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1、第一章第一章植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调自从孟德尔用不同表型的豌豆品种进行杂交试验以探自从孟德尔用不同表型的豌豆品种进行杂交试验以探探讨生物的遗传规律以来，一部遗传学的发展史反映探讨生物的遗传规律以来，一部遗传学的发展史反映了人类对基因不断深化认识的过程。特别在分子遗传了人类对基因不断深化认识的过程。特别在分子遗传学诞生以后，有关基因的结构、突变、表达、调节与学诞生以后，有关基因的结构、突变、表达、调节与克隆等方面的研究取得很大的进展。这不但帮助生物克隆等方面的研究取得很大的进展。这不但帮助生物学各分支学科找到了深化自己研究问题的思路，同时学各分支学科找到了深化自己研究问题
2、的思路，同时也为解决医药与农业上的许多难题提供了新的技术与也为解决医药与农业上的许多难题提供了新的技术与途径。但是目前对基因仍有许多不够了解的地方，还途径。但是目前对基因仍有许多不够了解的地方，还有许多基因尚未被克隆。这有待不同学科研究者的共有许多基因尚未被克隆。这有待不同学科研究者的共同努力来完成。下面就近年有关植物中编码蛋白质的同努力来完成。下面就近年有关植物中编码蛋白质的核基因的结构，以及表达调控方面的一些进展作一简核基因的结构，以及表达调控方面的一些进展作一简单的介绍。单的介绍。 第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调1. 1. 基因的结构基因的结构1.1 51
3、.1 5上游区上游区1.2 51.2 5非翻译区非翻译区1.3 1.3 编码区编码区1.4 31.4 3非翻译区非翻译区2. 2. 基因的表达调控基因的表达调控2.1 2.1 器官与组织专一性表达的基因器官与组织专一性表达的基因2.2 2.2 受环境因素诱导而表达的基因受环境因素诱导而表达的基因2.3 2.3 基因表达的调节机理基因表达的调节机理第一章第一章 植物基因的结构植物基因的结构及其表达调及其表达调1.1 51.1 5上游区上游区1.2 51.2 5非翻译区非翻译区1.3 1.3 编码区编码区1.4 31.4 3非翻译区非翻译区第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调
4、达调在研究一个基因的结构之前，先要克隆到这在研究一个基因的结构之前，先要克隆到这个基因。目前常用来克隆植物中编码蛋白质个基因。目前常用来克隆植物中编码蛋白质的核基因的方法大致有以下几种：的核基因的方法大致有以下几种： 根据蛋白质中所测出的部分氨基酸顺序，根据蛋白质中所测出的部分氨基酸顺序，合成一段与之相对应的由三联密码组成的寡合成一段与之相对应的由三联密码组成的寡核苷酸，以此核苷酸，以此寡核苷酸为探针寡核苷酸为探针，从该植物的，从该植物的基因组文库与基因组文库与cDNAcDNA文库中分别钓出编码此蛋文库中分别钓出编码此蛋白质的基因与白质的基因与cDNAcDNA克隆。克隆。 根据蛋白质中所测出的
5、氨基酸顺序，根据蛋白质中所测出的氨基酸顺序，合成一对或数对用于聚合酶链式反应合成一对或数对用于聚合酶链式反应(PCR)(PCR)的引物，以植物总的引物，以植物总DNADNA为模板，为模板，扩增或分段扩增出所要克隆的基因或扩增或分段扩增出所要克隆的基因或基因片段、再以此基因片段、再以此DNADNA片段为探针，从片段为探针，从基因组文库与基因组文库与cDNAcDNA文库中分别钓出编文库中分别钓出编码此蛋白的基因与码此蛋白的基因与cDNAcDNA克隆。克隆。克隆植物中核基因的方法克隆植物中核基因的方法第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 如果基因的产物不明确或蛋白质不易提纯
6、而无如果基因的产物不明确或蛋白质不易提纯而无法测序，但是知道该基因突变后所出现的表型改法测序，但是知道该基因突变后所出现的表型改变，则可用变，则可用转座子标签法转座子标签法来分离基因，该法是利来分离基因，该法是利用转座子在染色体上能够移动的特性，分离出由用转座子在染色体上能够移动的特性，分离出由于转座因子插入而造成该基因表型改变的突变株，于转座因子插入而造成该基因表型改变的突变株，构建突变株的基因组文库，以转座子作探针，从构建突变株的基因组文库，以转座子作探针，从文库中钓出能与转座子探针杂交的阳性克隆。然文库中钓出能与转座子探针杂交的阳性克隆。然后以该克隆中转座子的旁邻顺序为探针，从野生后以该
7、克隆中转座子的旁邻顺序为探针，从野生型植物的基因组文库中钓出杂交阳性的克隆，这型植物的基因组文库中钓出杂交阳性的克隆，这就有可能得到所要克隆的基因。也有用农杆菌中就有可能得到所要克隆的基因。也有用农杆菌中的的T TDNADNA作插入突变来克隆基因的，原理相同。作插入突变来克隆基因的，原理相同。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 现在已有许多植物如水稻、番茄与拟南现在已有许多植物如水稻、番茄与拟南芥等的限制片段长度多态性图谱芥等的限制片段长度多态性图谱RFLPRFLP）被建立，因此可利用这种图谱，通过共分被建立，因此可利用这种图谱，通过共分离分析找出与所要克隆基因有紧
8、密连锁关离分析找出与所要克隆基因有紧密连锁关系的分子标记，然后利用系的分子标记，然后利用染色体步行或染染色体步行或染色体着陆色体着陆(chromosome landing)(chromosome landing)策略，找策略，找到所要克隆的基因。到所要克隆的基因。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 如果有该基因的突变株或该基因受某种因素诱导表达，如果有该基因的突变株或该基因受某种因素诱导表达，则可利用则可利用mRNAmRNA的差异显示法或减法克隆的差异显示法或减法克隆策略找到所要克隆策略找到所要克隆的基因。的基因。除以上几种方法外，也有人用其他生物中已被克隆的除以上
9、几种方法外，也有人用其他生物中已被克隆的同源同源基因的顺序作探针或据此合成引物基因的顺序作探针或据此合成引物，从所研究的植物中克，从所研究的植物中克隆出同源的基因。在克隆到基因与隆出同源的基因。在克隆到基因与cDNAcDNA后，即可对它们进后，即可对它们进行测序，并将基因的全顺序与相应的行测序，并将基因的全顺序与相应的cDNAcDNA顺序作比较，就顺序作比较，就可以初步了解该基因结构的概况，如基因转录起始点的位可以初步了解该基因结构的概况，如基因转录起始点的位置，内含子的数目、位置及其长度，终止密码子与加置，内含子的数目、位置及其长度，终止密码子与加po1yApo1yA信号的位置等。通过基因的
10、信号的位置等。通过基因的cDNAcDNA克隆在细菌细胞中克隆在细菌细胞中的高表达，以纯化出它所编码的蛋白质，在测出该蛋白质的高表达，以纯化出它所编码的蛋白质，在测出该蛋白质氨基端的部分氨基酸顺序后，即可确定基因的翻译起始密氨基端的部分氨基酸顺序后，即可确定基因的翻译起始密码子，并推测出基因所编码蛋白质中的氨基酸顺序与蛋白码子，并推测出基因所编码蛋白质中的氨基酸顺序与蛋白质的相对分子质量质的相对分子质量MrMr。 近年来，很多科学家对植物基因的结构进近年来，很多科学家对植物基因的结构进行了研究，结果表明它们与其他真核基因行了研究，结果表明它们与其他真核基因的结构很相似。下面将他们对植物基因中的结
11、构很相似。下面将他们对植物基因中4 4个区域结构的研究结果简述如下：个区域结构的研究结果简述如下：回1之目录第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 这是指基因转录起始点这是指基因转录起始点5 5端上游包括启端上游包括启动子在内的一段很长的区域，其中包含着动子在内的一段很长的区域，其中包含着与基因转录起始与表达调控有关的许多元与基因转录起始与表达调控有关的许多元件。这个区域在结构上有以下几点值得注件。这个区域在结构上有以下几点值得注意。意。 （1 1）转录起始位点）转录起始位点（2 2）TATA boxTATA box、 CAAT boxCAAT box（3 3）顺式作用
12、元件）顺式作用元件第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调JoshiJoshi曾比较了曾比较了7979个高等植物基因启动区的个高等植物基因启动区的DNADNA顺序，推衍出在基因转录起始点附近的顺序，推衍出在基因转录起始点附近的一致顺序一致顺序(consensus sequence)(consensus sequence)是是CTCCTCA ATCATCA。当中的一个当中的一个A A是转录起始的核苷酸，一般都是转录起始的核苷酸，一般都将此核苷酸编号为将此核苷酸编号为+1+1位。转录本中的核苷位。转录本中的核苷酸位置均以正数表示，而酸位置均以正数表示，而A A的的5 5上游区
13、非上游区非转录核苷酸则以负数表示，转录核苷酸则以负数表示，A A的两边通常是的两边通常是嘧啶核苷酸。嘧啶核苷酸。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调JoshiJoshi的总结中还指出，在转录起始点上游的总结中还指出，在转录起始点上游32327 7 核苷酸对核苷酸对(bp)(bp)处有一段一致顺序处有一段一致顺序TCACTATATAGTCACTATATAG，简称为，简称为TATA boxTATA box，这些顺序，这些顺序对对RNARNA聚合酶聚合酶准确地使基因起始转录是必准确地使基因起始转录是必需的。在需的。在TATA box TATA box 上游上游-75bp
