遗传学全套课件

遗传学-GeneticsPartII

第11章染色体畸变的遗传分析

要点重复、缺失、倒位、易位的类型及其细胞学和遗传学效应；单倍体、二倍体、多倍体、非整倍体的概念、特点及其在育种上的应用；染色体畸变与人类疾病的关系；染色体变异在进化中的作用。11.1染色体结构变异及其遗传学效应11.1.1果蝇多线染色体的特性多线染色体(Polytenechromosome):存在于双翅目昆虫幼虫消化道细胞的有丝分裂间期核内一种巨大的染色体。11.1.2染色体结构变异引起变异的因素。自然因素：营养、温度、生理等；人工因素：物理因素、化学药剂等的处理。四大类型:缺失、重复、倒位和易位。机制：在染色体水平上是断裂后的异常重连(rejoin)，引发重排。平衡重排：改变染色体上基因顺序（倒位与相互易位）。非平衡重排：改变染色体上基因的剂量（重复与缺失）。11.1.3缺失(deletion,deficiency)1）概念：染色体丢失一段，其上的基因也随之丢失的现象。2）类型：顶端缺失：染色体某臂的外端缺失。中间缺失：染色体某臂的内段缺失。顶端着丝点染色体：染色体整条臂的丢失。3）缺失染色体的联会与鉴定

（1）最初细胞质存在无着丝点的断片；（2）缺失杂合体联会形成环状突起，易与重复混淆，需参照染色体的长度；（3）顶端缺失较长时，可在双线期检查缺失杂合体交叉尚未完全端化的二价体，非姐妹染色单体的未端一长一短。缺失的鉴定续（1）染色体核型/形态分析法——临床最常用，较长片段的异常易于查出，准确。例如：人类5号染色体短臂缺失产生一种异常的综合表型，称为“猫叫综合症”。此外，还有4p-、18q-、22q-（费城染色体Ph）、Xp-或Xq-等。(2)PCR

扩增结合测序分析。适合微小片段的异常分析，要避免假阳性。(3)Southern杂交——结合酶切方法分析核酸片段长度，该方法准确，假阳性低。4)缺失的遗传学效应（1）缺失影响个体生长发育缺失纯合体很难存活；

缺失杂合体的生活力很低；

含缺失染色体的配子一般败育；

缺失染色体主要是通过雌配子传递。患儿的哭声似猫叫。5号染色体短臂缺失（5P-）所致，又称5P-

综合征，发病率约为1/5万，女性多于男性，并有生长和智能发育不全。（2）

缺失导致假显性（pseudodominance）假显性：由于染色体发生缺失（显性等位基因的缺失）导致隐性性状在F1得以表现的现象。缺失染色体主要通过雌配子传递：缺失遗传不平衡含有缺失染色体的缺失配子一般只能通过雌配子传递。黑腹果蝇缺刻翅的遗传分析。缺刻的白眼雌果蝇，其X染色体的一段缺失带来的特殊表型。伴性遗传，缺失使隐性的白眼基因表现为“显性”。假显性与基因突变的区别①

染色体鉴定：基因突变染色体结构不变。

②

可逆与否：突变可以回复。

③杂交试验：基因突变符合孟德尔分离规律

。利用假显性将隐性基因定位到特定的染色体上。若有某物种全套(n个)已知的缺失杂合体，分别用表现型为A(显性)的这n个缺失系作为母本，与表现型为隐性(a)的正常植株杂交。如果某个组合的F1中有a表现型个体，则A-a基因位于该缺失系的缺失染色体的缺失片段上。如果有某个物种分别缺失两条臂的缺失系（端体），那么还可以把A-a定位到特定染色体的某个臂上。11.1.4重复(duplication,repeat)1）概念：染色体上多了某一相同区段的染色体结构变异。2）类型串联重复：重复区段的方向与正常染色体相同。反向串联重复：重复区段的方向与正常染色体相反。3）重复染色体的联会和鉴定

(1)重复区段很短时一般无环出现。

(2)重复区段较长时

杂合体中二价体在重复区段突出形成环；与缺失杂合体的环易混淆（染色体长度不同，需要鉴定突出部分）。扰乱生物体内基因固有的位置和剂量的平衡体系，影响比缺失为轻

。(1)剂量效应：细胞内某基因出现次数越多，表现型效应越显著。V+：果蝇眼色遗传红色(显性)。V：果蝇眼色遗传为朱红色。V+V：红色。但V+VV：朱红色。

说明:2个隐性基因的作用大于1个显性等位基因，改变了原来一个显性基因与一个隐性基因的关系。4）重复的遗传学效应果蝇X染色体16A区段重复(棒眼)(2)基因的位置效应：位置效应：因基因所在染色体位置改变而引起表型变化的遗传效应化。在果蝇胚胎发育中，当白眼基因被整合到异染色质附近时，果蝇眼色的位置效应会有所变化：白眼基因失活的细胞产生的是白眼个体，含有活跃白眼基因的细胞却发育为红眼个体。果蝇16A重复引起的棒眼突变11.1.5倒位(inversion)1)概念：染色体发生两次断裂，片段旋转180°之后重接。使得染色体某一区段顺序发生了颠倒。臂间倒位，臂比往往改变；臂内倒位，臂比不变(右)。倒位纯合体：含有完全相同的一对倒位染色体的个体。倒位杂合体：某对同源染色体中，一条是正常染色体，另一条则是倒位染色体的个体。

3）倒位的细胞学鉴定

倒位区段很短或倒位区段很长的情况：倒位区段很短倒位区段很长倒位区段中等:

倒位圈(inversionloop)

由一对染色体形成（而缺失或重复杂合体的环由单个染色体形成）。

倒位圈臂内到位杂合体产生双着丝粒染色单体，随后出现后I期桥。臂间到位杂合体产生大量缺失和重复染色单体。4）倒位的遗传效应

交换抑制(crossoverrepressor)：臂内或臂间倒位杂合体，倒位环内染色单体间发生单交换，交换的产物带有缺失或重复，不能形成有功能的配子，无重组类型。(1)改变重组率改变了倒位区段内外基因的距离（纯合体）：远近。降低了倒位杂合体的重组率。双线单交换：重组型配子不育，测交世代中重组型个体数减少，交换值下降。抑制圈内外基因间的交换。(2)倒位杂合体部分不育：若倒位圈内发生单交换：50%不育、50%可育。若倒位圈内不发生交换：100%可育。若倒位圈内发生其它类型交换：100%不育、50%不育、100%可育。(4)生物进化的因素倒位染色体相邻关系改变功能、表型变化新的物种。(3)位置效应基因在染色体上的位置变异，造成在表型上产生变异。例：百合（n=12）：两个种（头巾百合、竹叶百合）间的分化是由M1、M2、S1、S2、S3、S4等6个相同染色体发生臂内倒位形成的（两个种其它染色体仍相同）。(5)交换抑制效应的应用隐性基因以纯合状态保存，但隐性致死基因不能以纯合体保存。解决办法：利用另一个致死基因（两基因距离很近，或染色体的倒位）在杂合状态下保存。例1.果蝇第3染色体分别具有两个致死基因:有展翅基因D，纯合致死。有粘胶眼基因Gl，纯合致死

