第十二章 基因的表达与调控

第一节 基因的概念

第二节 基因调控

第一节 基因的概念

一、基因的概念及其发展

（一）经典遗传学关于基因的概念

遗传因子假说 (Hypothesis of the inherited

factor)

生物性状由遗传因子控制

亲代传给子代的是遗传因子(A,a….)

遗传因子在体细胞内成双(AA,aa),在生殖细

胞内为单（A,a）

杂合子后代体细胞内具有成双的遗传因子

(Aa)

等位的遗传因子独立分离, 非等位遗传因子

间自由组合地分配到配子中 Mendel G J，1866

第一节 基因的概念

（一）经典遗传学关于基因的概念

基因理论（Theory of the gene）

基因是染色体上的实体

基因象链珠(bead)一样，孤立地呈线状地排列

在染色体上

基因具有染色体的主要特性，能自我复制，

有相对的稳定性，在有丝和减数分裂时有规

律地进行分配

交换单位：基因间能进行重组，并且是交换

的最小单位。

突变单位：

功能单位：控制有机体的性状

三位一体Morgan T H，1926

第一节 基因的概念

（二）分子遗传学关于基因的概念

1、揭示了遗传密码的秘密，证明DNA是主要的遗传物质。

2、基因不是不可分割的最小遗传单位，而是更为复杂的遗传和变

异单位。

3、现代遗传学上认为：

突变子（muton）：性状突变时产生突变的最小单位。一个突

变子可以小到只有一个核苷酸。

重组子（recon）：性状重组时，可交换的最小单位。一个交换

子可只包含一对核苷酸。

顺反子（作用子）（cistron）：表示一个起作用的单位，基本

符合通常指的基因。一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽

链的合成相对应。

第一节 基因的概念

（二）分子遗传学关于基因的概念

4、基因概念

（1）可转录一条完整的RNA分子，或编码一个多肽链；

（2）功能上被顺反测验（cis-trans test）或互补测验

（complementary test）所规定。分子遗传学保留功能

单位的解释，而抛弃最小结构单位说法。

第一节 基因的概念

（二）分子遗传学关于基因的概念

5、基因概念的发展

结构基因(structural gene)：指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。

调控基因(regulator gene)：指其表达产物参与调控其它基因表达的基

因。

重叠基因(overlapping gene)：指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架

不同或终止早晚不同，同时编码两个以上多肽链的基因。

隔裂基因(split 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，如内含子所隔裂的现象。

跳跃基因(jumping gene)：即转座因子，指可作为插入因子和转座因子

移动的DNA序列。

假基因(pseudogene)：同已知的基因相似，处于不同位点，因缺失或突

变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。

二、基因的微细结构

设有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表现型。判断它们是

属于同一个基因突变，还是属于两个基因突变？即判断是否属于等位

基因？

1、建立双突变杂合二倍体；

2、测定突变间有无互补作用。

结果：

1、无互补作用：则个体表现为突变型，突变来自同一个基因，只

能产生突变的mRNA，形成突变酶和个体，显示突变的表现型。

2、有互补作用：突变来自不同的基因，则每个突变的相对位点上

都有一个正常野生型基因，最终可产生正常mRNA，其个体表现型为

野生型。

（一）互补作用

A b1

A b2

a1 B

A b2

相依为命！

依据： One gene one enzyme

MutantWild type

无能为力！

二、基因的微细结构

1. 顺式调控：如基因启动子发生突变，使调控蛋白不能识别启

动子结构，基因不能表达，这种只影响基因本身表达、不影响

其它等位基因调控的突变称顺式调控。

2. 反式调控：调控蛋白发生突变，不能与这个基因的启动子结

合，将可影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点表

达这种突变称为反式调控。

（二）顺式与反式调控

二、基因的微细结构

本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，对T4噬菌体rⅡ区基

因的微细结构进行了详细分析。

1、原理：

r+ 野生型T4噬菌体：侵染E.coli B株和K12株；

rⅡ突变型T4噬菌体：只侵染B株，不能侵染K12(λ)株。

利用上述特点，让两个rⅡ突变型杂交侵染K12(λ)株，选择重组体

r+，计算出两个r+突变座位间的重组频率。

（三）基因的微细结构

2、方法：

见右图

（三）基因的微细结构

二、基因的微细结构

二、基因的微细结构

3、结果：

（三）基因的微细结构

两个rⅡA突变体混合→K12→无噬菌体繁殖

两个rⅡB突变体混合→K12→无噬菌体繁殖

rⅡA ＋ rⅡB突变体→K12→噬菌体繁殖

rⅡA与rⅡB区段可以互补，分属于不同基因座位

三、基因的作用与性状的表达

基因 mRNA 蛋白质 性状

1、结构蛋白或功能蛋白：

基因变异可以直接影响蛋白质的特性，从而表现出不同遗传性状。

例如人的镰形红血球贫血症：

血红蛋白分子有四条多肽链：两条α链(141个氨基酸/条)；两条β链(146个氨基酸/条)。

HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差异在于β链上第6位上氨基酸的不同：

HbA第6位为谷氨酸（GAA)；HbS第6位为缬氨酸（GUA)；HbC第6位为赖氨酸（AAA）

人的镰形红血球贫血症

三、基因的作用与性状的表达

2、基因通过酶的合成，间接的影响生物性状的表达。

第二节 基因调控

（一）转录水平的调控

多顺反子mRNA：把编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA。

单顺反子mRNA：把只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。

负调控（negative regulation）：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控

机制。

正调控（positive regulation）：经诱导物诱导转录的调控机制。

原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主。

一、原核生物的基因调控

Negative & Positive regulation

I gene

Neg.

Pos.

i- or 不加入I基因产物 operon on

I+ or 加入I基因产物 operon off

i- or 不加入I基因产物 operon off

I+ or 加入I基因产物 operon on

repressor Negative

Positiveexpressor (apoinducer)

无辅基诱导物

一、原核生物的基因调控

1961年，Jacob F.和Monod J提出操纵元模型

操纵元（operon）：控制某一代谢途径的相关基因，紧密连锁

地排列在一起, 受同一操纵子控制。

（二）乳糖操纵元

Lac operon I p o Z Y A

各结构基因按一定比例协调翻译 ( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 )

one gene → one function (Ribozyme, Abzyme, rDNA, tDNA..)

• one gene → one enzyme

Lac. Operon

Lactose

操纵子理论 (Lactose operon， Jacob F.and Monod J，1961

• 某一基因功能的表现是若干基因组成的信息表达的整体行为

I P O Z Y A

z

one gene → one peptide

y a

一、原核生物的基因调控

操纵元：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；

大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶（A、B、C、D、E）的转录

同时受到抑制；

色氨酸不足时：5种酶的基因开始转录；

色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录；

trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元模型。

（三）色氨酸（trptophan）操纵元

trpR P O E D C B A

trpR P O E D C B A

tryptophan

调控机理

Operator

operon off

operon on

repressor + trp

active repressor

Repressor (inactive )

can not bind

on the O site

(trp absent)

（三）色氨酸（trptophan）操纵元

色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列mRNA只含有140 核苷酸，

其中有一段28 bp的弱化子区域，可形成发夹结构，为内部终止

子，RNA酶从DNA上脱落；

色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转

录完整的多顺反子mRNA序列；

前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、

11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA

序列，该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同

的二级结构。

弱化子调控

（三）色氨酸（trptophan）操纵元

当有色氨酸时，完整翻译短肽，核糖体停留在终止密码子处，

邻近区段2位置，阻碍了2，3配对，使3, 4区段配对形成发夹结

构终止子，RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。

如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时，由于没有色氨酰

tRNA的供应，停留在该密码子位置，位于区段1，使区段2与

区段3配对，区段4无对应序列配对呈单链状态，RNA聚合酶

通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。

弱化子调控

调控机制分析

调控机制分析

Trp(Arg)

starved

Non-starved

trp trp

55- - 58- - 65- -68- -

Arg

60- -70- -

UGA

69 - - 79 - -

2-3

3-4Rho-independent T.

