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1、第八章 基因的表达与调控,本章主要内容 基因概念的发展 基因表达调控的基本概念与原理 原核生物基因转录调控 真核生物基因表达调控,基因是一个特定的DNA或RNA片 段，但并非一段DNA或RNA都是基 因。,1、孟德尔的遗传因子阶段：,生物的某种性状是由“遗传因子”负责传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是遗传因子。遗传因子是颗粒性的，在体细胞内成双存在，在生殖细胞内成单存在。 孟德尔所说的“遗传因子”是代表决定某个性状遗传的抽象符号。,孟德尔在阐明遗传因子在世代传递规律是，就已经认识到基因的两个基本属性： 基因是世代相传的； 基因决定遗传性的表达。 基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信息的基本
2、物质单位，这就是孟德尔的基因观。,1909年，丹麦遗传学家约翰逊（W. Johansen）创造了“基因（gene）”这一术语。,2、摩尔根的基因阶段：,1926年，摩尔根（T.H.Morgan）的巨著基因论出版。 将代表性状的特定基因与某一条特定染色体上的特定位置联系起来。基因不再是抽象的符号，而是在染色体上占有一定空间的实体，赋予基因以物质的内涵。,首次完成了当时最新的基因概念的描述，即基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅是决定性状的功能单位，而且是一个突变单位和交换单位。 至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。,基因到底是
3、何物?其物质结构和化学组成怎样?它是怎样决定遗传性状的?,经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。,1941年比德尔（G.W. Beadle 1903）和塔特姆（E.L. Tatum 19091975）提出一个基因一个酶学说； 1949年鲍林（L.C.Pauling 1901）与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序 ； 1944年艾弗里（O.T. Avery 18771955）、麦卡蒂（M.McCarty 1911）等人发表了关于“转化因子”的重要论文，首次用实验明确证实：DNA是遗传信息的载体 ； 1952年赫尔希（A.D. He
4、rshey）和蔡斯（M.M. Chase 1927）进一步证明遗传物质是DNA而不是蛋白质； 1953年美国分子生物学家沃森（J.D. Watson）和英国分子生物学家克里克（F.H.C. Crick）提出了著名的DNA双螺旋结构模型，进一步说明基因成分就是DNA，它控制着蛋白质合成。,基因本质的确定为分子遗传学发展拉开了序幕。,3、顺反子阶段 ：,1957年，本泽尔（Seymour Benzer）以T4噬菌体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）概念。 顺反子是1个遗传功能单位，1个顺反子决定1条多肽链。 1个顺反子可以包含一系列突变单位突变子。突变
5、子是DNA中1个或若干个核苷酸构成。 重组子代表1个空间单位，有起点和终点，可以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的互换。,总之：顺反子学说打破了“三位一体”的基因概念，把基因具体化为DNA分子上特定的一段顺序- 顺反子，其内部又是可分的，包含多个突变子和重组子。 近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，是一个遗传功能单位，其内部存在有许多的重组子和突变子。 突变子：指改变后可以产生突变型表型的最小单位。 重组子：不能由重组分开的基本单位。,4、现代基因阶段 ：,1961年法国雅各布（F. Jacob）和莫诺（J.L. Monod）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他
6、们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。,1）操纵子：,2）现代分子遗传学关于基因的概念,基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段； 基因由重组子、突变子序列构成； 重组子是DNA重组的最小可交换单位 突变子是基因突变的最小单位 重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp) 基因决定某一性状表现。 可以包含多个功能单位(顺反子),（1）现代基因概念,(2) 基因的功能类型,根据基因的原初功能可以将基因分为： 编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因 如结构蛋白
7、、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因 没有翻译产物，不产生蛋白质的基因 转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA 不转录的DNA区段 如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位,结构基因(structural gene)：,指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。,(3) 基因的几种特殊形式,指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。,调控基因(regulator gene)：,lac 调控基因,指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。 因此基因在染色体上可能有重叠，甚至