。平衡致死品系(balancedlethalsystem):永远以杂合状态保存不发生分离的品系。必须满足的条件：一对同源染色体的两个成员各带有一个座位不同的隐性致死基因。例2

果蝇第２染色体分别具有两个致死基因:一个是显性翘翅基因Cy，纯合致死，左右臂ⅡL、ⅡR上都有两个大的倒位。另一个是星状眼基因S(star)，纯合致死。后代一定是翘翅星眼到位杂合体11.1.6易位(translocation)1）概念：染色体的一个区段断裂之后，重接时错接到非同源的另一条染色体上。2）类型

①

简单易位；

②相互易位；

③

整臂易位；

④Robertson式易位。

①简单易位：一种单向的染色体片段转移易位(shift)，比较罕见，但是在物种进化过程中有历史意义。

②相互易位：两条非同源染色体都发生断裂，断片重接时，接到了非同源染色体上。③整臂易位：非同源染色体之间整个臂的转移或交换。④Robertson式易位

也称着丝粒融合，近端部着丝点染色体在着丝粒处断裂的整臂易位。易位纯合体//易位杂合体易位纯合体：12122121：即某个体中含有两对相互易位的染色体，每对易位染色体完全相同。易位杂合体:112221，即某个体中某两对同源染色体，一条是正常的染色体，另一条是易位染色体。3）易位的细胞学鉴定

①易位纯合体没有什么特殊表现。正常联会表现正常。终变期联会因交叉端化而变为由4个染色体构成的

“四体链”或“四体环”。②相互易位杂合体：偶线期、粗线期两对非同源染色体同源区段联会成“+”字形，后期分离。粗线期交换的多少、紧密程度决定终变期或者中期四价体的构型4）易位的遗传学效应①四价体后期I着丝粒定向与易位杂合体的半不育

二价体：后期I一般只能1：1分离

四价体：因为有四个着丝粒，着丝粒的定向

a均等分离：2：2——互定向。b不均等分离：例如1：3——非互定向我们讨论互定向：#交替式：易位染色体//非易位染色体#相邻式：一条易位染色体+一条正常染色体//一条易位染色体+一条正常染色体。中期Ⅰ终变期的环可能变为环形或“8”字形。后期Ⅰ染色体表现出不同的分离方式：相邻式相间式相邻分离：“0”型结构，配子全部致死；相间分离：“8”型结构，配子全部可育。半不孕性相邻式、相间式各占50%，因此易位杂合体配子半不育。图示法T：表示易位点，可以看作一个控制半不育性状的遗传单位(基因座)，可以用二点测验或者三点测验对其进行定位。符号法②假连锁(pseudolinkage)：易位使非同源染色体上的基因间在形成配子时不能自由组合，表现出类似连锁的表型效应。实质是易位后形成的不平衡配子致死造成的。果蝇假连锁现象。Bw褐眼基因，e黑檀体基因。相间分离产生的配子有1/2含有两条易位染色体，它们同处一体成活，分离则至死，只有两种表型。基因：连锁遗传→独立遗传（新物种的形成）。

植物在进化过程中不断发生易位可以形成许多变种。

例如：直果曼陀罗（n=12）。许多变系就是不同染色体的易位纯合体。

③降低了易位结合点附近一些基因的重组值

易位导致联会松弛交换。

如玉米：T5-9a是第5染色体长臂的外侧一小段染色体和第9染色体短臂包括Wx在内的一大段染色体的易位。在第9染色体中：④易位造成染色体融合而改变染色体数目两条近端着丝粒染色体发生相互易位时，易位点位于着丝粒上或者附近(主要由异染色质组成)，易位以后形成的大染色体聚集了大多数基因和功能，而小染色体则基本上只有着丝粒及其附近的异染色质(无功能)，形成配子时未被包在配子核内而丢失,后代中可能出现缺少一对染色体的易位纯合体。例如，植物还阳参属：出现n=3、4、5、6、7、8等染色体数目不同的种。易位融合造成染色体数目减少。

箭头指9号染色体着丝点附着于第11号染色体上。花斑位置效应果蝇的花斑位置效应。(a)位置效应，(b)w+易位到4号染色体异染色质区而失活，使果蝇的红眼复眼变为花斑表型。引发癌基因的表达原癌基因不表达，易位到启动子附件表达或形成融合基因过表达。易位将c-myc基因置于B细胞IgH活性区，引起异常高表达，引发癌变。11.1.7染色体结构变异的应用1）基因定位（1）缺失：能够把隐性基因定位到某条染色体的某一臂上。F1载有显性基因的染色体缺失

假显性表现。F1隐性个体进行细胞学鉴定或者组型分析，有无缺失环等，找出缺失区段----基因所在的区段。（2）易位：

把基因定位到特定染色体上。

例如发现C(红花)---c(白花)与染色体3和4的易位点连锁（即与半不育连锁），又与4和5的易位点连锁。由此，可以推测该基因位于染色体4上。3）果蝇的ClB测定法（1）ClB染色体(Crossoversuppress－lethal－Barchromosome

)。果蝇的X染色体：16区A段重复一次：B----棒眼16区A段附近有一个倒位：抑制交换的发生。

倒位圈内有一个隐性致死基因(l):纯和致死。一些特点：(1)

没有ClB的纯合体存在(ll致死)。(2)

没有ClB雄果蝇存在(l致死)。(3)ClB只能存在于X//ClB杂合体中，

而且B与l之间不发生交换。（2）应用：检测果蝇X染色体上的隐性(致死)突变及其频率F1每只棒眼雌果蝇都与F1的雄果蝇杂交观察F2有无雌果蝇，若无，则F1的对应雌果蝇有隐性致死突变，而且可以计算隐性致死突变频率4）玉米双杂合保持系雄性不育：雌蕊发育正常，雄蕊不能产生正常可育花粉的现象，只能作母本。例如：核内、隐性不育基因(msms)msms×MsMs

Msms(F1杂合，可育，有杂种优势，可结子）msms:不育系MsMs:恢复系，与不育系杂交后F1育性恢复。保持系：与不育系杂交之后仍然保持不育。由于不育系不能自交保留种子，必需有保持系来不断生产不育系种子，才能保证杂交种子的持续生产。对于这种核不育，一般只能使用半保持系Msms与msms杂交。msms×Msms

50%msms+50%Msms缺点：一半的种子是可育的，需要在开花期鉴定拔出。双杂合保持系：玉米除了2、4两条染色体以外的所有染色体都有不育基因,位于6th染色体上的ms1,与9th染色体发生易位。6699×69699696

669996×6699

66999（由少数无效配子699受精）11.2染色体数目变异染色体组：物种一个正常配子中所包含的染色体数。

染色体基数（X）：在某些生物（如植物），存在着包含若干祖先种的染色体组，以X表示。其中所含的染色体数称为基数，例小麦的X=7，二粒小麦2n=4x=28,普通小麦2n=6x=42。染色体倍性（Ploidy）:

细胞中染色体组的数目。

配子中的染色体数目用n表示，体细胞中染色体数目用2n表示。染色体数目变异的分类

（1）整倍性变异：染色体数目的增减以染色体组(x)为单位进行的数目变异，整倍性变异产生整倍体。

（2）非整倍性变异：染色体数目的增减不是以染色体组(x)为单位进行的数目变异，非整倍性变异产生非整倍体。11.2.1染色体组及其数目变异分类（1）整倍体单倍体：只有正常二倍体配子数目的染色体的个体，无融合生殖获得。