14、-75bp 附近常有一附近常有一致顺序致顺序GC(TGC(TC)CAATCTC)CAATCT，简称，简称CAAT boxCAAT box这些顺序有增强基因特录的作用。在有些这些顺序有增强基因特录的作用。在有些植物基因中没有明显的植物基因中没有明显的TATA boxTATA box，在另，在另一些植物基团中，一些植物基团中，AGGA boxAGGA box替代了替代了CAAT CAAT boxbox 第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调在在5 5端远上游区域中还存在对基因的表端远上游区域中还存在对基因的表达有增强或阻遏作用的顺序、决定基因在达有增强或阻遏作用的顺序、决定
15、基因在特定时空表达的顺序以及对激素或外界胁特定时空表达的顺序以及对激素或外界胁迫有应答作用的顺序，由于这些顺序对基迫有应答作用的顺序，由于这些顺序对基因表达起调控作用，因此统称为因表达起调控作用，因此统称为调控元件调控元件，又由于它们与基因位于同一条又由于它们与基因位于同一条DNADNA链上，故链上，故又称又称顺式作用元件顺式作用元件(cis(cisacting element)acting element)。有些研究论文中提到的启动子有时也指包有些研究论文中提到的启动子有时也指包括了这些元件在内的很长一段区域括了这些元件在内的很长一段区域 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其
16、表达调达调 基因的转录起始位点到翻译起始密码子之间的一基因的转录起始位点到翻译起始密码子之间的一段顺序被称为段顺序被称为5 5非翻译区。该区的非翻译区。该区的5 5端是前体端是前体mRNAmRNA加帽加帽(7-(7-甲基鸟嘌呤核苷）的位点甲基鸟嘌呤核苷）的位点。有些基因。有些基因的的5 5非翻译区中还有一些非翻译区中还有一些茎环结构茎环结构。这些茎环结。这些茎环结构与翻译起始密码子的旁邻顺序对翻译的效率都构与翻译起始密码子的旁邻顺序对翻译的效率都有影响。此外在有些值物基团的有影响。此外在有些值物基团的5 5非翻译区中还非翻译区中还鉴定出鉴定出有内含子存在有内含子存在。如在。如在Ubiquiti
17、nUbiquitin基因、基因、ShSh基基因、因、ActinActin基因、基因、AshlAshl基因与基因与WxWx基因的基因的5 5非翻译非翻译区中均有内含子存在，且这些内含子都有增强基区中均有内含子存在，且这些内含子都有增强基因表达的作用。因表达的作用。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 这是指从翻译起始密码列终止密码之间的一段这是指从翻译起始密码列终止密码之间的一段区域，或者说是指这一区域中的所有外显子部区域，或者说是指这一区域中的所有外显子部分。分。（1 1）KozakKozak比较了比较了4747种植物基因与植物病毒基种植物基因与植物病毒基因中翻译起始
18、位点附近的因中翻译起始位点附近的2323个核苷酸，除了一个核苷酸，除了一个基因例外，其余的都是从个基因例外，其余的都是从5 5端的第一个端的第一个AUGAUG作为翻译起始密码子作为翻译起始密码子的。例外的是菜豆的凝集的。例外的是菜豆的凝集素基因，它的转录本素基因，它的转录本5 5端有端有4 4个个AUGAUG，但彼此的，但彼此的读码框不同。可能由于前面读码框不同。可能由于前面3 3个个AUGAUG的旁邻顺序的旁邻顺序不适宜核糖体的识别而不被使用，第不适宜核糖体的识别而不被使用，第4 4个个AUGAUG才才是真正的翻译起始密码子。是真正的翻译起始密码子。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因
19、的结构及其表达调达调（2 2）关于编码区外显子中）关于编码区外显子中4 4种核苷酸的比种核苷酸的比例，例，MurrayMurray统计了统计了5454种单子叶植物基因与种单子叶植物基因与3 3种双子叶植物基因，总结出种双子叶植物基因，总结出单子叶植物单子叶植物基因的基因的AUAU含量为含量为5454，双子叶植物基因中双子叶植物基因中AUAU含量为含量为4343。主要的差别是发生在密码。主要的差别是发生在密码子的第子的第3 3个碱基上，双子叶植物基因对个碱基上，双子叶植物基因对A A、U U、C C、G 4G 4种碱基的选用机率基本相似，种碱基的选用机率基本相似，而单子叶植物基因则偏向于选择而单
20、子叶植物基因则偏向于选择A A与与U U。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调（3 3）像其他真核基因一样，植物基因的编码区）像其他真核基因一样，植物基因的编码区中也常有数目不等的内含子，而且中也常有数目不等的内含子，而且有些编码区有些编码区中的内含子也有增强基因表达的作用中的内含子也有增强基因表达的作用。（4 4）有些真核基因中的一个外显子正好对应此）有些真核基因中的一个外显子正好对应此基因所编码蛋白质中的一个结构域，因此有人基因所编码蛋白质中的一个结构域，因此有人推测在基因演化过程中，一个推测在基因演化过程中，一个内含子可能会带内含子可能会带着相邻的外显子在基因间
21、飘移，从而构成由不着相邻的外显子在基因间飘移，从而构成由不同结构域组成的不同蛋白质分子同结构域组成的不同蛋白质分子。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调这是指转录本中终止密码子后面的一段顺序，这段顺序中这是指转录本中终止密码子后面的一段顺序，这段顺序中也有一些调控元件，它们对也有一些调控元件，它们对mRNAmRNA的稳定性和翻译的效率均的稳定性和翻译的效率均起重要的调节作用。起重要的调节作用。（1 1）AngenonAngenon等分析了等分析了748748种植物基因中围绕终止密码子的种植物基因中围绕终止密码子的1818个核苷酸顺序，总结出所有个核苷酸顺序，总结出所有
22、3 3种已知的种已知的终止密码子终止密码子都能被都能被植物基因用作翻译终止讯号，但植物基因用作翻译终止讯号，但使用的比例则因植物的不使用的比例则因植物的不同而有差别同而有差别。单子叶植物基因使用。单子叶植物基因使用UGAUGA作为终止密码的占作为终止密码的占4646，UAAUAA与与UAGUAG的分别占的分别占2828与与2626，而双子叶植物首选，而双子叶植物首选UAAUAA占占4646，而用，而用UGAUGA与与UAGUAG的分别为的分别为3636与与1818，而，而琥珀密码琥珀密码子子UAGUAG选用的百分比最低选用的百分比最低。（2 2）在在mRNAmRNA末端有末端有1 1或或2 2
23、个加个加polyApolyA信号信号，多数植物基因均，多数植物基因均为为AAUAAAAAUAAA，有少数基因其中的个别核苷酸有不同。，有少数基因其中的个别核苷酸有不同。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 在植物的一个生命周期，即从种子胚到下一代种在植物的一个生命周期，即从种子胚到下一代种子胚的形成过程中，要经过许多不同的发育阶段子胚的形成过程中，要经过许多不同的发育阶段与形成许多不同的组织与器官。这些过程都是与与形成许多不同的组织与器官。这些过程都是与基因时空专一性表达密切相关的。同时，植物的基因时空专一性表达密切相关的。同时，植物的生长与发育也离不开光、温度等外界
24、环境，而干生长与发育也离不开光、温度等外界环境，而干旱、水涝、盐碱、甚至病虫害的侵袭等也会影响旱、水涝、盐碱、甚至病虫害的侵袭等也会影响植物的正常生长与发育。因此，弄清基因时空表植物的正常生长与发育。因此，弄清基因时空表达以及环境因素如何诱导基因表达的分子机理在达以及环境因素如何诱导基因表达的分子机理在理论上与实际应用上都有重要的意义。理论上与实际应用上都有重要的意义。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调2.1 2.1 器官与组织专一性表达的基因器官与组织专一性表达的基因2.2 2.2 受环境因素诱导而表达的基因受环境因素诱导而表达的基因2.3 2.3 基因表达的调节
25、机理基因表达的调节机理第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调 一般用于确定某个基因在何种组织中专一表达的方法有一般用于确定某个基因在何种组织中专一表达的方法有以下几种：以下几种：（1 1）以基因编码区中的一段顺序为探针，与从不同组织）以基因编码区中的一段顺序为探针，与从不同组织或器官中抽提出的总或器官中抽提出的总RNARNA进行进行NorthernNorthern杂交杂交。（2 2）将待测基因的启动子）将待测基因的启动子( (包括包括5 5远上游区远上游区)DNA)DNA与一种与一种报告基因的编码区及报告基因的编码区及3 3端终止区连接，端终止区连接，建成融合基因建成融
26、合基因，经转化植物并得到再生植株后，用组织化学或其他分析方经转化植物并得到再生植株后，用组织化学或其他分析方法，检测该报告基因在转化植株的何种组织与细胞中表达。法，检测该报告基因在转化植株的何种组织与细胞中表达。常用的报告基因有常用的报告基因有GUSGUS基因，基因，CATCAT基因与基因与LUSLUS基因等。基因等。（3 3）将基因所编码的蛋白制备出抗体，对植物的不同组）将基因所编码的蛋白制备出抗体，对植物的不同组织切片进行织切片进行免疫原位杂文免疫原位杂文。近年来用上述方法已初步确定。近年来用上述方法已初步确定了一些在不同植物的各种组织中专一性表达的基因，现各了一些在不同植物的各种组织中专
