第十三章基因的表达调控

第十三章基因的表达调控基因调控：控制特定基因产物合成机制在生物体内每个细胞都会有同样的遗传密码，但它的表达却是“各取所需”。基因是在特定的细胞和时间表达遗传信息目前一页\总数三十七页\编于十八点第一节原核生物基因的表达调控

一、转录水平的调控二、翻译水平的调控

转录水平翻译水平

DNAmRNA蛋白质目前二页\总数三十七页\编于十八点一、原核生物基因的转录调控可诱导的操纵子：加入对基因表达有调节作用的物质后，开启基因的转录活性。如乳糖操纵子。可阻遏的操纵子：加入对基因表达有调节作用的物质后，关闭基因的转录活性。如色氨酸操纵子。目前三页\总数三十七页\编于十八点（一）大肠杆菌的乳糖操纵子1.乳糖操纵子基本结构lacI代表乳糖操纵子的阻遏蛋白基因；P代表乳糖操纵子的启动子区域；O代表乳糖操纵子的阻遏蛋白结合区域；lacZ代表β-半乳糖苷酶基因；lacY代表半乳糖苷透性酶基因；lacA代表半乳糖苷转乙酰酶基因。

LacILacZLacYLacAP/O目前四页\总数三十七页\编于十八点2.乳糖操纵子的负调控在培养基中没有乳糖的情况下，阻遏蛋白四聚体与结构基因上游的O紧密结合，从而阻止RNA聚合酶的通过，使得与乳糖代谢相关的3个结构基因不能被转录。而当培养基中加入乳糖后，在诱导物的作用下阻遏蛋白的结构发生改变，从而使阻遏蛋白从结合位点O脱离，RNA聚合酶得以在3个结构基因的转录中发挥作用。目前五页\总数三十七页\编于十八点目前六页\总数三十七页\编于十八点3.乳糖操纵子的正调控

当培养基中有足够的葡萄糖时，大肠杆菌细胞中的环腺苷单磷酸（cAMP）的含量很低；

当培养基中缺少葡萄糖时，cAMP的水平迅速上升。

而cAMP可以和一种代谢产物激活蛋白（CAP）结合形成复合体，该复合体与特异位点的结合能帮助RNA聚合酶与启动子结合，从而启动结构基因表达。目前七页\总数三十七页\编于十八点

培养基中既有乳糖又有葡萄糖时,细菌细胞内的葡萄糖浓度升高、cAMP含量下降，不能形成cAMP-CAP复合体，CAP不能结合启动基因P。启动基因P上没有CAP的情况下，RNA聚合酶不能有效地结合到启动区域，因而Z、Y、A三个结构基因不能转录。

培养基中只有乳糖而没有葡萄糖时，细菌细胞内的葡萄糖浓度下降、cAMP含量升高，能形成cAMP-CAP复合体，CAP结合于启动基因P。启动基因P上有CAP的情况下，RNA聚合酶能有效地结合到启动区域，因而Z、Y、A三个结构基因被转录。目前八页\总数三十七页\编于十八点（二）大肠杆菌的色氨酸操纵子结构及机制当细胞中缺少色氨酸时，阻遏蛋白无活性，不能结合到阻遏蛋白结合位点trpO上，从而使RNA聚合酶得以通过，并开始转录。

当细胞中有高浓度的色氨酸时，色氨酸作为辅阻遏物，激活无活性的阻遏蛋白（trpR基因产物），从而结合到阻遏蛋白结合位点trpO上，阻止5个结构基因的转录；编码阻遏蛋白基因目前九页\总数三十七页\编于十八点二、原核生物的翻译调控（一）反义RNA控制翻译（二）翻译的自体调控目前十页\总数三十七页\编于十八点第二节真核生物基因的表达调控一、真核基因组的DNA含量和基因总数都远大于原核生物，而且前者的DNA和蛋白质等物质复合。