8、一个基因完全存在于另一个基因内部。,重叠基因(overlapping gene)：,指在染色体组上存在多份拷贝的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因。 最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等。,重复基因：,指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。 内含子(intron)：DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段； 外显子(extron)：DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。,隔裂基因(split gene)：,卵清蛋 白基因,即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。 实质：能够转移位置的DNA片断。 功能：在同一染色体内或不同染色体之间移动，引起插入突变、DN
9、A结构变异（如重复、缺失、畸变）， 通过表现型变异得到 鉴别。,跳跃基因(jumping gene)：,同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。 真核生物中的血红素蛋白基因 家族中就存在假基因现象。,假基因(pseudogene):,血红蛋白分子 的四条多肽链,基因与DNA,一个基因大约有500-6000个核苷酸对，但并非DNA分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段。 如何判断一段核苷酸序列是否是某个基因？ 要看这个特定的核苷酸序列是否与其转录产物RNA核苷酸序列或翻译产物多肽链的氨基酸序列相对应，这
10、样就必须同时测定某一段DNA的核苷酸序列和相应产物的序列。,二、基因的微细结构：,（一）互补测验,互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。即根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）。,对于两个独立起源的、表型相似的隐性突变，如何判定是属于同一基因(功能单位)还是两个基因突变产生的呢？ 根据两突变反式双杂合体的表现，就可以解决上述问题。,双突变杂合体有两种形式：顺式(cis)和反式(trans)。,顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色体上），其表现型永远是野生型。 实质上是进行反式测验（反式排列：是两个突变座位位于不同的染色体上）。,1、顺反测验与
11、顺反子,根据两突变反式双杂合体的表现： 突变型无互补作用为同一功能单位的突变 野生型有互补作用为不同功能单位的突变 互补测验，也称顺反测验(cis-trans test)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron) 顺反子内发生的突变间不能互补,表型 有无功能互补 结论 A+ B 反式: A B+ A+ B 反式: A B+,突变型 属同一顺反子,野生型 属不同顺反子,互补试验的原理:,Seymour Benzer(1955)用E. Coli烈性噬菌体T4突变型遗传研究发现： T4野生型在E. Coli菌苔上产生小而不规则噬菌斑； T4突变品系按表型可分为：rI
12、、rII、rIII三类。其中rII在E. Coli B上产生快速溶菌现象，形成大而圆噬菌斑，在E. Coli K()上不能生长。,2、rII顺反测验,rII区段突变的性质： rII突变具有共同性状，按经典遗传学理论，rII区段为一个基因(功能单位)。 Benzer通过顺反测验表明： 3000多个rII突变型可以分为A、B两组，组间突变型间能够互补，而组内的突变型间不能互补。 与rII区段连锁图对照发现：两组突变分别位于rII区段的两端： | A | B |,r47与r106 r106与r51,两个突变位点若可以互补，即顺式和反式排列都有功能，那么这两个突变位点不在同一个顺反子内； 若两个突变位
13、点不能互补，即顺式有功能，反式没有功能，说明这两个突变位点在同一个顺反子内。,rII的两个顺反子,经典遗传学意义上的一个基因(rII区段)实际上有两个顺反子(功能单位)； 基因也很可能不是遗传的最小功能单位； 有些基因具有一个顺反子，有些基因具有多个顺反子； 在多顺反子情况下，基因是几个功能单位的复合体 Benzer提出“一个顺反子一条多肽链”。,(二)基因的微细结构:,试验方法： 最初得到8个不同的r突变型品系，8个突变基因均定位于T4DNA的一个区段内(rII区段) 将8种突变型两两组合混和感染E. Coli B菌株(双重感染, double infection) 从混和培养物中提取噬菌体
14、颗粒感染E. coli K() 试验结果： 在菌苔上获得了许多小而粗糙的野生型噬菌斑,Benzer的重组实验:,重组值计算：rxry的数量与r+r+ 相同，计算时r+r+ 噬菌体数2。,此种测定方法称为重组测验（recombination test) ，它以遗传图的方式确定突变子之间关系，它的精确度可达十万分之一，即0.001，也就是0.001个图距单位。 故称为基因的精细作图。,结论： 这些基因是rII区段(一个基因)突变形成的复等位基因； 野生型产生于基因内重组，基因是由更小的重组单位构成，从而推翻了经典遗传学基因不可分性的性质。,根据Benzer的分析，在r区的A、B两个顺反子中约有40
15、0个左右的突变位点，每个突变位点都可以作为一个重组单位。,顺反子概念的具体化：,顺反子为DNA分子的一段序列，它负责传递遗传信息，是决定一条多肽链的完整的功能单位。 但它又是可分的，一个顺反子可以包含一些列突变单位-突变子，突变子是构成基因的DNA中的一个或若干个核苷酸；顺反子中的核苷酸也可以独自发生重组-重组子。,生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。 从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基
16、因表达调控(gene regulation或gene control)。,第二节 基因表达调控的概念及原理,基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念。,基因组(genome) 是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。 但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。,一、基因表达调控是生命的必需,二、基因表达的时间性及空间性,（一）时间特异性,（二）空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,在