27、一性表达的基因，现各举一例介绍如下：举一例介绍如下：第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调（1 1）编码）编码RubiscoRubisco小亚基的小亚基的rbcSrbcS基因。主要在叶基因。主要在叶子的叶肉细胞、叶表面的保卫细胞，中脉与绿色子的叶肉细胞、叶表面的保卫细胞，中脉与绿色组织细胞中表达。组织细胞中表达。（2 2）编码富含羟基脯氨酸的糖蛋白的）编码富含羟基脯氨酸的糖蛋白的HRGPHRGP基因。基因。 此种糖蛋白是植物细胞壁的主要结构成分，有防此种糖蛋白是植物细胞壁的主要结构成分，有防御病菌感染的作用，主要在茎的栅状细胞、表皮御病菌感染的作用，主要在茎的栅状细胞、
28、表皮细胞与滴漏细胞中表达。细胞与滴漏细胞中表达。（3 3）编码）编码S S腺苷甲硫氨酸合成酶并参与多胺与腺苷甲硫氨酸合成酶并参与多胺与乙烯生物合成的乙烯生物合成的5 5Sam-1Sam-1基因。主要在维管组织基因。主要在维管组织的木质部、韧皮部，厚壁组织与根的皮层中表达。的木质部、韧皮部，厚壁组织与根的皮层中表达。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调(1)(1)P P2 2 基因。只在雄蕊的成熟花粉与花粉管中表基因。只在雄蕊的成熟花粉与花粉管中表达，它所编码的蛋白与聚半乳糖醛酶有同源性，达，它所编码的蛋白与聚半乳糖醛酶有同源性，推测此蛋白参与花粉管萌发与生长时的果胶解
29、聚推测此蛋白参与花粉管萌发与生长时的果胶解聚作用。作用。(2)(2)def def 基因。它是金鱼草中编码一种转录因子的基因。它是金鱼草中编码一种转录因子的基因，该基因发生突变后即造成金鱼草的雄性器基因，该基因发生突变后即造成金鱼草的雄性器官转换成不正常的雌性器官，它只在花器官的雄官转换成不正常的雌性器官，它只在花器官的雄蕊中表达。蕊中表达。(3)(3)PAL2 PAL2 基因。它编码苯丙氨酸解氨酶，参与花基因。它编码苯丙氨酸解氨酶，参与花色素的合成，只在花瓣中表达。色素的合成，只在花瓣中表达。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 (1) (1)编码大豆贮藏蛋白的的编
30、码大豆贮藏蛋白的的Gy4Gy4基因。基因。 它只在胚乳组织中表达。它只在胚乳组织中表达。 (2)O(2)O2 2基因。基因。它是玉米中编码一种转录因它是玉米中编码一种转录因子的基因，该因子调节玉米醇溶蛋白基因子的基因，该因子调节玉米醇溶蛋白基因的表达、的表达、O O2 2基因只在玉米的胚乳中表达。基因只在玉米的胚乳中表达。（奥帕克（奥帕克-2-2（OpaqueOpaque2 2），它是辛格尔），它是辛格尔顿（顿（SingletenSingleten）发现的）发现的 ）第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 (3) (3)编码禾谷类编码禾谷类-淀粉酶的淀粉酶的AmylAm
31、yl基因。基因。当种子当种子吸水后开始萌发时，该基因在糊粉层中表达。吸水后开始萌发时，该基因在糊粉层中表达。 除了上述几个例子外，近年来还鉴定出了一些除了上述几个例子外，近年来还鉴定出了一些专一在果实、块茎与根瘤中表达的基因，此处不一专一在果实、块茎与根瘤中表达的基因，此处不一一列举。但要指出的是：一列举。但要指出的是：许多组织专一性表达的许多组织专一性表达的基因，往往也是发育阶段专一性表达的基因。如一基因，往往也是发育阶段专一性表达的基因。如一些贮藏蛋白基因。些贮藏蛋白基因。有些外界因素会改变基因表达有些外界因素会改变基因表达的部位。如土豆的的部位。如土豆的Class patatin Cla
32、ss patatin 基因，它编基因，它编码土豆的贮藏蛋白，主要在块茎中表达，在叶与茎码土豆的贮藏蛋白，主要在块茎中表达，在叶与茎中不表达。但当块茎与腋生芽被除去后，该基因即中不表达。但当块茎与腋生芽被除去后，该基因即在茎与叶柄中表达。此外蔗糖也可诱导此基因在叶在茎与叶柄中表达。此外蔗糖也可诱导此基因在叶与茎中表达。与茎中表达。第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调 一些非生物性胁迫因素如高温、低温、一些非生物性胁迫因素如高温、低温、干旱、水涝、盐碱、重金属离子与创伤以干旱、水涝、盐碱、重金属离子与创伤以及一些生物性胁迫因素如致病菌的感染与及一些生物性胁迫因素如致病菌的
33、感染与根瘤菌的入侵等均能诱导植物基因的表达，根瘤菌的入侵等均能诱导植物基因的表达，在胁迫因素与基因表达之间有一个很复杂在胁迫因素与基因表达之间有一个很复杂的信号传导过程，这里只介绍几个受这些的信号传导过程，这里只介绍几个受这些因素诱导的基因的例子。因素诱导的基因的例子。第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调2.2.1 2.2.1 热休克蛋白热休克蛋白2.2.2 2.2.2 低温诱导的基因低温诱导的基因2.2.3 2.2.3 水涝诱导的基因水涝诱导的基因2.2.4 2.2.4 脱水诱导的基因脱水诱导的基因2.2.5 2.2.5 创伤诱导的基因创伤诱导的基因2.2.6 2.
34、2.6 病菌感染所诱导的基因病菌感染所诱导的基因第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 当在正常温度中生长的植物突然转到当在正常温度中生长的植物突然转到4040左右温度的环境中时、有一组称为热休克左右温度的环境中时、有一组称为热休克基因很快表达。这些基因所编码蛋白的基因很快表达。这些基因所编码蛋白的MrMr有有80-90kD80-90kD，65-75kD65-75kD与与15-30kD15-30kD等几种，一等几种，一些植物中的热休克基因已经被克隆，并鉴些植物中的热休克基因已经被克隆，并鉴定出了它们定出了它们5 5上游区中的一些调控元件，上游区中的一些调控元件，并同其他
35、生物热休克基因的调控元件在顺并同其他生物热休克基因的调控元件在顺序上有很高的同源性。序上有很高的同源性。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调有报道说将一些植物先在非冰冻的低温中有报道说将一些植物先在非冰冻的低温中暴露一些时候，再转到结冰的温度环境中暴露一些时候，再转到结冰的温度环境中时，它们就能在一段时间内耐受这种结冰时，它们就能在一段时间内耐受这种结冰的环境。研究表明在这种低温处理过程中的环境。研究表明在这种低温处理过程中植物合成了一些蛋白。植物合成了一些蛋白。KurkelaKurkela等从拟南芥等从拟南芥中克隆了冷诱导与中克隆了冷诱导与ABAABA诱导的基因，并
36、对它诱导的基因，并对它的特性进行了研究。玉米的特性进行了研究。玉米mlip 15mlip 15基因编码基因编码一个具有一个具有bZIPbZIP结构域的蛋白结构域的蛋白, ,低温、低温、ABAABA或或盐均能诱导该基因的表达。盐均能诱导该基因的表达。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调玉米的根部遭到水淹时。有些基因很快就玉米的根部遭到水淹时。有些基因很快就表达，这是植物对厌氧胁迫的一种应答与表达，这是植物对厌氧胁迫的一种应答与适应机制，在此种条件下表达的基因有醇适应机制，在此种条件下表达的基因有醇脱氢酶基因脱氢酶基因Adh 1Adh 1、Adh 2Adh 2，蔗糖合成酶
37、基，蔗糖合成酶基因，醛缩酶基因等。在因，醛缩酶基因等。在Adh 1Adh 1基出的基出的5 5上上游区鉴定出了与厌氧诱导有关的顺式作用游区鉴定出了与厌氧诱导有关的顺式作用元件以及有关的反式作用因子。元件以及有关的反式作用因子。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调已在很多植物中克隆出了由于脱水的胁迫而诱导已在很多植物中克隆出了由于脱水的胁迫而诱导的基因，如大麦与玉米中的的基因，如大麦与玉米中的dehydrindehydrin 基因、麦根基因、麦根中的中的WSP 23WSP 23 基因与拟南芥中具有跨膜通道结构蛋基因与拟南芥中具有跨膜通道结构蛋白的基因等。这些基因不但在植
38、物脱水时被诱导，白的基因等。这些基因不但在植物脱水时被诱导，也能被脱落酸也能被脱落酸(ABA)(ABA)所诱导，所诱导，TakahashiTakahashi等从水稻等从水稻中克隆了中克隆了Wsi 18Wsi 18 基因。水稻经基因。水稻经0.5 mol0.5 molL L-1-1甘露醇甘露醇处理处理30 min30 min后该基因即被诱导表达，但不被后该基因即被诱导表达，但不被ABAABA所所诱导。此基因的顺序与诱导。此基因的顺序与LEA4LEA4基因基因(late (late embryogenesisembryogenesisabundant gene)abundant gene)有部分同
39、源性。有部分同源性。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调当植物受到机械损伤或虫咬受伤后，一些当植物受到机械损伤或虫咬受伤后，一些基因往往被诱导表达。已从土豆中克隆出基因往往被诱导表达。已从土豆中克隆出了创伤诱导的蛋白酶抑制剂了创伤诱导的蛋白酶抑制剂基因与番茄基因与番茄中的中的extension extension 基因。土豆蛋白酶抑制剂基因。土豆蛋白酶抑制剂基因在正常条件下是在种子或块茎中表达基因在正常条件下是在种子或块茎中表达的，植物受伤后可在非储藏器官中表达。的，植物受伤后可在非储藏器官中表达。此种蛋白质性质的蛋白酶抑制剂能抑制多此种蛋白质性质的蛋白酶抑制剂能抑制