一、原核生物的基因调控

反馈调控机制（feedback regulation）：大肠杆菌核糖体蛋白合成

E.coli 有7个参与核糖体蛋白合成的操纵元结构，转录的各种

mRNA都可与同一操纵元编码的核糖体蛋白识别与结合；

如果其中有一种核糖体蛋白过量累积，它们将与其自身的

mRNA 结合，阻止进一步翻译；

结合位点：5‘ 端非翻译区(untranslated region，UTR)，也包括

启动子Shine-Dalgarno 序列，为mRNA翻译起始信号上游的一

段5’-AGGAGGU-3’保守序列，与16S rRNA 3’端保守序列互补

配对。

（四）翻译水平的调控

一、原核生物的基因调控

反义RNA（antisense RNA）的调控

原核生物中mRNA的翻译也受反义RNA的调控；

反义RNA与mRNA 的5’端非翻译区UTR片段互补配对，使

mRNA不能有效地与核糖体结合阻止蛋白质的合成；

真核细胞中导入反义RNA基因控制真核生物基因表达。

（四）翻译水平的调控

二、真核生物的基因调控

真核生物与原核生物基因表达上的主要异同

以转录水平调控为主

真核生物染色质的状态对基因表达的调控

以positive control为主

m5C与基因表达的相关

转录后多种方式的加工调节

个体发育的阶段调控

Trans F + Cis F. Gene on /off

相异：

相似：

二、真核生物的基因调控

1、基因剂量与基因扩增：

拷贝数增加：如合成大量组蛋白用于形成染色质，多数细胞具有

数百个蛋白基因拷贝。

基因丢失：发育过程中，一些组织的细胞丢失了某些基因，决定

细胞分化。如：原生动物（马蛔虫）、昆虫、甲壳纲动物。

基因扩增：两栖类卵细胞前体同体细胞一样具有600个rRNA基因，

基因扩增后rRNA基因拷贝数达2×106组装大量的核糖体，满足

卵细胞大量合成蛋白质需要。也发生在异常细胞中，如人类的癌

细胞中，由于癌基因的大量扩增，高效表达导致细胞生长失控，

诱发癌症。

（一）DNA的改变

二、真核生物的基因调控

2、DNA 重排：

酵母交配型转变：酵母有两种交配类型 a 和α，单倍体孢子 a 和

α之间交配才产生 a/α 二倍体，经减数分裂及产孢过程形成4个单

倍体孢子；相同交配型的单倍体孢子之间不能发生交配。但酵母

存在一种同宗配合类型(homothallism)，其细胞可转换成对应交

配类型，使细胞间发生配合。

动物抗体基因重排：哺乳动物一般可产生108个抗体分子，所有

的抗体并不是由一个完整的基因来编码，而是由不同的基因片段

经重排连接而成的。由于抗体基因重排中各个片段间的随机组合，

因此300个抗体基因产生108个抗体。

（一）DNA的改变

酵母交配型转变

二、真核生物的基因调控

3、DNA甲基化：

m5C是真核生物 DNA中的主要修饰成分。

多发生在CpG序列中,不同细胞间m5C 相差甚大。

m5C对基因转录抑制的表现：

降低转录因子与DNA的结合；

m5C in major groove 影响与T.F.间氢键的形成；

m5C in major groove 导致空间拥挤，破坏构象

的平衡；

使B-DNA Z-DNA T.F.结合空间的改变。

（一）DNA的改变

（二）转录水平的调控

看家基因（house keeping gene） ：一些基因在所有细

胞中都呈现活跃状态，这种组成型表达（ constitutive

expression ）的基因称为看家基因。

奢侈基因（luxury gene ）：一些基因则在不同细胞或组

织中呈现高度表达，受到一定的调控，称为奢侈基因或特

异表达基因。

（二）转录水平的调控

1、启动子和转录因子：