单元单倍体（一倍体）：n=1x=A(雄蜂，雄蚁）多元单倍体：n=2x;3x;4x;……二倍体狭义：2n=2x=AA一个染色体组，两套。广义：2n=4x=TTSS,多个染色体组，两套，无重

复。又叫功能性二倍体。多倍体：2n=3x；4x；5x；……同源多倍体：一个染色体组，≥3套。2n=AAA同源三倍体。2n=AAAA同源四倍体。

异源多倍体：含有≥2种以上的染色体组的多倍体2n=AABB2n=AABBDD(功能性二倍体）。同源异源多倍体：既是同源多倍体又是异源多倍体

2n=AAABB(A的同源多倍体，AB异源多倍体)。非整倍体缺体：正常双体缺少了一对或多对同源染色体的非整倍体。

单缺体：2n-2=(n-1)II

多缺体：2n-4=(n-2)II（双缺体）单体：正常双体少了一条或多条非同源染色体的非整倍体。

单单体：2n-1=(n-1)II+I

多单体：2n-3=(n-3)II+I+I+I（三单体）。双体：正常二倍体相对于非整倍体时称为双体2n。三体：比正常双体多出一条或多条非同源染色体的非整倍体

单三体：2n+1=(n-1)II+III

多三体：2n+2=(n-2)II+III+III（双三体）。四体：比正常双体多出一对或多对同源染色体的非整倍体。

单四体：2n+2=(n-1)II+IV

多四体：2n+4=(n-2)II+IV+IV(双四体)。超倍体：染色体数目>2n的非整倍体----三体、四体。亚倍体：染色体数目<2n的非整倍体----缺体、单体。1）单倍体遗传表现：体型小、生活力弱；高度不足:(1/2)n。用途：单倍体育种：染色体加倍后即纯和，缩短育种年限。研究基因的性质、功能和基因突变：没有等位基因。获得亚倍体的最佳材料异源联会：追溯同源转换关系。2）多倍体体细胞有丝分裂:染色体复制而细胞不分裂。异常减数分裂：2n+2n→4n,2n+n→3n等。机械损伤：如摘心、反复断顶等。人工诱导：秋水仙素处理种子或幼苗等。11.2.2整倍体的遗传特征（1）表型特征巨大性(细胞核、茎、叶、花、种子等)。代谢活性增强(大麦蛋白质10～12%，玉米的类胡萝卜素40%，番茄Vc１倍)—剂量效应。

三倍体植物具有很强的生活力，但发育延迟，结实率低，如香蕉、无籽西瓜等。遗传表现:同源三倍体同源三倍体的联会与分离（1）三价体Ⅲ;（2）二价加一。同源三倍体高度不育的原因：三价体和单价体的频率较高，产生n，2n配子的机会很小（1/2)n，交配更难。例：无籽西瓜（X=11）

二倍体（2n=2X=22=11Ⅱ）

↓加倍

同源四倍体×二倍体

（2n=4X=44=11Ⅳ）↓同源三倍体西瓜

（无籽）

2n=3X=33=11Ⅲ

同源四倍体联会和分离：

联会：Ⅳ、Ⅲ+Ⅰ、Ⅱ+Ⅱ和Ⅱ+Ⅰ+Ⅰ。分离：2/2或3/1；

2/2或3/1或2/1；2/2；

2/2或3/1或2/1或1/1。（2）异源多倍体(allopolyploid)普通小麦2n=6X=42。AABBDD。概念：加倍的染色体来源于不同的物种。由先杂交再加倍产生。萝卜甘蓝（Raphanobrassica）：其中萝卜和甘蓝的染色体各有两套，2n=36，染色体能正常配对，可育。

（3）奇数倍的异源多倍体(allopolyploid)奇数倍的异源多倍体是偶数倍多倍体杂交产生。又叫倍半二倍体，在育种工作中，可以作为进行染色体替换的手段，通过单体替换产生新的单体。自然界的物种难以以奇数倍数的异源多倍体存在，只能依靠无性繁殖的方法加以保存。单价体多---分离紊乱---配子染色体不平衡----不育或部分不育。多倍体形成途径及应用：1）形成途径：未减数配子的形成和体细胞染色体加倍。体细胞染色体加倍孢母细胞染色体加倍配子染色体加倍。人工诱导体细胞染色体加倍：秋水仙碱处理。2）应用

（1）克服远缘杂交的不孕性，远缘杂交时花粉往往不萌发，或者萌发而不受精。将某个亲本的染色体加倍可以部分结子。

（2）克服远缘杂种（F1）不实性F1体细胞染色体加倍种子。

（3）创造远缘杂交育种的中间亲本。是普通小麦(Triticum，2n=6x=42)和黑麦(Secale，2n=6x=14)间的双二倍体普通小麦作母本，雌配子中有3个染色体组(ABD)，共21条染色体，用黑麦作父本，雄配子中有1个染色体组(R)，7条染色体，杂交后的子一代包括4个染色体组(ABDR)4个染色体组来自不同属的种，因此，子一代不能进行正常的减数分裂，需要用人工的方法将子一代的染色体加倍，形成正常的雌、雄配子，才能受精、结实，繁殖后代由普通小麦和黑麦杂交，杂种子一代染色体加倍产生的小黑麦具有56(42+14)条染色体，是7的八倍，这些染色体组又来自不同属的物种，因此，把这种小黑麦称为异源八倍体小黑麦小黑麦结合了小麦的高产和黑麦的顽强生命力：穗大、粒重、抗病性强、耐瘠性强、抗逆性强和营养品质好等优点，已经在我国西北、西南高寒地区试种成功，并且正在进一步推广。（4）培育作物新类型：成功合成的异源多倍体是小黑麦(Triticale)11.2.3非整倍体产生：减数分裂时某一对同源染色体不分离或提前分离形成n-1或n+1的配子。双体(disomy)：正常的2n个体单体(monosomy)：2n-1缺体(nullisomy)：2n-2双单体(dimonosomy)：2n-1-1三体(trisomy)：2n+1双三体(ditrisomy)：(2n+1+1)四体(tetrasomy)：2n+2。单体在二倍体中，某一对染色体的一条丢失，2n–1。不同染色体对的2条丢失，2n–1–1，称双单体(doublemonosomic)单体是有害的。因为：①单体打乱了染色体的平衡，②单个染色体上的有害隐性基因得到表达单体、三体和四体全都可能是在有丝分裂或减数分裂期间不分离造成的。如果不分离发生在第二次减数分裂期间，那么最终产物是怎样组成的？请同学们自己分析！配子结合后，会得到如下结果：