40、多种微生物或昆虫蛋白酶的活性，但很少抑种微生物或昆虫蛋白酶的活性，但很少抑制植物来源的蛋白酶的活性。制植物来源的蛋白酶的活性。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 病菌感染植物后，常会诱导一些被称病菌感染植物后，常会诱导一些被称为致病相关基因为致病相关基因(pathogenesis-related (pathogenesis-related gene)gene)的表达。其个有一些是编码水解酶的的表达。其个有一些是编码水解酶的基因，如几丁质酶基因、基因，如几丁质酶基因、-1,3-1,3-葡聚糖酶葡聚糖酶基因、以及参与木质素或抗真菌的基因、以及参与木质素或抗真菌的phyt
41、oalexinphytoalexin合成的如苯丙氨酸氨解酶基因合成的如苯丙氨酸氨解酶基因与与4-4-香豆酸香豆酸CoACoA连接酶基因。这些基因的连接酶基因。这些基因的调控元件已被鉴定，鉴定信号受体与研究调控元件已被鉴定，鉴定信号受体与研究信号传导途径是目前的一个研究热点。信号传导途径是目前的一个研究热点。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调基因的表达指基因在聚合酶基因的表达指基因在聚合酶的作用下转的作用下转录成前体录成前体RNARNA，前体，前体RNARNA经过加工产生经过加工产生mRNAmRNA，以及，以及mRNAmRNA翻译成多肽并折叠成有活性蛋翻译成多肽并折叠
42、成有活性蛋白质分子的过程白质分子的过程。上述过程的每一步骤都。上述过程的每一步骤都分别有许多包括蛋白质与蛋白质、蛋白质分别有许多包括蛋白质与蛋白质、蛋白质与与DNADNA、蛋白质与、蛋白质与RNARNA、DNADNA与与RNARNA之间的相之间的相互作用以及受到许多顺式作用元件与反式互作用以及受到许多顺式作用元件与反式作用因子精密的、级联式的调节。作用因子精密的、级联式的调节。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调2.3.1 2.3.1 转录水平上的调节转录水平上的调节2.3.2 2.3.2 转录后的加工转录后的加工2.3.3 2.3.3 翻译水平上的调节翻译水平上的调
43、节第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调2.3.1.1 2.3.1.1 染色质的结构与转录染色质的结构与转录2.3.1.2 DNA2.3.1.2 DNA甲基化甲基化2.3.1.3 2.3.1.3 转录起始复合物转录起始复合物2.3.1.4 2.3.1.4 顺式作用元件顺式作用元件2.3.1.5 2.3.1.5 反式作用因子反式作用因子第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调染色质由染色质由DNADNA与组蛋白组装而成，其最简单与组蛋白组装而成，其最简单的样式是核小体。核小体的核心是由二个的样式是核小体。核小体的核心是由二个相同的拷贝相同的拷贝( (
44、每个拷贝中包含组蛋白每个拷贝中包含组蛋白H H2 2A A，H H2 2B B，H H3 3与与H H4 4) )组成的八聚体。组成的八聚体。DNADNA分子缠绕分子缠绕在组蛋白核心上每个组蛋白核心上绕有在组蛋白核心上每个组蛋白核心上绕有二圈二圈DNADNA分子，约长分子，约长l46bpl46bp。第。第5 5种组蛋白种组蛋白H H1 1结合在核小体两端的结合在核小体两端的DNADNA分子上，使链珠状分子上，使链珠状的染色质变成在体积上进一步压缩了的线的染色质变成在体积上进一步压缩了的线圈状的染色质。圈状的染色质。 第一章植物基因的结构及其表达调第一章植物基因的结构及其表达调第一章第一章 植物
45、基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调在某种基因将被转录之前，该基因所在的一段染在某种基因将被转录之前，该基因所在的一段染色质的压缩结构会松散与展开。这就可以用色质的压缩结构会松散与展开。这就可以用DNaseDNase处理细胞核，然后以该基因的处理细胞核，然后以该基因的DNADNA片段作探针与从片段作探针与从核中抽提出的总核中抽提出的总DNADNA，经限制性内切酶切成一定长，经限制性内切酶切成一定长的片段后进行的片段后进行southernsouthern杂交来检测。将要被转录杂交来检测。将要被转录的基因的所在区域由于染色质的压缩结构已展开，的基因的所在区域由于染色质的压缩结构已展开，故能
46、被故能被DNaseDNase消化。消化。SouthernSouthern杂交结果为阴性。在杂交结果为阴性。在该基因不被转录的组织中染色质仍维持压缩状该基因不被转录的组织中染色质仍维持压缩状态。态。DNaseDNase酶不能水解酶不能水解DNADNA，杂交结果则为阳性。，杂交结果则为阳性。第一章植物基因的结构及其表达调第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调最近有人从酵母中鉴定出一个由多种蛋白亚基组最近有人从酵母中鉴定出一个由多种蛋白亚基组成的成的SWISWISNFSNF复合体，其中包括复合体，其中包括SWI 1SWI 1（ADR6ADR6），），SWI 2SWI 2（SN
47、F 2SNF 2），），SWI3SWI3，SNF 5SNF 5与与SNF 6 SNF 6 等等 5 5 个个基因编码的蛋白质。由于此复合物中的基因编码的蛋白质。由于此复合物中的SWI2SWI2蛋白蛋白与与ATPaseATPase以及以及helicasehelicase分子中有相似的形状，因分子中有相似的形状，因此有人推测此复合物可能与核小体此有人推测此复合物可能与核小体DNADNA相互作用，相互作用，并利用并利用ATPATP水解所产生的能量来改变水解所产生的能量来改变DNADNA组蛋白组蛋白的相互作用，并使的相互作用，并使1 1个或个或2 2个个H2AH2AH2BH2B二聚体从三二聚体从三元复
48、合体中丢失，以使基因得以转录元复合体中丢失，以使基因得以转录 第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调包括植物在内，在所研究过的许多生物中，包括植物在内，在所研究过的许多生物中，DNADNA的的胞嘧啶碱基，特别是胞嘧啶碱基，特别是CpGCpG顺序上胞嘧啶分子中第顺序上胞嘧啶分子中第5 5位点常被甲基化。在脊椎动物位点常被甲基化。在脊椎动物DNADNA上的胞嘧啶有上的胞嘧啶有3 36 6被甲基化，而在维管植物被甲基化，而在维管植物DNADNA中，约有中，约有1 13 3 胞嘧啶是被甲基化了的。对许多基因来说，被胞嘧啶是被甲基化了的。对许多基因来说，被甲基化了的甲基化了的Cp
49、GCpG主要位于主要位于5 5上游调控区内。有人上游调控区内。有人推测，由于推测，由于CpGCpG上的上的C C被甲基化使被甲基化使DNADNA的大沟上产的大沟上产生了一个突起。因此局部地改变了转录因子所识生了一个突起。因此局部地改变了转录因子所识别的信号，并妨碍转录因子与顺式作用元件的结别的信号，并妨碍转录因子与顺式作用元件的结合而影响基因的转录。合而影响基因的转录。 第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调用豌豆、小麦、大豆与花椰菜为材料所做的研究用豌豆、小麦、大豆与花椰菜为材料所做的研究表明。顺式作用元件上的胞嘧啶被甲基化后在体表明。顺式作用元件上的胞嘧啶被甲基化后
50、在体外即不能被转录因子所结合。有一些在特定发育外即不能被转录因子所结合。有一些在特定发育阶段才表达的基因，在未表达时，其阶段才表达的基因，在未表达时，其5 5上游的上游的CpGCpG是被甲基化的。当达到发育阶段时，是被甲基化的。当达到发育阶段时，CpGCpG上的上的甲基会被去掉，基因即能表达。这表明甲基化与甲基会被去掉，基因即能表达。这表明甲基化与去甲基化是被某种因素调节的。也有报道指出，去甲基化是被某种因素调节的。也有报道指出，核小体中的核小体中的H H1 1组蛋白在体外优先结合在被甲基化组蛋白在体外优先结合在被甲基化的的DNADNA上，这样会更有效地阻遏基因的转录上，这样会更有效地阻遏基因
51、的转录 第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调RNARNA聚合酶聚合酶(Pol)(Pol)虽然能以小牛胸腺虽然能以小牛胸腺DNADNA为模板合成多聚核糖核苷酸分子。但它不为模板合成多聚核糖核苷酸分子。但它不能在体外对启动子有选择性的起始转录，能在体外对启动子有选择性的起始转录，这表明除了这表明除了PolPol外，还有其他因子参与有外，还有其他因子参与有选择性的转录起始。选择性的转录起始。 第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调通过层析分离法从酵母等细胞中逐步分离与鉴定出了被称通过层析分离法从酵母等细胞中逐步分离与鉴定出了被称为通用转录因子为通用转
52、录因子(general transcription factors, (general transcription factors, GTFs)GTFs)中的中的8 8种蛋白，它们是种蛋白，它们是TFATFA、BB、DD、EE、FF、HH、II与与JJ。这些。这些GTFsGTFs能与能与PolPol有序地在基因的启动有序地在基因的启动子上组装，以形成在体外能使基因起始转录的起始复合物。子上组装，以形成在体外能使基因起始转录的起始复合物。其中其中TFDTFD与与 TBPTBP蛋白、蛋白、TAFsTAFs（与（与 TBPTBP蛋白相联合的因子）蛋白相联合的因子）一起形成一个多亚基复合物，结合在一起