启动子（promoter）：转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于基

因上游某一固定位置，紧接转录起始点，是基因一个组成部分。

转录因子(transcription factor，TF) ：是激活真核生物基因转录的

蛋白质。

真核生物的启动子结构：

TATA box：RNA酶识别并结合位点，位于-25～-30 bp处；

CAAT box：转录起始起重要作用，位于-70 bp处；

GC box：增强子作用，位于-110 bp处。

（二）转录水平的调控

2、增强子（转录强化子，transcriptional enhancer）：

强化子：是真核生物基因转录中另一种顺式调控元件，常位于启动

子上游700-1000 bp处，离转录起始点较远，可提高转录效率。

在基因中的位置不固定。

强化子的作用没有方向性。

（二）转录水平的调控

3、激活子（transcription activator ）：

激活子：是一种与强化子结合的蛋白质，属于一种转录因子。

分类：

（1）正激活子：

真激活子：与转录复合体接触激活转录。

抗阻遏物激活子：改变染色质结构（染色质重建）与转录

因子结合来提高转录效率。

（2）负激活子：抑制转录的因子。

α-螺旋－转角－α-螺旋的结构（a）以及与DNA的相互作用；（b）3个圆柱代表3个螺旋，线表示非螺旋区域

转录因子DNA结合域的三维构型

螺旋－环－螺旋的结构（a）以及与DNA的相互作用（b）

转录因子DNA结合域的三维构型

锌指结构（a）以及与DNA的相互作用（b）

转录因子DNA结合域的三维构型

亮氨酸拉链的结构（a）以及与DNA的相互作用（b）

转录因子DNA结合域的三维构型

（二）转录水平的调控

4、酵母菌乳糖代谢的正调控 ：

在没有半乳糖时，基因不表达。

加入半乳糖后，mRNA浓度可迅速增加1000倍。但是只

有在低浓度葡萄糖存在时，才出现这种诱导表达，说明

酵母半乳糖基因表达也是受另一种方式调控的，即代谢

调控。

半乳糖基因是受GAL4调控蛋白调控，调控蛋白存在时激

活基因转录，因此酵母半乳糖基因表达是正调控。

（二）转录水平的调控

5、选择性启动子：

有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子，用于

在不同的细胞中表达。不同的启动子可产生不同的初级

转录产物和相同的蛋白质编码序列。

如果蝇的乙醇脱氢酶基因分别具有幼虫和成虫启动子。

（二）转录水平的调控

6、 选择性mRNA切割 ：

同一初级转录产物在不同的细胞中可以用不同方式切割加工，形成

不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质在含量或组成上都可能

不同。

例如：老鼠的α-淀粉酶基因，肝脏和腺体中的不同切割，外显子Ｓ

和Ｌ分别成为腺体和肝脏mRNA的前导序列，形成不同mRNA以

不同速率翻译成蛋白质。

（二）转录水平的调控

7、激素的调控作用 ：

双翅目昆虫幼虫唾腺细胞内有巨大的唾腺染色体，在幼虫发育

不同阶段，一个或几个横带发生疏松现象(puff)，即染色丝高度

松散而不缠绕，疏松区出现大量新合成mRNA，疏松区出现的

时间和部位随着发育阶段而顺序消长。

在幼虫蜕皮时发生疏松与幼虫体内分泌蜕皮激素有关。

（三）翻译水平的调控

真核生物翻译多肽的过程是在细胞质中发生的，所以受细胞质

中调节机制的控制和影响。

阻遏蛋白与特异mRNA序列结合，导致蛋白质翻译受阻。

翻译形成的蛋白质还需要经过加工修饰后，才具有活性。

（1）蛋白质折叠

（2）蛋白酶切割：末端切割 、多聚蛋白质切割

（3）蛋白质的化学修饰：乙酰化、甲基化、磷酸化 、糖基化

（4）蛋白质内含子