n+(n-1)单体

n+(n+1)三体 (n+1)+(n+1)四体或双三体 (n-1)+(n-1)缺体或双单体单体的存在是动物的种性，特别常见。在昆虫（蟋蟀、蝗虫等）中：雌性为XX(即2n)，雄性为X(即2n-1)。在鸟类和鳞翅目昆虫中：雄性为XX(即2n)，雌性为X(即2n-1)人类中最常见的单体是X染色体单体，即45，XO。称为Turner氏综合征。三体在二倍体中，多余出某一对染色体的一条，2n+1在二倍体中，多余出某二对异源染色体的二条，2n+1+1，叫双三体(doubletrisomic)异源多倍体生物中，常见，在玉米、大麦等植物中都曾分离到全套的三体人类中常见的三体：47,XXX47,XXY47,XYY47,XX或XY,+2147,XX或XY,+18（Edward´ssyndrome）47,XX或XY,+13（Patau‘ssyndrome）。11.3染色体畸变与人类疾病染色体结构改变与人类疾病例:5p-造成猫叫综合症;t(9,22)(q34;q11)，导致9q34上的基因BCR与22q11上的基因ABL融合，形成BCR-ABL融合基因，造成慢性骨髓性白血病(CML)；t(8;14)(q24;q32),导致8q24上的癌基因c-myc转移到14q32IgH的增强子邻近部位,增强了c-myc,使之大量表达造成Burkitt淋巴溜。Down’sSyndrome:先天愚型，21三体综合症。Pautau’Syndrome:13三体综合症。Edwards’Syndrome:18三体综合症。Turner’sSyndrome::45,X。Trisomysyndrome:47,XXX。超Y综合症:47,XYY。(Klinefelter’Syndrome):47,XXY。

染色体数目改变与人类疾病77%的21三体综合症是母系起源的，而且母亲的生育年龄与发病率有很重要的关系。原因：主要是随着年纪增大，染色体不分离的概率增加。由于女性在出生时所有卵细胞都经过第一次减数分裂而处于休止状态，直到排卵。因此卵母细胞在高龄孕妇体内长期接受着内外环境因素的影响，而且自身不断衰老，因而导致染色体不分离现象的发生，这便是高龄母亲易生先天愚型患儿的原因。

脆性X染色体综合症在人类中研究的最为详尽的是脆性X综合症，为X连锁遗传，在男性中约为1/2500，目前发现与智障有关。主要成因是CGG核苷片段重复数目的变化。第12章基因突变与DNA损伤修复要点：

1）基因突变的相关概念、类型；

2）基因突变的机制；

3）基因突变的修复机制；

4）基因突变的检测。12.1基因突变的概念、类别及性质基因突变（genemutation）:基因的核苷酸顺序或数目发生改变。仅涉及DNA分子中单个碱基的改变称点突变（pointmutation）。涉及多个碱基的还有缺失、重复和插入。突变体(mutant)：具有突变表型的细胞或个体。诱因：自发突变/诱发突变。基因突变率自发突变率：高等动植物：10-5～10-8

低等生物

：10-4～10-10发生的时期：任何时期都可以发生。但是：性细胞>体细胞：减数分裂末期特别敏感

。1）性细胞发生突变可以直接传递给后代。2）体细胞发生突变形成嵌合体。按其发生的原因:

1)自发突变（spontaneousmutation）：在自然情况下发生的突变。2)诱发突变（inducedmutation）：人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变。基因突变的特征随机性：发生的时间、个体、基因不可知。稀有性：突变率<10-4重演性：同一突变在同一物种能够以相同的频率再次发生可逆性：正突变---------回复突变多方向性和复等位基因：A(a1,a2,a3,…….an)等位、表型各异。有害性和有利性：有害突变：----隐性致死：纯和致死；----显性致死：杂合即可致死；----伴性致死：致死基因位于性染色体上。基因突变的表现显性突变和隐性突变

大突变和微突变大突变：变异明显、易识别、往往有害、常属于质量性状

基因的突变微突变：变异微小、不易识别、往往有利、常属于数量性

状基因的突变12.2基因突变的分子基础一、自发突变(spontanueousmutation)

包括DNA复制的错误和自发损伤。1）DNA复制错误(1)转换：一个嘌呤被另一个嘌呤取代，

或一个嘧啶被另一个嘧啶取代。颠换:

一个嘧啶被一个嘌呤取代，

或一个嘌呤被一个嘧啶取代。

ATG

CDNA的四种碱基的互变异构体。嘧啶上3位和4位之间的H以及嘌呤上的1位和6位之间的H的移位会改变碱基配对的能力。(烯醇式)(亚胺式)(酮式)（氨基式）（氨基式）(亚胺式)(酮式)(烯醇式)DNA中的碱基互变异构作用会引起碱基错配。T烯醇式----GT-----G烯醇式

C亚胺式----AC-----A亚胺式(3)移码突变：增加或减少一个或几个碱基对的突变，引起密码编组的移动。

eg：HbWayne是138位UCC失去一个C，使α链的合成不在原来应该终止的地方停止，一直到146位合成精氨酸后才终止，从而使α链延长。

(4)缺失和重复突变(5)插入突变

（转座子）2）自发损伤脱嘌呤作用(depurination)：细胞中经常发生使脱氧核糖和碱基G或A连接的糖苷键被打断，从而失去G或A，复制时在脱嘌呤位点对面插入碱基造成突变。损伤的结果造成转换和颠换(transversion，一个嘧啶被一个嘌呤取代，或一个嘌呤被一个嘧啶取代)。脱氨基作用(deamination)：如胞嘧啶C脱氨基后形成尿嘧啶U，在复制过程中将与A配对，从而引起GC→AT转换突变。

3）氧化损伤：O2-，OH-，H2O2可对DNA造成损伤。如：8-oxodG与A配对，导致G.C→dG.A→T.A在基因的编码区、3

或5

-UTR、启动子区、内含子区出现的三核苷酸重复，及其他长短不等的小卫星、微卫星序列的重复拷贝数，在减数分裂或体细胞有丝分裂过程中发生扩增而造成遗传物质的不稳定。亦称为基因组的不稳定性，可造成基因功能丧失或获得异常改变的产物。

动态突变点突变的诱变机制碱基类似物:5溴尿嘧啶（5-BU，胸腺嘧啶类似物）由于胸腺嘧啶中5位CH3被Br取代会导致5-BU变换异构体，使其碱基的配对能力发生变化，出现A—5-BU（酮式）G—5-BU（烯醇式）。天然碱基类似物（5-溴尿嘧啶）的掺入诱变烷化剂的诱变如MS（甲基磺酸乙酯E/乙基甲磺酸），能在DNA上的四个碱基发生作用，使其增加烷基侧链，其最大的特异性是在鸟嘌呤的6位氧上增加一个烷基侧链导致与T错配，从而在下个复制周期中产生GC→AT转换。16羟胺HA（NH2OH）也是特定诱发GC→AT转换的诱变剂。能在胞嘧啶4位上的氨基氮上发生羟基化作用产生N4羟基胞嘧啶，它能象T那样与A配对，产生GC→AT转换。N4羟基胞嘧啶腺嘌呤ANH2OH胞嘧啶C43亚硝酸能诱发胞嘧啶脱氨基成为尿嘧啶U，尿嘧啶会与A配对，诱发GC→AT转换突变；亚硝酸还能诱发腺嘌呤脱氨基形成次黄嘌呤H，H能和C配对，诱发AT→GC转换突变。

||亚硝酸

||复制

||

(1)

GCAUAT||C脱氨基

||||

||亚硝酸

||复制

||

(2)