53、形成一个多亚基复合物，结合在TATAboxTATAbox上；上；TFBTFB是是作为作为 PolPol与结合在启动子与结合在启动子TATA boxTATA box上上TBPTBP蛋白的桥梁，蛋白的桥梁，起转录起始位点的选择作用；起转录起始位点的选择作用；TFFTFF结合在结合在PolPol上，对上，对PolPol所转录出的转录本有激活其延伸的作用；所转录出的转录本有激活其延伸的作用；TFHTFH具有具有依赖于依赖于DNADNA的的ATPaseATPase的活力与的活力与 DNA DNA 解旋酶的活力。解旋酶的活力。第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调另外，当起始复合物
54、形成时，结合在增强子元件另外，当起始复合物形成时，结合在增强子元件上的转录因子会与上的转录因子会与TFDTFD蛋白相互作用，以增强蛋白相互作用，以增强PolPol转录基因的速率；转录基因的速率；SRBSRB多肽是多肽是RNARNA聚合酶聚合酶B B的的抑制蛋白，它能刺激基础转录与被活化了的转录。抑制蛋白，它能刺激基础转录与被活化了的转录。最近发现最近发现PolPol分子中羧基端结构域（分子中羧基端结构域（CTDCTD）在转）在转录起始中也发挥着重要的作用，录起始中也发挥着重要的作用，SRBSRB多肽、多肽、GTFsGTFs以以及一些尚未鉴定清楚的蛋白因子都通过及一些尚未鉴定清楚的蛋白因子都通过
55、CTDCTD被锚锭被锚锭在在PolPol分子上。分子上。PolPol的的CTDCTD在有些条件下被磷酸在有些条件下被磷酸化，推测磷酸化后的化，推测磷酸化后的CTDCTD可以使可以使 PolPol与起始复合与起始复合物中的其他成分解离而离开启动子，因此物中的其他成分解离而离开启动子，因此CTDCTD的磷的磷酸化也在转录起始过程中起着控制与调节的作用。酸化也在转录起始过程中起着控制与调节的作用。第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调顺式作用元件是指基因顺式作用元件是指基因5 5端上游区中那些端上游区中那些与基因表达调控有关的一些顺序。除一般与基因表达调控有关的一些顺序。除一
56、般基因都有的基因都有的TATA boxTATA box与与 CAAT boxCAAT box外，在远外，在远上游还有一些重要的调控元件，由于这些上游还有一些重要的调控元件，由于这些顺序均与基因处于顺式位置，即在同一条顺序均与基因处于顺式位置，即在同一条DNADNA链上，故冠以顺式之名以与不一定处链上，故冠以顺式之名以与不一定处于同一条于同一条DNADNA上编码转录因子的反式作用因上编码转录因子的反式作用因子的基因相区别。子的基因相区别。 第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调鉴定出顺式作用元件是研究基因表达调控中很重鉴定出顺式作用元件是研究基因表达调控中很重要的第一步。
57、通常所用的方法是将从转录起始点要的第一步。通常所用的方法是将从转录起始点开始的开始的5 5上游区一定长度的上游区一定长度的DNADNA片段与报告基因片段与报告基因编码区及编码区及3 3端区相连接，构建成融合基因，然后端区相连接，构建成融合基因，然后用用ExoExo外切核酸酶从外切核酸酶从5 5上游区逐步向上游区逐步向3 3端消化，端消化，得到得到5 5各有不同缺失长度的融合基因。通过转化各有不同缺失长度的融合基因。通过转化植物再生出含有上述不同缺失长度融合基因突变植物再生出含有上述不同缺失长度融合基因突变体的植株，用组织化学方法或其他方法，分析基体的植株，用组织化学方法或其他方法，分析基因的因
58、的5 5上游区缺失到什么部位就不能使报告基因上游区缺失到什么部位就不能使报告基因表达，或失去正确的时空表达专一性，或失去对表达，或失去正确的时空表达专一性，或失去对外界因素胁迫的应答能力。外界因素胁迫的应答能力。 第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调找到调控元件存在的区域后，可从区域的找到调控元件存在的区域后，可从区域的5 5端作进端作进一步小范围的缺失突变，或从该区段中间的不同部位一步小范围的缺失突变，或从该区段中间的不同部位造成缺失突变，进一步找出调控元件存在的准确位点。造成缺失突变，进一步找出调控元件存在的准确位点。然后可人工合成此位点内的核苷酸顺序，或将此顺序
59、然后可人工合成此位点内的核苷酸顺序，或将此顺序中的个别核苷酸调换，或将这段顺序与突变后的顺序中的个别核苷酸调换，或将这段顺序与突变后的顺序分别连接在基础启动子上游，以检测它们是否能调节分别连接在基础启动子上游，以检测它们是否能调节报告基因的表达。此外还可用此段顺序与细胞中的核报告基因的表达。此外还可用此段顺序与细胞中的核蛋白作体外结合试验，或进行足印分析试验，以弄清蛋白作体外结合试验，或进行足印分析试验，以弄清足印所显示的顺序是否与用上法所鉴定出的顺序相同。足印所显示的顺序是否与用上法所鉴定出的顺序相同。当然也可先用足印分析来确定核蛋白结合的核苷酸顺当然也可先用足印分析来确定核蛋白结合的核苷酸
60、顺序。下面介绍一些在植物基因序。下面介绍一些在植物基因5 5上游区中鉴定出的上游区中鉴定出的几种顺式作用元件。几种顺式作用元件。 第一章第一章 植物基因的结构及其植物基因的结构及其表达调表达调（1 1）应答光的元件）应答光的元件 （3 3个）个）（2 2）应答激素的元件（）应答激素的元件（4 4个）个）第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调从豌豆从豌豆 rbsSrbsS3A3A基因（受光诱导表达）启动子基因（受光诱导表达）启动子5 5上游区鉴定出上游区鉴定出 BoxBox（GTGTGGTTAATATGGTGTGGTTAATATG）与）与BoxBox（AAACTTTATC
61、ATTTAAACTTTATCATTT）。由于从烟草中分离出）。由于从烟草中分离出的反式作用因子的反式作用因子GTGTlala或或B2FB2F可以结合在此元件上，可以结合在此元件上，因此也称此元件为因此也称此元件为GTGT1 1结合位点。如果将结合位点。如果将BoxBox中的某些核苷酸进行突变，中的某些核苷酸进行突变，GTGT1 1蛋白在体外试验蛋白在体外试验中即不能再结合在突变了的中即不能再结合在突变了的 BoxBox上。因此突变上。因此突变了的了的 BoxBox启动子，在体内也不再有使基因转录启动子，在体内也不再有使基因转录的作用。的作用。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及
62、其表达调达调从番茄的从番茄的rbsSrbsS3A 3A 基因启动子基因启动子5 5上游上游区中还鉴定出区中还鉴定出G Gboxbox（CCACGTGGCCACGTGG）。现在）。现在知道很多植物基因启动子的上游区中都存知道很多植物基因启动子的上游区中都存在在G Gboxbox或类似或类似G Gbox box 的元件的元件, ,这些元件这些元件对多种外界环境信号有应答作用，拟南芥对多种外界环境信号有应答作用，拟南芥中的转录因子中的转录因子GBF1GBF13 3能结合在此元件上。能结合在此元件上。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调从一些单子叶与双子叶植物受光调节基因的
63、启从一些单子叶与双子叶植物受光调节基因的启动子上游区中鉴定出动子上游区中鉴定出I Iboxbox（ATGATAAGGATGATAAGG），并证），并证明此元件对基因的受光调是很重要的的。但在一明此元件对基因的受光调是很重要的的。但在一些非光调基因的启动子上游如些非光调基因的启动子上游如TaMV 35STaMV 35S启动子上启动子上游区中也鉴定出含游区中也鉴定出含GATA motif GATA motif 的顺序。的顺序。有人在讨论近年来对光调元件研究所取得的成果有人在讨论近年来对光调元件研究所取得的成果时认为，虽然在许多光调基因的启动子上游区找时认为，虽然在许多光调基因的启动子上游区找到了一
64、些顺式作用元件，或在不同的基因中找到到了一些顺式作用元件，或在不同的基因中找到了相似的元件，但至今还没有发现一个可通用的了相似的元件，但至今还没有发现一个可通用的光调总开关，对受光诱导的基因来说，光调总开关，对受光诱导的基因来说，5 5上游区上游区中的许多元件都是很重要的。中的许多元件都是很重要的。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调应答应答ABAABA的元件：植物中已知有的元件：植物中已知有100100多种基因可被外多种基因可被外源的源的ABAABA所诱导表达，其中大部分是在种子发育后期所诱导表达，其中大部分是在种子发育后期表达的某因，或者是受外界环境因素胁迫时在营
65、养组表达的某因，或者是受外界环境因素胁迫时在营养组织中表达的基因。织中表达的基因。已鉴定出的能应签已鉴定出的能应签ABAABA的顺式作用元件有小麦的顺式作用元件有小麦EmEm基因基因启动子上游区中的启动子上游区中的Em1 A Em1 A 元件元件(GGA(GGACACGTGCACGTGGC)GC)，与从，与从水稻水稻rab 16Arab 16A基因启动子下游鉴定出的基因启动子下游鉴定出的motif Imotif I元件元件（CCGCCGTACGTTACGTGGCGCGGCGC），以及从其他基因中找到的相似），以及从其他基因中找到的相似的元件。这些元件中都包含了的元件。这些元件中都包含了G Gb