二、真核细胞的染色体包在细胞核膜内，转录和翻译分别发生在细胞核和细胞质中，两者之间还存在着相当复杂的RNA加工过程。三、真核生物个体多由不同类型的细胞构成，从受精卵到成体经历了复杂的分化发育过程。目前十一页\总数三十七页\编于十八点一、真核生物的转录调控与原核生物不同的特点：很大程度上通过决定形成mRNA的速度，调控基因表达。和原核生物不同，没有操纵子及其紧密连锁的基因。启动子的识别大多需要多个蛋白质分子。这些蛋白质分子称为转录因子。还没有积累足够的分子水平的实验结果，用于建立真核生物成熟的调控模型。染色质存在状态的变化，DNA的修饰，组蛋白和非组蛋白的存在，激素的诱导，以及某些活性RNA的出现，都能够影响真核生物基因转录的活性。目前十二页\总数三十七页\编于十八点1．异染色质化和染色质活化通过增加染色体某一区域异染色质化的程度而阻碍基因的转录。女性一条X染色体的异染色质化（称为巴氏小体）能使所载基因失活。女性特有的巴氏小体目前十三页\总数三十七页\编于十八点在活化的染色质中，DNA的超螺旋状态有所改变，因而基因能够为RNA聚合酶所转录。例如鸡的网织细胞能够大量合成珠蛋白，从这种细胞分离到(含珠蛋白基因)的染色质DNA，容易遭受DNA酶I的降解(DNA螺旋化程度低)；而在不合成珠蛋白的鸡输卵管细胞(也含珠蛋白基因)的染色质DNA，则不会被DNA酶Ⅰ所降解，其他大多数器官的染色质DNA也不被这种酶所降解。目前十四页\总数三十七页\编于十八点2．DNA的修饰在不转录的DNA中，GC顺序有70%以上是甲基化的；而在转录活性高的DNA中，GC顺序只有20%～30%是甲基化的。目前十五页\总数三十七页\编于十八点DNA甲基化抑制基因转录的机制目前十六页\总数三十七页\编于十八点3．组蛋白质的抑制作用J.Bonner(1964)：从豌豆中提取两组DNA，一组仍然和组蛋白复合，另一组则和组蛋白分离。两组分别加入RNA聚合酶，结果前一组不能合成mRNA，而后一组能够合成mRNA。初步证明组蛋白抑制转录的作用。

又以豌豆的子叶和顶芽为材料，从它们的染色质中除去组蛋白，用余下的纯DNA分别进行蛋白质合成试验。结果两种来源的DNA不仅都合成了球蛋白，而且具有相似的合成量。说明顶芽细胞中的球蛋白基因在自然状态下因为受到组蛋白的抑制而不能转录。目前十七页\总数三十七页\编于十八点4．非组蛋白的诱导作用分离兔骨髓细胞染色质：非组蛋白、组蛋白和DNA；分离兔胸腺细胞染色质：非组蛋白、组蛋白和DNA。将以上两种来源的组蛋白、DNA都混合在一起，然后分为两组：其中一组甲：加进来自骨髓的非组蛋白；另外一组乙：加进来自胸腺的非组蛋白。试验结果表明：甲：合成骨髓细胞的RNA；乙：合成胸腺细胞的RNA。说明：特定组织的非组蛋白能够特异性地诱导本组织的结构基因的转录。目前十八页\总数三十七页\编于十八点目前十九页\总数三十七页\编于十八点5．激素的诱导作用多细胞的高等真核生物的代谢作用较少受到环境的直接影响，它们的基因调控信号往往来自体内的激素。通过蜕皮激素处理幼虫或离体的唾腺细胞，证实了特定激素能够诱导特定基因的转录。

目前二十页\总数三十七页\编于十八点

昆虫的蜕皮激素对发育的作用注射蜕皮激素的试验果蝇唾腺细胞疏松区实图目前二十一页\总数三十七页\编于十八点

6.活性RNA的作用

真核生物细胞中存在一种活性RNA，能够诱导某些基因转录。从16日龄鸡胚的心脏中提取RNA，同取自温育20～22h鸡胚的原结后条(指鸡胚中不含心脏的部分)一起保温，结果诱导出心肌组织。将鸡的原结后条和牛心RNA一起保温，结果也产生了心肌组织。两次试验虽然分别采用不同动物来源的心脏RNA，却都产生了鸡的心肌组织。这就说明了所产生的心肌组织的模板存在于原结后条细胞的DNA之中，而不存在于心脏RNA之中。由心脏提取的RNA在这里起的是活化心肌基因、诱导心肌基因转录的作用。

目前二十二页\总数三十七页\编于十八点1.异染色质化和染色质活化2.DNA的修饰3.组蛋白质的抑制作用4.非组蛋白的诱导作用5.激素的诱导作用6.活性RNA的作用

一、真核生物的转录调控目前二十三页\总数三十七页\编于十八点二、真核生物的翻译调控1.mRNA翻译起始的控制（1）促进mRNA与核糖体结合因子的出现。（2）“蒙面信使理论”：细胞质中有的mRNA被蒙在蛋白质外被中，不能为tRNA所识别，所以暂时不翻译。例如，从海胆卵分离到的含核糖体和mRNA的组分，在离体条件下不能合成蛋白质；如果先用胰蛋白酶加以处理，以便除去它的蛋白质外被，则能够在离体条件下合成蛋白质。目前二十四页\总数三十七页\编于十八点2.翻译效率的控制真核生物mRNA稳定性大、寿命长，比较有可能积累下来等待翻译，从而表现为翻译的高效率。真核生物有些mRNA进入细胞质之后并不立即翻译，而是和一些蛋白质结合成为RNA蛋白质(RNP)颗粒，从而延长它的寿命。例如家蚕的丝芯蛋白基因是单拷贝的，可是一个细胞能够在几天之内合成1010个丝芯蛋白分子，翻译效率如此高是因为它的mRNA分子和蛋白质结合成为RNP颗粒而使寿命延长到若干天。此外，真核生物的某些激素也对mRNA起稳定作用，例如催乳激素能够使酪蛋白的mRNA半衰期延长20倍，从而使mRNA分子的拷贝数在短时间内大幅度增加。目前二十五页\总数三十七页\编于十八点蚕丝及其加工产品目前二十六页\总数三十七页\编于十八点第三节表达调控与发育

