一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编码顺序所隔裂的现象。

5、跳跃基因（jumping gene）：（转座因子，又可叫可移动因子）：指可作为插入因子和转座因子移动的DNA序列

6、假基因（pseudogene）：与正常基因在核苷酸顺序的组成上非常相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。

还有根据基因来源将基因分为核基因，线粒体基因，叶绿体基因等。

二、基因的微细结构

（一）互补作用

互补试验是确定两个独立起源的突变型是属于等位基因之内还是属于非等位基因之间的一种简易的遗传测定方法。

如有互补作用，个体表现为正常；如无互补作用，则个体表现为突变型。

（二）顺式与反式调控

假设某一基因的表达受一种调控蛋白质控制，只有在调控蛋白质与该基因的启动子位点结合时，这个基因才能表达。

如果这个基因的启动子位点发生突变，调控蛋白不能识别这个位点，也就不能转录形成RNA，基因就不能表达。

在这里，这突变只影响到与其邻近的编码序列，即基因本身不能表达，并不影响其他等位基因。这种突变称为顺式调控。

如果是调控蛋白质发生突变，形成的蛋白质不能与这个基因的启动子结合，这将会影响到与这个蛋白质结合的所有等位基因位点，导致这些基因不能表达，这种突变称为反式调控。

因此一个反式调控所涉及到的是某种可在细胞中扩散的物质（多是蛋白质），它可以对细胞内的多个位点起调控作用，决定这些位点能否表达。而顺式调控将直接影响与其紧邻的DNA 序列，控制这段序列的表达。

（三）基因的微细结构

三、基因的作用与性状的表达

根据中心法则：DNA——mRNA——蛋白质，即处于活化状态的基因，就将它携带的遗传密码，通过mRNA的转录与翻译，形成特异的蛋白质，通过蛋白质直接或间接博达生物的遗传性状。

（一）一个基因，一个多肽链

有些生物性状直接是爱过蛋白质（结构蛋白和功能蛋白）控制的，或者更确切地说，是通过多肽链来控制的。但是在更普遍的情况下，基因通过酶的合成，间接地影响生物性状的表达。

（二）一个基因，一个酶

基因控制性状不是直接的，而是通过酶的合成间接实现的。

基因对于遗传性状表达的作用可分为直接的与间接的，但这仍然是不完善的，因为基因不仅可以作为mRNA转录的模板，同时也可以作为tRNA与rRNA转录的模板。此外，还有一些基因，既不参加mRNA转录，也不参加tRNA与rRNA的转录，它们只对其他基因的活动起调控的作用。

酶的合成与停止合成，并不仅是与基因突变联系的，而主要还受制于基因作用的调控系统。第二节基因调控

控制特定基因产物合成的机制成为基因调控（gene regulation）

一、原核生物的基因调控

原核生物的基因调控主要发生在转录水平。

当需要某一特定基因产物时，合成这种mRNA。当不需要这种产物时，mRNA转录受到抑制。但要说明一点，即使是基因不表达，通常也是指该基因的表达水平很低，但仍推持在一个基本水平，每个细胞也有一至几个mRNA分子。

在细菌中，当几种酶参与同一个代谢途径时，往往是这几种酶的合成同时起动，产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺反子mRNA ,这是原核生物所特有的现象，也是一种经济有效的调控方式。真核生物没有这种调控机制，因为真核生物基因转录是单顺反子mRNA。不同

转录调控机制中有一些共同特点。例如，根据基因表达产物的用途，可分为降解代谢途径与合成代谢途径。在一个多级反应的降解代谢途径中，被降解的分子将决定这些降解酶是否需要合成。而在合成代谢途径中，合成的最终产物又可以调节合成酶基因的表达。尽管不同调控机制差别很大，但通常可归为正调控和负调控两种。存在细胞中的阻遏物阻止转导过程是负调控。在这里，阻遏物与DNA分子结合，阻碍RNA聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被解除后，转录才能起动，产生mRNA分子。正调控是经诱导物诱导转录的调控机制。在正调控系统中，诱导物通常与另一蛋白质结合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录。

负调控与正调控并非相互的两种机制。有些系统既是负调控，又是正调控，利用这两种调控方式以适应不同环境。在这种情况下，激活子必须与DNA结合，而阻遏物不与DNA结合，基因才能转录。原核生物中基因表达以负调控为主。真核生物中则主要是正调控机制。

在降解代谢途径中，既有正调控也有负调控。在合成代谢途径中，终产物通常以负调控方式控制自身产物的合成。当缺少产物时，合成速率增加；而当产物存在，合成速率降低。单个蛋白质也可调节自身的转录，这种方式称为自动调控。在负调控中，该蛋白抑制转录。蛋白质的浓度愈多，mRNA转录越少，在正调控中，这种蛋白质促进转录。合成的蛋白质越多，转录效率越高。正调控是在一些弱诱导系统中常见的机制。一种弱信号就可以起始转录。再经过正调控提高转录效率。

转录水平调控：1.操纵子的转录调控；2.分解代谢物阻遏调控；3.细菌的应急反应；4.通过σ因子更换的调控；5.信号转导和二组分调节系统；6.噬菌体溶源化和裂解途径的转录调控。

翻译水平调控：1.翻译起始调控；2.mRNA的稳定性；3.稀有密码子和重叠基因调控；4.反义RNA调控；5.翻译的阻遏调控；6.ppGpp对核糖体蛋白质合成的影响；7.细菌蛋白质的分泌调控。

二、真核生物的基因调控

真核生物基因表达的调控可以发生在DNA水平，转录水平，转录后的修饰，翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但多数基因的表达调控仍发生在转录水平。

（一）DNA的改变：

DNA水平上的基因调控是通过改变基因组中有关基因的数量和结构顺序实现的基因调控，真核生物的有些基因是经过DNA的变化来调控的。DNA变化包括基因的扩增，重排或化学改变。其中有些改变是中逆的。

1、基因剂量与基因扩增：

细胞中有些基因的需要量比另一些大得多。细胞保持这种特定比例的方式之一是基因剂量。

2、DNA重排：

真核生物基因组中的DNA序列可发生重排，这种重排是由特定基因组的遗传信息所决的，重排后的基因序列转录成mRNA,翻译成蛋白质，在真核生物细胞生长发育中起关键作用。因此，尽管基因组中的DNA序列重排并不是一种普遍方式，但它是有些基因调控的重要机制。（1）酵母交配型转换（2）动物抗体基因重排

3、DNA甲基化

甲基化的胞嘧啶在DNA复制中可整合到正常DNA序列。

（二）转录水平的调控

持家基因（house keeping gene）：真核生物基因中编码关键代谢酶或细胞组成成分，这些基因常在所有细胞都处于活跃状态。这种组成型表达的基因称为持家基因。

另一些基因的表达则因细胞或组织不同而异，只在某些特定的发育时期或细胞中才高效