66、ox box 中的核心顺序中的核心顺序(CACGTG)(CACGTG)。但是在不同的元件中，核心顺序两边的顺。但是在不同的元件中，核心顺序两边的顺序则不完全相同，因此与之结合的反式作用因子的结序则不完全相同，因此与之结合的反式作用因子的结构与功能也不会完全相同。构与功能也不会完全相同。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调应答应答GAGA3 3的元件：的元件：淀粉酶基因是受赤霉素（淀粉酶基因是受赤霉素（GAGA3 3）诱）诱导而表达的。在大麦导而表达的。在大麦Amy 6Amy 64 4 基因启动子的上游找基因启动子的上游找到到6 6 个串联重复的个串联重复的 GARE
67、GARE元件（元件（GGCCGATAACAAACTCCGGCCGGCCGATAACAAACTCCGGCC），），GAGA3 3存在时它可使启动子驱动基因的表达。另外又在存在时它可使启动子驱动基因的表达。另外又在AMY AMY 32b32b基因启动子上游找到基因启动子上游找到3 3个功能相互独立而又密切相关的个功能相互独立而又密切相关的顺序顺序(TAACAGAGTCTGG), (TAACAGAGTCTGG), （GATGATGGTCAAGGATGATGGTCAAG）与（）与（CCTTTCCTTT）、）、后后2 2种顺序形成一个与胚乳（种顺序形成一个与胚乳（endospermendosperm）b
68、oxbox有很高同源有很高同源性的元件、而性的元件、而3 3种顺序一起则组成了一个对种顺序一起则组成了一个对GAGA3 3有应答功能有应答功能的复合元件或偶联元件。后来又在大麦的的复合元件或偶联元件。后来又在大麦的AmypHV19AmypHV19基基因的启动子上游找到一个因的启动子上游找到一个(TAACAAA)(TAACAAA)元件。元件。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调应答生长素的元件：已克隆了一些受生应答生长素的元件：已克隆了一些受生长素诱导而表达的基因，如豌豆中长素诱导而表达的基因，如豌豆中PSIAA4/5PSIAA4/5基因，它的启动子上游鉴定出基因，它
69、的启动子上游鉴定出(T/G) GTCCCAT(T/G) GTCCCAT与（与（C CA A）ACATGG(C/A)ACATGG(C/A)（A/G)TGTA/G)TGT（T/CT/C）（）（T/CT/C）（C/AC/A）二种顺序，前者有应答生长素的作）二种顺序，前者有应答生长素的作用，后者有增强基因表达的功能。用，后者有增强基因表达的功能。 能应答能应答生长素的还有大豆的生长素的还有大豆的GmAux 28GmAux 28基因。其基因。其5 5上游有上游有TCCACGTGTC TCCACGTGTC 元件与大豆中的元件与大豆中的SGBFSSGBFS基因。基因。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物
70、基因的结构及其表达调达调应答乙烯的元件：在病原相关蛋白基因应答乙烯的元件：在病原相关蛋白基因PRBPRB1616的启动子上游区鉴定出的启动子上游区鉴定出TAAGAGCCGCCTAAGAGCCGCC与与GTGACATGTGACAT二种顺序，前者与二种顺序，前者与菜豆几丁质酶基因中应答乙稀的元件有部菜豆几丁质酶基因中应答乙稀的元件有部分的同源性。分的同源性。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调在基因转录中，除了转录起始复合物之外，还有在基因转录中，除了转录起始复合物之外，还有许多核蛋白起着重要的调节作用，它们与相应的许多核蛋白起着重要的调节作用，它们与相应的顺式作用元件相
71、互作用以增强或阻遏基因的表达，顺式作用元件相互作用以增强或阻遏基因的表达，或者决定着基因表达的组织与发育阶段专一性。或者决定着基因表达的组织与发育阶段专一性。这类核蛋白除了称作反式作用因子之外，又叫做这类核蛋白除了称作反式作用因子之外，又叫做转录因子。转录因子可被磷酸化与去磷酸化，磷转录因子。转录因子可被磷酸化与去磷酸化，磷酸化的状态不但调节着转录因子留在细胞核中还酸化的状态不但调节着转录因子留在细胞核中还是进入细胞质内，同时还表明它们与信号传导系是进入细胞质内，同时还表明它们与信号传导系统有着紧密的联系。下面介绍几组研究得比较深统有着紧密的联系。下面介绍几组研究得比较深入的植物转录因子入的植
72、物转录因子 。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调（1 1）含）含bZIPbZIP结构域的转录因子结构域的转录因子（2 2）含）含homeohomeo结构域的转录因子结构域的转录因子 （3 3）含锌结合（或称锌指纹）结构的转录因子含锌结合（或称锌指纹）结构的转录因子 （4 4）含）含 MADS MADS 顺序的转录因子顺序的转录因子 （5 5）与）与Myb Myb 或或 MyCMyC蛋白同源的转录因子蛋白同源的转录因子 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调bZIPbZIP中的中的b b是代表蛋白分子中有一段由很多是代表蛋白分子中有一段由很多碱
73、性氨基酸组成的结构域，这可能是蛋白碱性氨基酸组成的结构域，这可能是蛋白分子与分子与DNADNA结合的区域，结合的区域，ZIPZIP指蛋白分子中指蛋白分子中的亮氨酸拉链结构域，此段结构在蛋白分的亮氨酸拉链结构域，此段结构在蛋白分子中促使二个（同源的或异源的）亚基形子中促使二个（同源的或异源的）亚基形成二聚体。只有当单体形成二聚体后它才成二聚体。只有当单体形成二聚体后它才能与能与DNADNA结合。结合。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调到目前为止发现最多的植物转录因子是含到目前为止发现最多的植物转录因子是含有有bZIPbZIP结构域的蛋白分子，如玉米中调节结构域的蛋白
74、分子，如玉米中调节22 kD22 kD与与32 kD32 kD醇溶蛋白基因的醇溶蛋白基因的O O2 2蛋白，小麦蛋白，小麦中调节中调节EmEm基因的基因的EmBPEmBP1 1蛋白，欧芹中调节蛋白，欧芹中调节CHSCHS基因的基因的CPRF1CPRF1，CPRF2CPRF2，CPRF3CPRF3蛋白等。蛋白等。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调亮氨酸拉链有二十几个氨基酸残基，其中每隔亮氨酸拉链有二十几个氨基酸残基，其中每隔6 6个个氨基酸即到第氨基酸即到第7 7个氨基酸便是亮氨酸，肽链形成螺个氨基酸便是亮氨酸，肽链形成螺旋状，每个螺旋约含旋状，每个螺旋约含3.53
75、.5个氨基酸，疏水的亮氨酸个氨基酸，疏水的亮氨酸都排列在同一个面上，带电荷的氨基酸则处在另都排列在同一个面上，带电荷的氨基酸则处在另一面，使螺旋具有二性的特点。推测在形成二聚一面，使螺旋具有二性的特点。推测在形成二聚体时，一个单体中此区域的几个亮氨酸与另一个体时，一个单体中此区域的几个亮氨酸与另一个单体中此区域中的几个亮氨酸彼此交替排列，形单体中此区域中的几个亮氨酸彼此交替排列，形如拉链。如拉链。bZIPbZIP蛋白中还有一段酸性氨基酸富集的区域或脯蛋白中还有一段酸性氨基酸富集的区域或脯氨酸富集的区域，起着活化基因转录的作用。氨酸富集的区域，起着活化基因转录的作用。 第一章第一章 植物基因的结
76、构及其表植物基因的结构及其表达调达调含含bZIPbZIP结构的转录因子都结合在启动子结构的转录因子都结合在启动子5 5上游区中以上游区中以ACGTACGT为核心的顺式作用元件上，如为核心的顺式作用元件上，如CACGTGCACGTG（G BoxG Box）、）、GACGTCGACGTC（C BoxC Box）与）与TACGTATACGTA（A BoxA Box）等，一些光诱导表达）等，一些光诱导表达的基因与的基因与ABAABA诱导表达的基因的诱导表达的基因的5 5上游区都含有这些元件。上游区都含有这些元件。这些元件两边顺序在蛋白结合中也起作用。这些元件两边顺序在蛋白结合中也起作用。bZIPbZI
77、P蛋白是一蛋白是一个大的基因家族，因此不同顺式作用元件之间的细微差别个大的基因家族，因此不同顺式作用元件之间的细微差别与不同与不同bZIPbZIP蛋白分子之间的细微差别决定了它们相互作用蛋白分子之间的细微差别决定了它们相互作用时亲和力的细微差别，这可能是时亲和力的细微差别，这可能是bZIPbZIP转录因子对不同基因转录因子对不同基因的表达有精细调控能力的原因。一些资料表明，有些异源的表达有精细调控能力的原因。一些资料表明，有些异源二聚体中的一个亚基缺失了具有活化基因表达功能的区域，二聚体中的一个亚基缺失了具有活化基因表达功能的区域，这种异源二聚体蛋白虽然仍能与原来的顺式作用元件结合，这种异源二
78、聚体蛋白虽然仍能与原来的顺式作用元件结合，但不能活化基因表达，由于占据着结合位点，实际上起着但不能活化基因表达，由于占据着结合位点，实际上起着阻遏基因表达的作用。阻遏基因表达的作用。 第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调HomeoHomeobox box 最早从控制果蝇发育的一些基因中鉴定出来的，最早从控制果蝇发育的一些基因中鉴定出来的，homeohomeo结构域含有结构域含有6060个氨基酸，蛋白的三级结构分析指出此区域个氨基酸，蛋白的三级结构分析指出此区域的立体结构是螺旋转角螺旋。玉米中参与叶细胞分化的的立体结构是螺旋转角螺旋。玉米中参与叶细胞分化的kn kn 1
79、 1 蛋白是一个转录因子，此蛋白中也含有蛋白是一个转录因子，此蛋白中也含有homeohomeo结构域，即也有结构域，即也有一般同源异形结构域中最保守的一般同源异形结构域中最保守的8 8个位置上的氨基酸残基中的个位置上的氨基酸残基中的6 6个，还含有果蝇个，还含有果蝇homeohomeo结构域中螺旋结构域中螺旋内内4 4个不变的氨基酸残基。个不变的氨基酸残基。后来又从玉米中分离到另外后来又从玉米中分离到另外2 2个具有个具有homeohomeo结构域的蛋白结构域的蛋白ZMH1ZMH1与与ZMH2ZMH2。最近有报道，从水稻中也克隆到合。最近有报道，从水稻中也克隆到合homeohomeoboxbo
