2014 第十二章 基因表达的调控
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孟德尔：在总结出遗传的两个基本定律后提出了 “遗传因子”。
染色体学说(chromosomal theroy of inheritance) 提出了“遗传因子”定位于特定的染色体上。
约翰生提出了“基因”这个名词。 摩尔根不仅发现了连锁遗传规律而且还肯定了染色
体是基因的载体，创立了基因论。
基因具有染色体的属性，能自我复制，有一 定的稳定性；
基因是一个功能单位，能够控制有机体的某 一或某些性状；
是交换的最小单位，即重组时不能再分割的 单位；
又是一个突变单位。 基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。
顺反子学说：
1. 基本的遗传功能单位是顺反子(cistron)。 2. 基因是复杂的遗传和变异的单位，可以发生 突变和重组。突变子和重组子分别是性状发生 突变和重组的最小单位。
rx
ry
复制和重组
rx
ry
释放噬菌体
rx ry
rຫໍສະໝຸດ Baidu ry
在K12()产生噬 菌斑
— —
—
溶菌液接种在B 株上计算总噬菌 体数
溶菌液接种在 K12()株上计算 野生噬菌体数
重组率=
2 x 【在K12()株上生长的噬菌体数】
在B株上生长的噬菌体数
X 100%
互补测验：测定功能是否互补。 不能发生互补的突变位点位于同一功能单
调节基因的产物对开启一个或多个结构基因（编码酶或结 构蛋白）的表达是必需的。
负调控机制(negative control mechnism)
调节基因的产物对关闭结构基因（编码酶）的表达是必 需的。
诱 导 负调控 系 统
抑 制 系 负调控 统
正调控 正调控
一、大肠杆菌乳糖操纵子：诱导和代谢抑制调控 二、大肠杆菌色氨酸操纵子：抑制和衰减 三、基因表达的翻译调控 四、翻译后调控机制
核基质是一种网络纤维，又称为骨架蛋白，特异性与基 因结合。卵白基因与鸡卵巢的细胞核基质结合；珠蛋白 与红细胞的核基质结合。
基因扩增：特定基因专一性大量增加的现象。
如：两栖动物卵母细胞发育中，核糖体基因数目的 大量增加。
基因重组：DNA分子核苷酸序列的重新排列。 如：免疫球蛋白的多样性。B淋巴细胞中，抗体基 因在DNA水平发生重排，形成编码抗体的完整基因 DNA分子的甲基化 胞嘧啶碱基的一个氢被甲基取代。甲基化可以降低 转录效率。
当环境中存在足够生物所需的某一营养物质时，细胞内合成这一产 物的基因表达将关闭，以这种方式表达的基因成为抑制型，相应过 程成为抑制。当该基因的表达重启时，成为去抑制。
调节基因(regulator gene)
编码调节其他基因表达的蛋白。
正调控机制(positive control mechanism)
1.组成型基因(constitutive gene)
• 在细胞中持续不断表达，如具有“持家”功能的基因（tRNA, rRNA,核 糖体蛋白等）
2.可诱导基因(inducible gene)
• 对环境中某一底物作出响应使基因表达开启的过程称为诱导，以这种方
法调控表达的基因称为可诱导基因。
3. 抑制(repression)与去抑制(derepression)
1. 温度 2. 光 3. 信号分子
Heat-shock response element, HSE
1，5-二磷酸核酮糖羧化酶是地球上最丰富的蛋白质，在绿色植物光合作用中起重 要作用。
信号分子：激素响应基因
植物类固醇激素的信号传导途径
转录控制有关的DNA序列
1. 基本转录因子 真核生物基因启动子转录的精确需要一些辅助蛋白，这些转录因子每个 成员都与启动子的某个序列结合以便使RNA多聚酶能合适地定位在DNA 的模板链。
一、真核生物基因表达的时空调节 二、 真核生物基因表达调控的方式 三、 环境与生物因子诱导的转录活性 四、 真核生物基因转录的分子调控