ATHCGC||A脱氨基

||||

亚硝酸可诱发两个方向上的转换。嵌入剂如吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物，易造成移码突变。黄曲霉毒素B1的诱变作用（AFB1）强烈的致癌物，它能在鸟嘌呤G上接上一个黄曲霉毒素分子，从而使其脱去嘌呤，在复制过程中会在脱嘌呤位置的对面优先插入一个腺嘌呤A，从而诱发GC→TA的颠换。紫外线UV的诱变作用

能使DNA上同一链中相邻的TT变为二聚体TT，干扰正常碱基配对能力，在DNA复制过程中将发生错误导致突变。生物为了生存和繁衍后代，DNA必须精确的复制。但在DNA复制的忠实性上存在许多潜在危险。有机体是怎样使DNA复制保持高度的稳定性使变异减少到最低限度的呢？——细胞具有以各种方式修复DNA损伤的酶系统。12.3DNA损伤修复机制光复活修复UV引起的光损伤TT二聚体能被光复活酶修复，该酶能在暗处和TT二聚体结合，形成酶和DNA复合体，在光照条件下，复合体分解，使TT二聚体分解为原先正常的碱基。光复活酶不能在暗处起修复作用，故也称光修复作用。如何提高UV诱发突变的频率？切除修复途径此作用不需要光照，而是经修复酶将损伤切除修补的过程，亦称暗修复。

一般切除修复：切补核酸酶（UVRA，B，C基因编码）能识别一些大的损伤，将受损碱基及两旁的碱基切除。造成的缺口由DNApolI合成填补，并由连接酶封口。切除修复的uvr系统包括3个基因，uvrA，B，C，编码一种修复核酸内切酶的成分(图14.28)。首先，UvrAB组分识别嘧啶二聚体和其它较大的损伤。然后UvrA解离(需要ATP)，UvrC与UvrB结合。UvrBC重组使损伤两边都产生一个切口，切口位置是在损伤5

端的7个核苷酸处，3

端的3-4个核苷酸处。也需要ATP。UvrD是一个解旋酶，能使DNA解旋以释放两个切口之间的单链。切除涉及到的酶可能是DNA聚合酶I。在人类中也是一种重要的修复途径。着色性干皮症(XP)是由于缺乏切补修复酶造成的遗传性缺陷，正常人的皮肤细胞和该缺陷者的皮肤细胞在培养时对UV的敏感性有很大差异，具有该缺陷的人在30岁之前就易死于皮肤癌。图14.37在人的XP修复系统中，解旋酶在受损伤部位将DNA解开，内切酶在损伤部位两端做两个切口，然后用新合成的DNA置换被切除的部分。AP核酸内切酶修复途径单个嘌呤或嘧啶脱去后的位点称AP位点，细胞中自发产生的AP位点的频率很高。由一种专门在AP位点上切割的酶——切断DNA上的磷酸二酯键。然后再起动由DNA外切酶、DNA聚合酶I和连接酶参与的切除修复过程。

DNA聚合酶I合成新链AP位点AP核酸酶打开一切口

外切酶切除部分单链

连接酶封口

95异常碱基U形成AP位点经AP核酸内切酶途径修复DNA糖基酶修复途径该酶切断N-糖苷链(碱基与糖的连接)，能将DNA中的异常碱基切除，切除后在DNA上形成AP位点，再经AP核酸内切酶途径修复。保证DNA中的正常碱基不是尿嘧啶U而是胞嘧啶和胸腺嘧啶的机制。重组修复作用挽救(retrieval)修复，又因为其修复过程与遗传重组过程相似，因此也称为“重组修复”。挽救修复机制。此系统在处理含有复制损伤碱基模板产生的子代双链中的缺陷起作用。修复模型见图14.35。假如在双螺旋链上有嘧啶二聚体，引起DNA双螺旋结构扭曲，当DNA复制时，嘧啶二聚体阻止损伤位点成为模板，复制只能被迫放弃该位点。图14.35

在重组修复中，受损伤的序列被除去，在未损伤链对面代之以完好的DNA链。12.4基因突变的检测

利用寄主范围、生长速度、噬菌斑大小、形态等性状可检测病毒突变。通过在培养基中添加抗生素或噬菌体即可筛选细菌抗性突变体。细菌营养缺陷型的检测：利用在完全培养基上能正常生长，在基本培养基上不能生长的影印培养实验。首先采用青霉素富集法浓缩大量突变体，再进行负选择。病毒和细菌基因突变的检测真菌营养缺陷型的检出------菌丝过滤法分生孢子→诱变处理→基本培养基

↙

↘

未萌发孢子萌发菌丝培养去除(过滤)

↙

↓

↘少数

死亡营养野生型

孢子缺陷型

(去除)

↘

↙

营养培养基果蝇突变体的检测果蝇X连锁隐性突变的检出①ClB法

ClB品系：l—隐性致死基因；B—棒眼C—交换抑制因子(B－l倒位）。②Muller-5法

Muller-5品系:B(棒眼)-Wa(杏眼)-sc(小盾片少刚毛)——并具重复倒位。③“并连X染色体”法常染色体突变—平衡致死系(Cy和S)

需依靠家系、出生调查，运用电泳技术、DNA标记技术，筛选各种蛋白质、酶或DNA分子的微小差异，这些微小差异是可遗传的。人类显性突变的检测植物及其他动物突变体的检测

利用分离定律

转座子插入突变的检测、T-DNA插入突变的检测、RNAi技术等。

第13章原核生物基因表达调控要点：原核基因表达调控的特点；操纵子、衰减子、多基因座阻遏的机制；RNA调控及翻译水平调控。基因表达调控可分为转录水平调控和翻译水平调控。转录调控主要发生在起始时期，而不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进入下一个基因的转录。1961年Jacob和Monod提出基因表达调控经典模式。将DNA序列分成两种类型：编码反式作用因子(trans-acting

factor)编码序列和顺式作用元件(cis-actingelement)。基因的活性调控主要通过反式作用因子和顺式作用元件的特异性相互作用而实现。基因是编码可扩散产物的DNA序列，其产物可以是蛋白质或RNA(tRNA和rRNA)。基因产物要从合成的场所扩散到其发挥作用的场所。游离的基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用(trans-acting)。顺式作用(cis-acting)指不转变为任何其它形式的DNA序列，只在原位发挥DNA的作用，仅影响与其在物理上相连的DNA。可分为结构基因(structuralgene)和调控基因(regulatorgene)的概念。概述图10.1调节基因编码的蛋白与DNA特定的靶位点作用。调控的关键是调控基因编码的蛋白质通过与DNA上的特异位点结合来调控转录。位于转录单位开始和结束位置上的序列为启动子(promoter)和终止子(terminator)，二者都是典型的顺式作用位点。细菌的传统控制机制是负调控，即阻遏蛋白阻止基因表达。在通常状态下，RNA聚合酶能识别其启动子使基因得到表达(图10.1)。与启动子相邻的另一个顺式作用位点称为操纵基因(operator)，它是阻遏蛋白的靶位点。当阻遏蛋白和操纵基因结合时，基因的表达因而被关闭。正调控和负调控的共同点是调控蛋白(regulatoryprotein)都是反式作用因子，它们通常识别位于基因上游的顺式作用元件。尽管调控蛋白结合DNA的实际长度较长，但仅识别DNA上很短的序列，一般小于10bp。在细菌中，正调控和负调控使用的频率可能大致相等，但在真核生物中，最常见的调控方式是正调控。在典型的默认(default)状态下，真核基因不具活性，RNA聚合酶不能在启动子处单独开始转录。反式作用因子在启动子附近有作用位点，其中一些或所有因子的结合使RNA聚合酶能起始转录(图10.2)。正调控：能激活基因转录的调控。受正调控机制调控的基因，仅当活性调控蛋白存在，并与顺式元件结合或与RNA聚合酶相互作用，转录才被激活(图10.3)。正调控蛋白应答的小分子物质称为激活物(activator)。根据应答小分子的性质，操纵子可分为诱导型(inducible)和阻遏型(repressible)两种。原核生物和真核生物的基因的组织形式差异很大，细菌的结构基因一般成簇(cluster)排列，而真核生物的基因则是独立存在。成簇排列的结构基因能受单一启动子共同控制：结果使整套基因或者表达或者都不表达。