80、x的基因。的基因。另外在拟南芥中克隆到另外在拟南芥中克隆到AthbAthb1 1与与AthbAthb2 2基因，它们所编码的基因，它们所编码的蛋白中，除了蛋白中，除了homeohomeo结构域，尚有结构域，尚有bZIPbZIP结构域，推测这二因子可结构域，推测这二因子可能参与植物发育与外界环境因素（如光信号）相偶联的某一途能参与植物发育与外界环境因素（如光信号）相偶联的某一途径的调节。径的调节。第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调双子叶植物在暗中生长时，黄化苗的下胚轴长得双子叶植物在暗中生长时，黄化苗的下胚轴长得很长，比在光中生长的幼苗的下胚轴长出很长，比在光中生长的
81、幼苗的下胚轴长出1010倍以倍以上，顶端为未发育好即小而未打开的钩状子叶。上，顶端为未发育好即小而未打开的钩状子叶。而在光中生长的绿色幼苗，其下胚轴较短，顶端而在光中生长的绿色幼苗，其下胚轴较短，顶端的子叶较长而且打开，并含有叶绿体。最近有人的子叶较长而且打开，并含有叶绿体。最近有人用用T TDNADNA插人突变方法从拟南芥中分离到一株突插人突变方法从拟南芥中分离到一株突变体，它在暗中生长的幼苗形态和细胞分化情况变体，它在暗中生长的幼苗形态和细胞分化情况与野生型在光照中生长时的幼苗形态和细胞分化与野生型在光照中生长时的幼苗形态和细胞分化情况相似。情况相似。 第一章第一章 植物基因的结构及其表达
82、调植物基因的结构及其表达调研究者从此突变株中克隆到引起上述变化的突变基因，研究者从此突变株中克隆到引起上述变化的突变基因，它的野生型基因编码一个转录因子它的野生型基因编码一个转录因子Cop1Cop1，此因子参与，此因子参与拟南芥的光形态建成。拟南芥的光形态建成。Cop1Cop1蛋白共有蛋白共有658658个氨基酸，个氨基酸，第第455455到到494494位氨基酸顺序与已报道的含与位氨基酸顺序与已报道的含与ZnZn2+2+结合结结合结构域的其他生物的转录因子有高度的同源性，在此区构域的其他生物的转录因子有高度的同源性，在此区域中，域中，7 7个半胱氨酸与个半胱氨酸与1 1个组氨酸的位置是保守的
83、，它个组氨酸的位置是保守的，它们可能是与们可能是与ZnZn2+2+ 结合的位置，附近还有结合的位置，附近还有4 4个保守的氨个保守的氨基酸包括基酸包括2 2个异亮氨酸，个异亮氨酸，1 1个苯丙氨酸与一个脯氨酸个苯丙氨酸与一个脯氨酸（C CX2X2C CX15X15C CX2X2C C，其中，其中C C代表半胱氨酸，代表半胱氨酸，X X代表其他氨基酸）。代表其他氨基酸）。 第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调在拟南芥与矮牵牛中也克隆到编码有锌结在拟南芥与矮牵牛中也克隆到编码有锌结合结构的转录因子基因合结构的转录因子基因3AF13AF1与与EPFEPF1 1 促进促进拟南
84、芥花发育的拟南芥花发育的constansconstans基因（基因（COCO）也是也是编码一个转录因子，此蛋白中含有二个锌编码一个转录因子，此蛋白中含有二个锌指纹结构域（指纹结构域（C CX2X2C CX16X16C CX2X2C C）。另外矮牵牛中）。另外矮牵牛中EPF1EPF1也是一个转录因子，也是一个转录因子，它的锌指纹结构域为（它的锌指纹结构域为（C2C2X2X2F FX5X5L LX2X2H HX3X3H H，其中，其中F F为苯丙氨酸，为苯丙氨酸，L L为为亮氨酸，亮氨酸，H H为组氨酸。为组氨酸。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调这是一类参与花发育的
85、转录因子，最早是从金鱼草中克隆这是一类参与花发育的转录因子，最早是从金鱼草中克隆到的，叫做到的，叫做DEFADEFA基因，以后又从拟南芥中克隆到基因，以后又从拟南芥中克隆到AgAg基因，基因，近来又有人利用同源顺序作探针，从水稻等其它植物中克近来又有人利用同源顺序作探针，从水稻等其它植物中克隆到这类基因。由于这类蛋白与人类的隆到这类基因。由于这类蛋白与人类的SRFSRF蛋白以及酵母蛋白以及酵母的的MCMIMCMI蛋自上与蛋自上与DNADNA结合的顺序有很高的同源性，因此研结合的顺序有很高的同源性，因此研究者将究者将MCMIMCMI，AGAG，DEFADEFA与与SRFSRF几个缩写字母的第一个
86、字母几个缩写字母的第一个字母合并成合并成MADSMADS来表示这类蛋白的共同结构特点。来表示这类蛋白的共同结构特点。MADS boxMADS box是是由由 6060个氨基酸组成，其中个氨基酸组成，其中1919个氨基酸在已知的个氨基酸在已知的 2222个具有个具有MADSMADS结构蛋白中是保守的，它们位于结构蛋白中是保守的，它们位于MADS box N MADS box N 端的端的2/32/3处，而处，而C C末端的顺序则变化较大。推测末端的顺序则变化较大。推测 N N 端的碱性氨基酸端的碱性氨基酸区域是与区域是与 DNA DNA 结合的部位，结合的部位，C C 端的氨基酸区域决定与端的氨
87、基酸区域决定与 DNADNA结合的亲和力，此蛋白可能也以二聚体形式结合在结合的亲和力，此蛋白可能也以二聚体形式结合在 DNADNA上。上。 第一章第一章 植物基因的结构及其表达调植物基因的结构及其表达调有二组参与玉米籽粒花青素合成的转录因有二组参与玉米籽粒花青素合成的转录因子，一组是子，一组是ClCl蛋白与蛋白与P1 P1 蛋白，它们与动物蛋白，它们与动物的的Myb Myb 原癌蛋白有原癌蛋白有4040同源性。另一组是同源性。另一组是R R，B B与与LcLc蛋白，它们与蛋白，它们与MycMyc原癌蛋白有同源原癌蛋白有同源性，这一类蛋白的性，这一类蛋白的C C端有一段含酸性氨基酸端有一段含酸性
88、氨基酸的区域，在转录中起活化的作用，它们也的区域，在转录中起活化的作用，它们也可能以二聚林的形式与可能以二聚林的形式与DNADNA结合。结合。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调编码蛋白质的核基因经编码蛋白质的核基因经RNA RNA 聚合酶聚合酶作用作用后，转录成前体后，转录成前体RNARNA，其，其5 5端接着要经过端接着要经过加帽（加帽（m m7 7G G）与）与3 3端加上端加上polyApolyA尾巴，同时尾巴，同时要将内含子剪接掉要将内含子剪接掉，以形成成熟的，以形成成熟的mRNA mRNA 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调内
89、含子的剪接是由剪接体参与下，经过二个转酯内含子的剪接是由剪接体参与下，经过二个转酯反应来完成的。在第一个反应中，外显子反应来完成的。在第一个反应中，外显子1 1与内含与内含子之间的磷酸二酯键被内含子中称为分支点顺序子之间的磷酸二酯键被内含子中称为分支点顺序上腺嘌呤核苷酸的上腺嘌呤核苷酸的2 2羟基所割开，同时内含子中羟基所割开，同时内含子中5 5端与分支点上的腺嘌呤核苷酸连接，形成新的端与分支点上的腺嘌呤核苷酸连接，形成新的2 25 5磷酸二酯键。这样就产生了磷酸二酯键。这样就产生了2 2个个RNARNA中间中间体分子，一个是有外显子体分子，一个是有外显子1 1 的的RNARNA，另一个是外显
90、，另一个是外显子子2 2与套素状的内合子。在第二个反应中内含子的与套素状的内合子。在第二个反应中内含子的3 3端剪接位点被外显子端剪接位点被外显子1 1的的3 3羟基切开，二个外羟基切开，二个外显子连在一起形成成熟的显子连在一起形成成熟的mRNAmRNA与另一个游离的套与另一个游离的套索状内含子，后者即被剪断索状内含子，后者即被剪断 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调剪接体的结构非常复杂，由多种小分子的核糖核剪接体的结构非常复杂，由多种小分子的核糖核蛋白颗粒（蛋白颗粒（snRNPssnRNPs，U1U1，U2U2，U5U5与与U4/U6U4/U6）组成，）组成，在在
91、SnRNPsSnRNPs中分别含有各种蛋白因子与中分别含有各种蛋白因子与RNARNA分子。内分子。内含子的含子的5 5端与端与3 3端的各二个核苷酸是很保守的，端的各二个核苷酸是很保守的，在绝大多数内含子中，它们分别是在绝大多数内含子中，它们分别是GUGU与与AGAG，虽然，虽然编码区也有许多编码区也有许多GUGU与与AGAG，但剪接体能准确地识别，但剪接体能准确地识别内含子两端的内含子两端的GUGU与与AGAG并在这二处切开，表明剪接并在这二处切开，表明剪接体有很有效的识别机理。有报道说内含子体有很有效的识别机理。有报道说内含子5 5剪接剪接位点附近的顺序与位点附近的顺序与U1RNAU1RN
92、A的的5 5端顺序之间有配对端顺序之间有配对的关系。的关系。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调研究表明动物内含子的分支点顺序（研究表明动物内含子的分支点顺序（UUGACUUGAC）与酵）与酵母内含子分支点项序（母内含子分支点项序（UACUAACUACUAAC）对准确剪接是重）对准确剪接是重要的，推测由于它与要的，推测由于它与 U2 RNAU2 RNA中的一段顺序有配对中的一段顺序有配对关系，因此它能被关系，因此它能被U2 snRNF U2 snRNF 所识别。但有人对植所识别。但有人对植物内含子中的顺序进行过研究，没有找到保守的物内含子中的顺序进行过研究，没有找到