植物微管蛋白基因的空间表达
微管蛋白是一个多蛋白家族： ，微管蛋白最为常见。 每种微管蛋白多基因编码： 拟南芥中有6个微管蛋白基 因，9个微管蛋白基因，每 个基因都以特定的空间模式 表达。
顺式作用元件
启动子：
转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于基因的上游，近邻转 录起始点。
含有多个顺式调控元件：TATA Box (-30), CAAT box(-70), GC box(-110) 增强子：
在基因中的位置不定，通常位于启动子上游700-1000bp处，离 转录起始点较远，可以提高转录效率，作用没有方向性。
p1, p2：启动子； t,t’:转录终止序列
抑制状态
trp RNA中负责衰减的序列
Lac操纵子负责营养碳源的分解，平时关闭，只有当需 要消耗乳糖时，才通过诱导物使阻遏蛋白失活而开放， 是可诱导的负调控基因；另外还存在CAP的正调控。
Trp操纵子负责Trp的合成，平时开放，调节基因的产物 使其关闭，是可阻遏的负调控；另外还存在翻译与转 录耦联的衰减子调控手段。
(leucine zipper)
(helix-loop-helix)
mRNA的运输 对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。 mRNA翻译的控制 核糖体对通过他们的mRNA有翻译调节作用； mRNA的结构 结构的稳定性；起始密码子的位置和侧翼序列； 选择性翻译
反义RNA
蛋白质的加工
功能：与转录激活子结合，改变染色质的构型；使DNA弯曲形成 环状结构，使增强子与启动子直接接触，以便通用转录因子、 转录激活子、RNA聚合酶形成转录复合体。
反式作用因子 蛋白和DNA相互作用； 蛋白和配基结合； 蛋白之间的相互作用； 蛋白质的修饰
(zinc finger)
(helix-turn-helix)
人类和球蛋白基因的结构与时间专一性表达
两个球蛋白基因簇来自一个祖先球蛋白基因的重复，组成了一个小的基因 家族。 这些基因家族成员因随机突变而彼此趋异，一些基因因移码或突变导致没 有功能，称为假基因(pseudogene), 用表示。
1. 染色质水平 2. DNA水平 3. 转录水平 4. 翻译水平
导致同一转录物合成 不同数量基因产物的 机制：
1. 不同基因mRNA中 ATG起始密码子翻 译起始效率不同。
2. 核糖体在mRNA分 子不同基因编码序 列之间移动的速率 有差别。
3. mRNA分子特定区 域的讲解速率不同。
大肠杆菌核糖体 蛋白S10转录单元 的结构和翻译调 控
反馈抑制 (feedback inhibition) 生物合成路线的终极 产物常常可以抑制该 路线第一个酶的活性， 迅速关闭该产物的合 成。
2. 专一性转录因子（增强子） 诱导基因表达调控中所涉及的蛋白质的调控。 特点： 1）可以相对远距离作用-离调控基因相隔数千碱基对； 2）影响基因表达的能力独立于排列方向-可以正向或反向排列； 3）作用效果与所处位置无关-位于基因上游、下游或内含子中都可对基 因表达产生影响。 4）大多数增强子的功能具有组织专一性。
基因的概念：
在功能上被顺反测验或互补测验所规定，可转 录一条完整的RNA分子，或编码一条多肽链的 一段DNA序列。
根据基因结构和功能： 结构基因：编码RNA或蛋白的一段DNA序列。 调节基因：参与调控其它基因表达的基因。 操纵基因：调节基因产物的靶位点。 重叠基因：同时编码两个或多个多肽链的基因。 割裂基因：含有内含子的基因。 转座子：含特殊结构的DNA序列可以从染色体 一个位置调到另一个位置。 假基因：相似于正常基因的序列但不能转录和翻 译，是无功能的基因。
异染色质化: 哺乳动物细胞中存在的X染色体“剂量补偿”。
组蛋白修饰和非组蛋白的作用