1961年法国科学家Jacob和Monod发现大肠杆菌在含有乳糖的培养基中会诱导合成大量的β-半乳糖苷酶，而在没有乳糖的环境中却不产生，从而提出了乳糖操纵子。图10.4

乳糖操纵子长度约为6000bp。左端的LacI基因有自己的启动子和终止子，LacI基因的末端紧接启动子P。操作基因O占据LacZ基因的前26bp，LacZ基因之后是LacY基因和LacA基因以及终止子。图10.5

围绕着乳糖操纵子转录启始位点，阻遏蛋白和RNA聚合酶的结合区域相互重叠。

乳糖操纵子操纵基因（Operator，简称O），起到基因开关的作用。是DNA上与阻遏物结合的特异性位置。阻遏物一旦结合到O基因上，就能阻制由RNA聚合酶催化的转录起动。启动子（Promoter，简称P），是RNA聚合酶结合的部位，能起动ZYA基因的表达，POZYA在DNA上几个相邻接的基因共同组成一个功能单位称操纵子(operon)。调节基因（I基因），能编码产生一种阻遏蛋白，该蛋白能识别和结合到操纵基因上，并能阻止RNA聚合酶启动转录，使乳糖操纵子处于关闭状态，一般情况下，阻遏蛋白总是结合在操纵基因O上，使操纵子关闭。图10.7

阻遏蛋白与操纵子结合，使乳糖操纵子处于失活状态，加入诱导物以后，阻遏蛋白被释放出来，才允许RNA聚合酶起始转录。

操纵子operon：是几个基因协同表达的遗传功能单位。由启动子，操纵基因和转录成一条mRNA分子的几个相邻接的基因组成的功能单位(POZYA)。

如何开启操纵子表达？当环境中存在乳糖及其类似物时（称为诱导物），它们能与阻遏物蛋白结合，使其构型改变，不能再与操纵基因O区结合。这时，操纵基因便开启，结合到启动子上的RNA聚合酶能顺利启动ZYA基因的表达，合成相应的三种酶。乳糖操纵子阻遏蛋白具有两种识别功能

1)能识别操纵子上特定的操纵基因的序列；

2)能识别乳糖或乳糖类似物。当阻遏蛋白与乳糖或类似物结合时，阻遏蛋白的构型将发生变化，从而使阻遏物失去了对操纵基因的亲和作用。阻遏物将从DNA上脱落下来。对Lac系统阻遏作用的解除称为诱导，能使阻遏物失活并导致Lac基因表达的乳糖类似物称为诱导物。乳糖半乳糖葡萄糖

Β-半乳糖苷酶(βgalactosidase)水解乳糖为葡萄糖和半乳糖。导致Lac基因表达的乳糖类似物诱导物异丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside，IPTG)，称为安慰诱导物。

操纵基因和操纵子(1)阻遏蛋白怎样阻断Lac酶的合成？Jacob操纵子学说认为，操纵子成员是协同调控的。LacI——阻抑蛋白，LacZ——β-糖苷酶，LacY——透性酶，LacA——转乙酰基酶。图10.4

乳糖操纵子长度约为6000bp。左端的LacI基因有它自己的启动子和终止子，LacI基因的末端紧接启动子P。操纵基因O占据LacZ基因的前26bp，LacZ基因之后是LacY基因和LacA基因以及终止子。图10.5

围绕着乳糖操纵子转录启始位点，阻遏蛋白和RNA聚合酶的结合区域相互重叠。（2）乳糖操纵子的控制属负调控。

调控蛋白与操纵基因结合关闭结构基因转录。调控因子的失活突变导致功能基因保持表达状态。lacI的表达产物称为乳糖操纵子阻遏蛋白(repressor)，其功能是阻止结构基因表达。乳糖操纵子结构基因起始区域的详细结构如图10.5所示。lac操纵基因是mRNA起始点上游-5bp至转录单位内+21bp的序列，因此它与启动子的右末端重叠。LacI编码乳糖操纵子的阻遏蛋白，由4个相同亚基组成的四聚体，每个亚基38kD，大肠杆菌每个细胞含有10个阻遏蛋白分子。图10.7

阻遏蛋白与操纵子结合，使乳糖操纵子处于失活状态，加入诱导物以后，阻遏蛋白被释放出来，才允许RNA聚合酶起始转录。（3）诱导物控制阻遏蛋白。在乳糖操纵子中，能应答诱导物的成分就是lacI编码的阻遏蛋白。阻遏蛋白应答环境变化时控制结构基因lacZYA转录的作用归纳于图10.7。结构基因从lacZ上游的启动子开始转录成一条mRNA。图10.8

操纵子发生突变的结果是组成型表达，因为突变阻遏蛋白不能与操纵子结合，从而使RNA聚合酶与操纵子的结合不受限制。操纵子突变为顺式作用，只影响相同链上连续的一系列结构基因。(4)通过突变鉴定操纵子和调控基因1）操纵子突变。

使操纵子在任何情况下，总是不能表达的突变称为不可诱导型突变(uninduciblemutants)。而不受调控物影响的连续表达称为称为组成型突变(consititutivemutants)，如图10.8所示。2）顺式显性突变。操纵基因仅能控制与其相邻的lac基因。操纵基因控制着邻近的基因，而对细胞内存在的其它等位基因无作用。此位点的突变，如Oc突变称为顺势显性(cis-dominant)突变。图10.10

通过突变可以确认并绘制LacI基因内不同的功能区：DNA结合区通过N端的LacI-d突变确认；如果发生了LacI-突变则在220-280bp之间不能成四聚体，其他的LacI-突变在整个基因都存在；LacIs突变在62-300bp之间呈规律性分布。（5）等位基因间互补与反式显性。当存在两个不同的lacI等位基因时，其产物结合形成杂合四聚体，性质不同于同源四聚体。亚基间这种相互作用称为等位基因间互补(interalleticcomplementation)。LacI-d称为显性负调控(dominantnegatives)。呈现显性的原因是因为lacI-d型等位基因产生了“坏”亚基，它不仅本身不能与操纵基因DNA结合，而且能参与形成阻遏蛋白四聚体，从而妨碍“好”亚基与操纵基因DNA结合。分解代谢产物调控