93、保守的分支点顺序。分支点顺序。GoodallGoodall等认为在双子叶植物内含子等认为在双子叶植物内含子的剪接中，内含子中富含的剪接中，内含子中富含AUAU顺序对剪接是很重要顺序对剪接是很重要的，但在单子叶内含子中，的，但在单子叶内含子中，GCGC含量丰富，它们的含量丰富，它们的剪接则不需要有像双子叶内含了中那样的剪接则不需要有像双子叶内含了中那样的AUAU丰富丰富的顺序。的顺序。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调WernekeWerneke等发现菠菜等发现菠菜 Rubisco activaseRubisco activase基因的前体基因的前体RNARNA中中
94、第第6 6个内含子的个内含子的5 5剪接位点有两个，两个都剪接在剪接位点有两个，两个都剪接在GUGU处，处，但二者相差但二者相差2222个核苷酸，而个核苷酸，而3 3的剪接位点相同。这样形的剪接位点相同。这样形成的成熟成的成熟mRNAmRNA所翻译出的蛋白质，一种是所翻译出的蛋白质，一种是 45 kD45 kD，而在少，而在少切去切去 2222个核苷酸所形成的成熟个核苷酸所形成的成熟mRNAmRNA中，由于此中，由于此2222个核苷个核苷酸中有一个终止密码子酸中有一个终止密码子UAAUAA，因此成熟，因此成熟mRNAmRNA在翻译到此在翻译到此UAAUAA时就停止，所形成的多肽反而只有时就停止
95、，所形成的多肽反而只有41 kD41 kD，经测定二种蛋，经测定二种蛋白都有活化白都有活化rubiscorubisco蛋白的活性。在金鱼草的蛋白的活性。在金鱼草的floflo基因第基因第1 1内含子也有类似的情况，它的内含子也有类似的情况，它的3 3端剪接位点有二个端剪接位点有二个AGAG可可被剪接开，二个被剪接开，二个AGAG之间，相差了之间，相差了3 3个核苷酸，成熟个核苷酸，成熟mRNAmRNA翻翻译出的多肽只相差一个氨基酸，即在第译出的多肽只相差一个氨基酸，即在第143143位谷氨酸与位谷氨酸与144144位的甘氨酸之间多了一个缬氨酸位的甘氨酸之间多了一个缬氨酸 第一章第一章 植物基因
96、的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调重金属离子镉有影响内含子切除的作用。重金属离子镉有影响内含子切除的作用。WinterWinter等报道矮牵牛热激蛋白基因等报道矮牵牛热激蛋白基因hsp70hsp70是是一个基因家族，其中有一个成员含有一个一个基因家族，其中有一个成员含有一个长长618bp618bp的内含子，该基因受热激后，此内的内含子，该基因受热激后，此内含子被切除，但在含子被切除，但在CdCl2 CdCl2 以上存在的情况以上存在的情况下，小部分前体下，小部分前体RNARNA中此内含子不被切除。中此内含子不被切除。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调遗传信息
97、从遗传信息从mRNAmRNA翻译成多肽大致可分为翻译成多肽大致可分为3 3个步骤个步骤 （1 1）起始）起始 起始因子起始因子elF2elF2与与GTPGTP及及MetMettRNAtRNAMetMet结合，形成一个三元复合物，此复合物再与结合，形成一个三元复合物，此复合物再与其他起始因子（其他起始因子（IF3IF3，elF3elF3等）、等）、mRNAmRNA以及核糖体以及核糖体小亚基形成小亚基形成40S40S起始复合物。当此复合物位于起始复合物。当此复合物位于AUGAUG起始密码子旁边的核糖体结合位点上后，核糖体起始密码子旁边的核糖体结合位点上后，核糖体大亚某即参与进来形成了大亚某即参与进
98、来形成了80S80S起始复合物，此时带起始复合物，此时带有第一个氨基酸的有第一个氨基酸的MetMettRNAtRNAMetMet即结合在核糖即结合在核糖体的体的P P（多肽（多肽tRNAtRNA）位点上，起始复合物已作好）位点上，起始复合物已作好了准备来开始合成多肽链。了准备来开始合成多肽链。第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调（2 2）延伸）延伸 带下一个氨基酸的氨基酸带下一个氨基酸的氨基酸tRNAtRNA（根据密码（根据密码子与反密码子的正确配对）在子与反密码子的正确配对）在EF1EF1与与EF1EF1延长因子的催化延长因子的催化下，结合在核糖体的下，结合在核糖体
99、的A A 位点上，前一个氨基酸（或肽链）位点上，前一个氨基酸（或肽链）即转移到新来的氨基配即转移到新来的氨基配tRNAftRNAf产生二肽（或多肽）产生二肽（或多肽）tRNAtRNA，此后，在，此后，在EF2 EF2 延长因子的催化下，核糖体移动到延长因子的催化下，核糖体移动到mRNAmRNA上上的下一个密码子，而空的的下一个密码子，而空的tRNAtRNA即从即从P P位点释出。重复此后位点释出。重复此后应，即不断延长着肽链。每增加一个氨基酸，消耗掉二个应，即不断延长着肽链。每增加一个氨基酸，消耗掉二个分子的分子的GTPGTP来供应反应中所需的能量来供应反应中所需的能量（3 3）终止）终止 当
100、核糖体到达当核糖体到达UAGUAG终止密码时，在终止因子的终止密码时，在终止因子的帮助下，翻译即停止。然后，核糖体将多肽帮助下，翻译即停止。然后，核糖体将多肽tRNAtRNA水解，水解，释放出合成好的多肽与最后一个释放出合成好的多肽与最后一个tRNAtRNA。两个核糖体亚基也。两个核糖体亚基也即解离即解离 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调在上述步骤中，一些蛋白因子与在上述步骤中，一些蛋白因子与tRNAtRNA的浓度均影响翻译的效率，的浓度均影响翻译的效率，此外还有一些因素影响翻译的速率，如在此外还有一些因素影响翻译的速率，如在3 3非翻译区有大的茎非翻译区有大的茎
101、环结构，往往较难起始翻译，而需要较高的帽结合复合物的环结构，往往较难起始翻译，而需要较高的帽结合复合物的浓度来解开茎环结构。有时起始因子被磷酸化后即失去起始浓度来解开茎环结构。有时起始因子被磷酸化后即失去起始翻译的活性。很早就知道，一些动物的卵母胞中，在受精前即翻译的活性。很早就知道，一些动物的卵母胞中，在受精前即有大量不表达的有大量不表达的mRNAmRNA，一旦受精，这些贮存的，一旦受精，这些贮存的mRNAmRNA产物即翻译产物即翻译出蛋白。最近的研究指出，这些出蛋白。最近的研究指出，这些mRNAmRNA翻译与否受到翻译与否受到3 3非翻译区非翻译区上的顺式作用因子的调节，其中有一个是细胞质
102、去上的顺式作用因子的调节，其中有一个是细胞质去polyApolyA的元件，的元件，它控制它控制mRNAmRNA在细胞质中去除在细胞质中去除polyApolyA尾巴。这些尾巴。这些mRNAmRNA要有一定长度要有一定长度的的polypoly（A A）尾巴才能开始翻译，当）尾巴才能开始翻译，当polyApolyA尾巴的长度被切短后，尾巴的长度被切短后，翻译即不能再进行。还有报道说，翻译即不能再进行。还有报道说，mRNAmRNA的的polypoly（A A）尾巴与）尾巴与mRNAmRNA的帽子以某种方式联合，使的帽子以某种方式联合，使mRNAmRNA形成环状分子，因此形成环状分子，因此polypol
103、y（A A）在翻译中出起重要的作用。在翻译中出起重要的作用。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调 mRNA mRNA的稳定性是影响基因表达的因素之一。的稳定性是影响基因表达的因素之一。mRNAmRNA的不稳定常是由于的不稳定常是由于RNARNA外切酶从外切酶从3 3端开始对它的端开始对它的降解，降解，polypoly（A A）尾巴在防止酶对）尾巴在防止酶对mRNAmRNA的降解也起的降解也起重要作用。另外有些其他因素也影响重要作用。另外有些其他因素也影响mRNAmRNA的稳定的稳定性，如燕麦的黄化苗经红光照射后，性，如燕麦的黄化苗经红光照射后，phyAphyA基因的
104、基因的转录速率与其转录速率与其mRNAmRNA水平均大大降低。而番茄果实水平均大大降低。而番茄果实成熟时成熟时 E17E17基因的转录速率变化不大，但基因的转录速率变化不大，但mRNAmRNA的的水平增加了水平增加了 6 6倍，推测果实成熟时产生的乙烯可倍，推测果实成熟时产生的乙烯可能对能对mRNAmRNA的稳定性起了某种保护作用，在一些植的稳定性起了某种保护作用，在一些植物的贮藏蛋白基因中，也观到物的贮藏蛋白基因中，也观到mRNAmRNA的稳定性对基的稳定性对基因表达的影响。因表达的影响。 第一章第一章 植物基因的结构及其表植物基因的结构及其表达调达调总之，基因表达的调控是多层次的，机理总之
105、，基因表达的调控是多层次的，机理随基础的不同而不同，调控元件顺序的差随基础的不同而不同，调控元件顺序的差别、调控蛋白结构的差别与浓度、以及细别、调控蛋白结构的差别与浓度、以及细胞内与外界环境因素的变化，均会影响基胞内与外界环境因素的变化，均会影响基因表达的强度、时间与组织部位。弄清这因表达的强度、时间与组织部位。弄清这些调控的机理，不但可帮助解决生命科学些调控的机理，不但可帮助解决生命科学研究中的许多疑难问题，还将极大地有助研究中的许多疑难问题，还将极大地有助于改良作物的性状，培育出更符合人类需于改良作物的性状，培育出更符合人类需要的优良品种来要的优良品种来 第一章植物基因的结构及其表达调1. 1. 举例说明器官与组织专一性表达的基因有哪些举例说明器官与组织专一性表达的基因有哪些? ?2. 2. 举例说明受环境因素诱导而表达的基因有哪些举例说明受环境因素诱导而表达的基因有哪些? ?3. 3. 概述基因表达的调节机理概述基因表达的调节机理. .