a. 组蛋白可被甲基化、乙酰化和磷酸化。修饰改变了组 蛋白与DNA的结合能力。 b. 非组蛋白具有数量多，细胞和组织特异性等特点。 DNA酶的敏感区域 转录活性基因周围对DNA聚合酶I高敏感的一段DNA区域， 与两种非组蛋白(HMG14和HMG17有关。 核基质蛋白
位内，能互补的突变位点位于不同的功能单 位间，不能分割的基因功能单位称为顺反子。
经测定：噬菌体rII区有两个功能单位，分别成为 顺反子A和B。
简化的基因表达路线
1. 转录
3. RNA稳定性
2. RNA加工
4. 翻译
5. 翻译后
DNA
RNA转录物
mRNA
蛋白质
蛋白质 执行功能
不同的调控机制可分为两个类别: 1. 对环境变化作出迅速反应的基因开启与关闭机制。 2. 称为程序性路线或基因表达级联反应。
1957年法国遗传学家本泽尔设计出顺反测验。 具体内容：
野生型T4噬菌体(r+) 侵染E.coli 形成小的、不规 则的噬菌斑。
T4噬菌体连锁图II区段发生突变侵染E.coli B和 K12()形成大噬菌斑或无噬菌斑。
通过重组实验区分不同的突变位点并测定他们 之间的顺序和距离。
rx
ry
双重感染E.coli B株
果蝇yellow基因及其上游调控序列 7.7kb
组织专一性 增强子
yellow基因负责果蝇身体部位的颜色生成。
第一节 基因的概念与发展 第二节 基因表达调控的基本概念 第三节 原核生物基因表达的调控 第四节 真核生物基因表达的调控
一、经典遗传学的基因概念 二、现代遗传学的基因概念 三、顺反测验及基因的精细结构
达尔文的泛生假说(hypothesis of pangenesis)提 出“泛子”是遗传物质。
操纵子模型是1961年由F. Jacob和J. Monod提出。
操纵子：结构基因和控制基因表达的调控元件形成的 一个共同调节单元。
诱导状态
抑制状态
CAP：catabolite activator protein
Trp 操纵子表达的抑制：调控转录的起始。 Trp 操纵子表达的衰减：调控转录提前终止的频率。
染色体学说(chromosomal theroy of inheritance) 提出了“遗传因子”定位于特定的染色体上。
约翰生提出了“基因”这个名词。 摩尔根不仅发现了连锁遗传规律而且还肯定了染色
体是基因的载体，创立了基因论。
基因具有染色体的属性，能自我复制，有一 定的稳定性；
基因是一个功能单位，能够控制有机体的某 一或某些性状；
是交换的最小单位，即重组时不能再分割的 单位；
又是一个突变单位。 基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。
顺反子学说：
1. 基本的遗传功能单位是顺反子(cistron)。 2. 基因是复杂的遗传和变异的单位，可以发生 突变和重组。突变子和重组子分别是性状发生 突变和重组的最小单位。
rx
ry
复制和重组
rx
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释放噬菌体
rx ry
rຫໍສະໝຸດ Baidu ry
在K12()产生噬 菌斑
— —
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溶菌液接种在B 株上计算总噬菌 体数
溶菌液接种在 K12()株上计算 野生噬菌体数
重组率=
2 x 【在K12()株上生长的噬菌体数】
在B株上生长的噬菌体数
X 100%
互补测验：测定功能是否互补。 不能发生互补的突变位点位于同一功能单
调节基因的产物对开启一个或多个结构基因（编码酶或结 构蛋白）的表达是必需的。
负调控机制(negative control mechnism)
调节基因的产物对关闭结构基因（编码酶）的表达是必 需的。
诱 导 负调控 系 统
抑 制 系 负调控 统
正调控 正调控
一、大肠杆菌乳糖操纵子：诱导和代谢抑制调控 二、大肠杆菌色氨酸操纵子：抑制和衰减 三、基因表达的翻译调控 四、翻译后调控机制