（1）分解代谢产物阻遏。在大肠杆菌中，在培养基中存在葡萄糖和乳糖时，它先分解利用葡萄糖，而抑制乳糖的利用。这种选择是通过葡萄糖的某些分解物能抑制Lac操纵子的激活，称为分解物阻遏作用(cataboliterepression，CRO)。当葡萄糖浓度很高时，细胞内cAMP的浓度较低；随葡萄糖消耗，cAMP浓度增加；Lac操纵子的激活需要高浓度的cAMP。葡萄糖通过PTs(磷酸丙酮酸:葡萄糖转移酶系统)输入。图10.22cAMP只有一个磷酸基团与糖环的3

和5

相连。分解代谢产物阻遏(该操纵子简称CRO)。它是由cAMP水平下降导致CAP(cataboliteactivatorprotein)/(Cataboliterepression，CRP)调节蛋白失活而引起的。

图10.23

葡萄糖通过降低细胞cAMP水平引起Lac操纵子分解代谢产物阻遏。多基因座阻遏调控

（1）色氨酸阻遏蛋白。色氨酸阻遏蛋白(trprepressor)控制三套不直接相连的基因：①结构基因簇trpEDBCA的操纵基因，控制从分支酸(chorismicacid)合成色氨酸(tryptophan)有关酶的合成。②另一个基因座上的操纵基因控制aroH基因，编码在芳香族(aromatic)氨基酸生物合成途径中催化起始反应的三种酶之一。③trpR调控基因被其自身产物Trp阻遏，称为自体调控(autogenouscontrol)。trp操纵基因序列长21bp，三个基因座上均有一个该序列，是trp阻遏蛋白作用的位点。图10.20操纵基因的位置可以相对与启动子而发生各种变化(阻遏能力可能不同)。操纵基因位置操纵基因-23-3操纵基因-12+9操纵基因(下游)操纵基因–49-29操纵基因(启动子上游)半乳糖芳香族（2）多个操纵子同时阻遏。色氨酸阻遏蛋白(TrpR)识别散在分布的操纵基因有明显的特点，每个基因座的操纵基因都在启动子内的不同位置上。色氨酸阻遏蛋白基因的操纵基因位于-12至+9之间，而色氨酸操纵子的操纵基因则位于-23至-3之间，aorH基因座的操纵基因则在上游更远的区域，位于-49至-29之间。其它操纵子的操纵基因或者位于启动子的下游(如乳糖操纵子lac)，或者位于启动子上游(如半乳糖操纵子gal，其天然阻遏作用比较弱)。阻遏蛋白在不同位置操纵基因上的阻遏能力不同。衰减子调控策略衰减子与衰减作用。衰减调控是控制RNA聚合酶通读衰减子(attenuator)的能力，衰减子是位于转录开始区的一种内部终止子。Attenuator(衰减子)：是位于转录单位开始区的一种内部终止子，由于核糖体在mRNA上的位置决定该终止发夹是否形成。若不形成发夹，RNA聚合酶通读终止子，基因得以表达。衰减子是在trp操纵子中发现的。蛋白质与发夹区结合模式结构：区域2与2和3互补区域2和3配对，终止区为单链，不成发夹区域3与2和4互补区域3和4配对形成终止发夹在一种结构中，1区与2区配对；3区与4区配对。3区与4区配对形成发夹结构，紧接发夹结构是U8序列：它是内部终止作用的重要信号。RNA聚合酶可能会占据U8结构，任何外部干涉都会影响此结构。如果1区不能与2区配对，则形成另一种结构。此时2区能与3区配对，4区则无法配对被迫保持单链，所以终止子发夹结构(hairpin)不能形成。色氨酸缺乏核糖体的位置可以决定发夹结构的形成，其关键点是核糖体在前导肽编码序列的色氨酸密码子处延宕。当缺乏色氨酸时(上)，核糖体在trp密码子上暂停，此密码子是1区的一部分。所以1区被核糖体隔离，不能与2区碱基配对，这意味着在4区转录之前2区已和3区配对，迫使4区保持单链形式，不能形成终止子发夹，RNA聚合酶穿越衰减子继续转录。当色氨酸存在时(下)，核糖体可以合成前导肽，并延伸到mRNA上的UGA密码子，UGA密码子位于1区与2区之间。当核糖体前进到此点时，通过2区并阻止其形成碱基配对，导致3区与4区配对，产生终止子发夹。因此，在这种情况下，RNA聚合酶在衰减子处终止。翻译水平调控翻译水平自体调控。（1）翻译阻遏蛋白。翻译水平的调控主要包括对编码蛋白质合成机构基因的操纵子进行控制。采用操纵子可对一组结构基因进行协调控制。实际上，这仍然是通过转录水平的调控实现对翻译水平的影响。但也存在翻译水平上进行调控的方式，使操纵子中各个基因的表达量存在差异。一个经典的例子是RNA噬菌体R17的外被蛋白，它与噬菌体mRNA核糖体结合位点内的发夹结构结合。另一个相似的例子是T4噬菌体的RegA蛋白，它与几种T4噬菌体早期mRNA上含有AUG起始密码子的一段共有序列结合。而且，T4噬菌体DNA聚合酶在mRNA上的结合序列中包括与核糖体结合的SD序列。图10.32与mRNA起始区序列结合抑制翻译起始的阻遏蛋白。图10.31如果调节蛋白与mRNA的结合位点包含起始密码，则翻译就被阻止。图10.34编码核糖体蛋白、蛋白质合成因子、RNA聚合酶亚单位的基因散布于几个自体调控的操纵子内。调控蛋白名称用红色表示，被调控的蛋白被描成粉红色。图10.33二级结构也能控制起始：RNA噬菌体只有一个可利用的起始位点，但当第一个顺反子被翻译时RNA的构象发生改变，使得其它起始位点也能够被利用。操纵子

strspcS10αL11rifS:小亚基蛋白，L:大亚基蛋白α,βRNA聚合酶亚基（2）mRNA二级结构调控翻译。（3）翻译机构操纵子的自体调控。应急调控策略（1）应急反应。细菌处于极差的生长条件下，由于缺乏足够的氨基酸使蛋白质合成受到抑制，因而会关闭大量的代谢过程，称为应急反应(stringentresponse)或应急调控，是细菌渡过困难时期而存活下来的机制。应急反应时rRNA和tRNA减少大约10～20倍，某些mRNA的合成也下降大约三倍。蛋白质降解速度加快，核苷酸、糖和脂类等的合成量也下降。（2）应急因子与空转反应。应急反应引起腺苷四磷酸ppGpp和腺苷五磷酸pppGpp增加(统称(p)ppGpp)，能与目标蛋白结合，空转反应引发应急反应，ppGpp是应急反应的效应物和触发器。Stringentfactor(应急因子)：ppGpp合成酶RelA(通过松弛型突变体研究发现的，是一种酶，催化合成(p)ppGpp的反应。图10.29在正常的蛋白质合成中，氨酰-tRNA占据A位点是多肽转移酶转移多肽链的信号，接着便是由转位因子G催化的移动。但在应急条件下，空载tRNA使得RelA蛋白合成出pppGpp，而后者排斥空载tRNA。（3）ppGpp是应急反应的效应物。