一、原核生物的形态发生

1．噬菌体T４自动装配过程的控制

T４的DNA进入大肠杆菌后1～6分钟内：这个DNA分子上的DNA酶基因开始表达，所合成的DNA酶降解寄主的DNA，形成游离核苷酸。与此同时，T４DNA上的DNA聚合酶基因表达，合成DNA聚合酶，以游离核苷酸为原料复制T４的DNA。6～10分钟内：新形成的T４DNA上的外壳蛋白基因表达，产生噬菌体的头部和尾部，并进行自动装配。(见下页图片)然后，新形成的T４DNA上的溶菌酶基因表达，合成溶菌酶，裂解寄主的细胞壁，释放出子代噬菌体。目前二十七页\总数三十七页\编于十八点噬菌体T4的自动装配过程目前二十八页\总数三十七页\编于十八点

2．λ噬菌体发育途径的选择

温和噬菌体λ感染大肠杆菌后存在两种可选择的发育途径：裂解细菌；或者使细菌处于溶源状态。噬菌体对这两种途径的选择，取决于噬菌体两种蛋白质之间的竞争。目前二十九页\总数三十七页\编于十八点

一种是cI蛋白，能阻断噬菌体的DNA酶基因、DNA聚合酶基因等的表达，避免细菌DNA被降解和噬菌体DNA自我复制，从而，产生噬菌体与细菌“和平共处”的结果。另一种是Cro蛋白，能阻抑cI基因的转录，从而促进噬菌体向裂解途径转变。分别编码上述两种蛋白质的cI基因和Cro基因，都属于λ噬菌体的调节基因。

λ噬菌体处于前一种状态时，整合到细菌染色体的过程需要整合酶，它由感染早期表达的整合酶基因编码。转变为后一种状态时，噬菌体DNA需要从细菌染色体上游离出来，恢复环状，这个过程所依赖的是切割酶，它由早期以后表达的切割酶基因编码。目前三十页\总数三十七页\编于十八点

二、真核生物的细胞分化1.玉米胚胎发育遗传控制的研究玉米的胚胎发育，可以人为地分为三个阶段。第一阶段是合子第一次分裂，不对称地形成一个较大的顶端细胞，和一个液泡化的、较小的基细胞，胚和胚柄的差别趋向明显。第二阶段是子叶出现，胚轴、顶端生长点和胚根形成。第三阶段是营养器官健全，茎节、幼叶发生。1991-1993年，Sheridan和Clark从玉米中分离到胚胎发育阻断的51个突变体。经过研究，发现它们的发育阻断分别发生在不同的发育阶段。这样，就获得了有价值的实验材料，可用于研究玉米胚胎发育过程先后受哪些基因的控制，它们分别具有何种DNA序列，在何种条件下转录合成mRNA，进而合成何种蛋白质，这些蛋白质各起何种作用。目前三十一页\总数三十七页\编于十八点

2．花药和花粉发育遗传控制的研究

（1）早在1980-1984年，Kamalay和Goldberg就比较过花和营养器官的mRNA，发现大约有10000种mRNA是花药特异性的，它们的表达在营养器官中检测不到，认为是这些mRNA决定和保持了花药组织的细胞分化状态。但到了1993年，McCormick和Goldberg才发现在花药特异性表达的若干基因，它们所编码的蛋白质，分别有脂转移蛋白、蛋白酶抑制剂和多种酶。（2）1990年，Mascarenhas将花粉形成过程中的基因表达分为早、晚两个时期。早期表达的转录产物在减数分裂后即可检测到，而在成熟花粉中减少或完全消失。晚期表达的转录产物最早发生在小孢子有丝分裂时期，并且随着花粉的成熟而继续积累。因此一般认为，早期表达的基因可能编码细胞骨架蛋白，和参与细胞壁形成、淀粉积累的蛋白质；晚期表达的基因则编码在花粉成熟和萌发时起作用的蛋白质。事实上，近几年来也分离到了属于早期表达的基因，和晚期表达的基因，前者如油菜的I3cDNA克隆，后者如油菜的Bp10基因、烟草的NTP303基因和番茄的LAT51基因等。目前三十二页\总