核基质是一种网络纤维，又称为骨架蛋白，特异性与基 因结合。卵白基因与鸡卵巢的细胞核基质结合；珠蛋白 与红细胞的核基质结合。
基因扩增：特定基因专一性大量增加的现象。
如：两栖动物卵母细胞发育中，核糖体基因数目的 大量增加。
基因重组：DNA分子核苷酸序列的重新排列。 如：免疫球蛋白的多样性。B淋巴细胞中，抗体基 因在DNA水平发生重排，形成编码抗体的完整基因 DNA分子的甲基化 胞嘧啶碱基的一个氢被甲基取代。甲基化可以降低 转录效率。
当环境中存在足够生物所需的某一营养物质时，细胞内合成这一产 物的基因表达将关闭，以这种方式表达的基因成为抑制型，相应过 程成为抑制。当该基因的表达重启时，成为去抑制。
调节基因(regulator gene)
编码调节其他基因表达的蛋白。
正调控机制(positive control mechanism)
1.组成型基因(constitutive gene)
• 在细胞中持续不断表达，如具有“持家”功能的基因（tRNA, rRNA,核 糖体蛋白等）
2.可诱导基因(inducible gene)
• 对环境中某一底物作出响应使基因表达开启的过程称为诱导，以这种方
法调控表达的基因称为可诱导基因。
3. 抑制(repression)与去抑制(derepression)
1. 温度 2. 光 3. 信号分子
Heat-shock response element, HSE
1，5-二磷酸核酮糖羧化酶是地球上最丰富的蛋白质，在绿色植物光合作用中起重 要作用。
信号分子：激素响应基因
植物类固醇激素的信号传导途径
转录控制有关的DNA序列
1. 基本转录因子 真核生物基因启动子转录的精确需要一些辅助蛋白，这些转录因子每个 成员都与启动子的某个序列结合以便使RNA多聚酶能合适地定位在DNA 的模板链。
一、真核生物基因表达的时空调节 二、 真核生物基因表达调控的方式 三、 环境与生物因子诱导的转录活性 四、 真核生物基因转录的分子调控
植物微管蛋白基因的空间表达
微管蛋白是一个多蛋白家族： ，微管蛋白最为常见。 每种微管蛋白多基因编码： 拟南芥中有6个微管蛋白基 因，9个微管蛋白基因，每 个基因都以特定的空间模式 表达。
顺式作用元件
启动子：
转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于基因的上游，近邻转 录起始点。
含有多个顺式调控元件：TATA Box (-30), CAAT box(-70), GC box(-110) 增强子：
在基因中的位置不定，通常位于启动子上游700-1000bp处，离 转录起始点较远，可以提高转录效率，作用没有方向性。
p1, p2：启动子； t,t’:转录终止序列
抑制状态
trp RNA中负责衰减的序列
Lac操纵子负责营养碳源的分解，平时关闭，只有当需 要消耗乳糖时，才通过诱导物使阻遏蛋白失活而开放， 是可诱导的负调控基因；另外还存在CAP的正调控。
Trp操纵子负责Trp的合成，平时开放，调节基因的产物 使其关闭，是可阻遏的负调控；另外还存在翻译与转 录耦联的衰减子调控手段。
(leucine zipper)
(helix-loop-helix)
mRNA的运输 对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。 mRNA翻译的控制 核糖体对通过他们的mRNA有翻译调节作用； mRNA的结构 结构的稳定性；起始密码子的位置和侧翼序列； 选择性翻译
反义RNA
蛋白质的加工
功能：与转录激活子结合，改变染色质的构型；使DNA弯曲形成 环状结构，使增强子与启动子直接接触，以便通用转录因子、 转录激活子、RNA聚合酶形成转录复合体。
反式作用因子 蛋白和DNA相互作用； 蛋白和配基结合； 蛋白之间的相互作用； 蛋白质的修饰
(zinc finger)
(helix-turn-helix)