RelA酶更多地利用GTP为底物进行合成反应，因此RelA的主要产物是pppGpp(图10.29)。ppGpp是调控一些反应的效应物，能抑制转录。已研究报道了ppGpp的许多作用，其主要作用有两个方面：①特异性抑制编码rRNA操纵子的启动子转录起始。应急反应的启动子突变可以废除应急调控，表明应急反应的作用需要ppGpp与特异性启动子的相互作用。②多数或大多数基因转录的延伸过程受ppGpp抑制。

原因是能增加RNA聚合酶的暂停时间。当在体外加入ppGpp时，该反应可以降低总体转录效率。原噬菌体可以通过诱导过程解除溶原限制，这时它从细菌基因组中切除，产生游离的噬菌体DNA，然后进入裂解途径(lyticphathway)。噬菌体这种可替换形式的繁殖方式是由转录调控决定的。溶原状态的保持是通过噬菌体阻遏蛋白(repressor)与操纵基因(operator)的相互作用。裂解周期需要级联(cascade)性转录控制。这两种生活方式的转换依赖阻遏作用的建立(裂解周期到溶原状态)或解除阻遏(诱导溶原状态到裂解状态)。图11.1裂解途径中噬菌体颗粒的复制伴随着对细菌宿主的破坏，但溶原性存在使得宿主把噬菌体基因组当作自己遗传物质的一部分。λ噬菌体的表达调控图11.11在感染过程中，λDNA进行环化，因此晚期基因簇在一个转录单元内且相对完整。早期：宿主RNA聚合酶从PL和PR转录N和cro中早期：pN允许转录从相同的启动子并跨过N和cro后期：转录从PR’开始并完成所有后期基因转录λ噬菌体是E.coli的温和噬菌体。其DNA进入宿主后，粘末端互补并由连接酶连接成共价闭环。进入宿主时，其DNA上没有任何调控蛋白，因此宿主的RNA聚合酶便分别结合在PL和PR上，表达出抗终止蛋白N和调节蛋白Cro。由于抗终止蛋白N的抗终止作用，使RNA聚合酶越过终止子TL1、TR1、TR2转录，并翻译出CII、CIII、O、P蛋白。在cII和cIII的作用下启开了在cII和cro基因之间的启动子PE(establishment)转录，并翻译成CI(还包括一段反义RNA)。cro产物抑制溶原性阻遏蛋白CI的合成，从而使噬菌体进入裂解循环。溶原与裂解之间的平衡图11.26溶原态的建立首先需要一系列的级联反应，但溶原建立后噬菌体会有一套自体阻遏蛋白调控路径来维持溶原，原先的级联反应被关闭。中早期：N和cro

转录后早期：pN抗终止，cII和cIII转录熔原态建立期：CII作用在PRE，cI转录熔原态维持期：阻遏蛋白结合在OL

和OR，CI从PRM转录溶原与裂解途径密切相关，（1）溶原与裂解取决于两个操纵基因的占用权。溶原与裂解在即将决定去向之前都遵循同一条代谢途径。二者都使前早期基因表达，并延伸进入后早期基因。它们之间的区别可归结为究竟是阻遏蛋白还是Cro将获得两个操纵基因的占用权。（2）CⅡ蛋白表达水平决定噬菌体的侵染结果。对溶原与裂解间转变的关键性影响是CⅡ。如果CⅡ有活性，经由阻遏建立启动子的阻遏蛋白有效表达，结果使阻遏蛋白获得占据操纵基因的能力。如果CⅡ没有活性，阻遏蛋白的建立失败并且Cro与操纵基因结合。CⅡ蛋白的低表达水平决定噬菌体的侵染结果。图11.27裂解反应需要Cro蛋白：它一方面通过与PRM作用直接阻止阻遏蛋白的合成，一方面关闭后早期基因的表达，间接组织阻遏蛋白的合成。中早期：N和cro转录后早期：pN抗终止，cII和cIII转录后早期继续：Cro结合在OL

和OR后期：Cro抑制CI和所有早期基因，pQ激活后期基因表达（3）宿主基因产物亦影响溶原和裂解途径。

宿主基因hflA和hflB的突变体能增加溶原化(hfl代表高频溶原化)。这种突变使使宿主降解CⅡ的蛋白酶失活，从而能增加CⅡ的稳定性。宿主细胞对CⅡ蛋白水平的影响提供了一种干扰选择-决定去向的途径。例如，降解CⅡ的宿主蛋白酶在细菌生长在培养丰富的培养基时活性较高，因此λ噬菌体倾向于裂解生长较好的细胞；但当细胞营养不良处于饥饿状态时，λ噬菌体缺少有效裂解生长的必要成分，更倾向于进入溶原状态。小分子RNA调控翻译图10.45反义RNA能够影响RNA的稳定性和功能。（1）调控RNA。调控RNA总体上有两种调控机制：①RNA分子与靶分子形成双螺旋，通过形成和封闭特异位点直接影响靶分子的功能。②调控RNA与靶分子的部分区域形成双螺旋，从而改变靶分子其它区域的构型，间接影响靶分子的功能。（2）反义RNA调控。在细菌中反义RNA(antisenseRNA)在有些情况下作为调控因子，如图10.45所示。用反义RNA抑制mRNA的翻译，是从天然反义RNA学来的。AntisenseRNA(反义RNA)：由同一基因反向转录，得反义RNA(反义RNA可通过颠倒某基因相对其启动子的方向，使用反义链转录而产生)，它可以与野生型转录本退火形成双链RNA。（3）反义RNA的作用机制。图10.47秀丽隐线虫的Lin4RNA通过与Lin14RNA的3

非翻译区结合来调节其表达(Lin4调节幼虫发育的基因，其产物为22和61bp的RNA)。图10.46大肠杆菌摩尔渗透压浓度增加激活并产生了OmpR，OmpR诱导micF和ampC(编码大肠杆菌的外膜蛋白)的转录，micFRNA(反义)与ampF5

互补，阻止其翻译。（4）反义RNA产生的机制。反义RNA可通过反向转录产生(图10.48)。反义RNA的合成能抑制原核基因或真核基因的靶RNA。人工合成的编码反义RNA的基因引入大肠杆菌时，它们可通过与mRNA互补阻止特异靶基因的表达。第14章真核生物基因表达调控要点：真核基因表达调控的特点；调控因子的结构域及其作用机制；小RNA调控及RNA编辑。调控类型和水平高等真核生物各种细胞表型的差异，很大程度上取决于编码蛋白质基因表达上的不同。真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：第一类称为瞬时调控，相当于原核生物细胞对环境条件变化做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素浓度升降以及细胞周期不同阶段酶活性和浓度的调控。第二类是发育调控或称不可逆调控，它决定真核细胞生长、分化、发育的全过程，是真核生物基因表达调控的精髓。根据基因调控在同一事件中发生的先后次序，可将其分为不同“调控水平”(levelofcontrol)，基因调控可在几个连续步骤中的任何一步进行调控。至少可分为5个潜在的调控层面：基因结构的激活

转录起始

转录物加工

mRNA向胞质转运

mRNA的翻译。真核基因调控要比原核更复杂遗传信息量大，其DNA与组蛋白及其他蛋白组成染色质。这些染色质的状态直接影响基因表达。在真核细胞中，转录发生在核中，翻译发生在胞质中，因此，mRNA必须从核中运送到细胞质中才能进行蛋白质的合成。在运送到细胞质之前，真核基因的转录本要进行加