人类和球蛋白基因的结构与时间专一性表达
两个球蛋白基因簇来自一个祖先球蛋白基因的重复，组成了一个小的基因 家族。 这些基因家族成员因随机突变而彼此趋异，一些基因因移码或突变导致没 有功能，称为假基因(pseudogene), 用表示。
1. 染色质水平 2. DNA水平 3. 转录水平 4. 翻译水平
导致同一转录物合成 不同数量基因产物的 机制：
1. 不同基因mRNA中 ATG起始密码子翻 译起始效率不同。
2. 核糖体在mRNA分 子不同基因编码序 列之间移动的速率 有差别。
3. mRNA分子特定区 域的讲解速率不同。
大肠杆菌核糖体 蛋白S10转录单元 的结构和翻译调 控
反馈抑制 (feedback inhibition) 生物合成路线的终极 产物常常可以抑制该 路线第一个酶的活性， 迅速关闭该产物的合 成。
2. 专一性转录因子（增强子） 诱导基因表达调控中所涉及的蛋白质的调控。 特点： 1）可以相对远距离作用-离调控基因相隔数千碱基对； 2）影响基因表达的能力独立于排列方向-可以正向或反向排列； 3）作用效果与所处位置无关-位于基因上游、下游或内含子中都可对基 因表达产生影响。 4）大多数增强子的功能具有组织专一性。
基因的概念：
在功能上被顺反测验或互补测验所规定，可转 录一条完整的RNA分子，或编码一条多肽链的 一段DNA序列。
根据基因结构和功能： 结构基因：编码RNA或蛋白的一段DNA序列。 调节基因：参与调控其它基因表达的基因。 操纵基因：调节基因产物的靶位点。 重叠基因：同时编码两个或多个多肽链的基因。 割裂基因：含有内含子的基因。 转座子：含特殊结构的DNA序列可以从染色体 一个位置调到另一个位置。 假基因：相似于正常基因的序列但不能转录和翻 译，是无功能的基因。
异染色质化: 哺乳动物细胞中存在的X染色体“剂量补偿”。
组蛋白修饰和非组蛋白的作用
a. 组蛋白可被甲基化、乙酰化和磷酸化。修饰改变了组 蛋白与DNA的结合能力。 b. 非组蛋白具有数量多，细胞和组织特异性等特点。 DNA酶的敏感区域 转录活性基因周围对DNA聚合酶I高敏感的一段DNA区域， 与两种非组蛋白(HMG14和HMG17有关。 核基质蛋白
位内，能互补的突变位点位于不同的功能单 位间，不能分割的基因功能单位称为顺反子。
经测定：噬菌体rII区有两个功能单位，分别成为 顺反子A和B。
简化的基因表达路线
1. 转录
3. RNA稳定性
2. RNA加工
4. 翻译
5. 翻译后
DNA
RNA转录物
mRNA
蛋白质
蛋白质 执行功能
不同的调控机制可分为两个类别: 1. 对环境变化作出迅速反应的基因开启与关闭机制。 2. 称为程序性路线或基因表达级联反应。
1957年法国遗传学家本泽尔设计出顺反测验。 具体内容：
野生型T4噬菌体(r+) 侵染E.coli 形成小的、不规 则的噬菌斑。
T4噬菌体连锁图II区段发生突变侵染E.coli B和 K12()形成大噬菌斑或无噬菌斑。
通过重组实验区分不同的突变位点并测定他们 之间的顺序和距离。
rx
ry
双重感染E.coli B株
果蝇yellow基因及其上游调控序列 7.7kb
组织专一性 增强子
yellow基因负责果蝇身体部位的颜色生成。
第一节 基因的概念与发展 第二节 基因表达调控的基本概念 第三节 原核生物基因表达的调控 第四节 真核生物基因表达的调控
一、经典遗传学的基因概念 二、现代遗传学的基因概念 三、顺反测验及基因的精细结构
达尔文的泛生假说(hypothesis of pangenesis)提 出“泛子”是遗传物质。
操纵子模型是1961年由F. Jacob和J. Monod提出。
操纵子：结构基因和控制基因表达的调控元件形成的 一个共同调节单元。
诱导状态
抑制状态
CAP：catabolite activator protein
Trp 操纵子表达的抑制：调控转录的起始。 Trp 操纵子表达的衰减：调控转录提前终止的频率。