1 第十一章 基因表达与调控 浙江大学 遗传学第十一章 2 * 1．基因概念及其发展。 2．原核生物基因调控：操纵元模型。 3．真核生物基因调控： 复制、转录和翻译三个水平。 本章重点 第一节 基因的概念 浙江大学 遗传学第十一章 4 ㈠、经典遗传学关于基因的概念： 一、基因的概念及其发展： ①．孟德尔： 把控制性状的因子称为遗传因子。 如：豌豆红花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。 ②．约翰生： 提出基因(gene) 取代遗传因子。 ③．摩尔根： 对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和 染色体为主体的经典遗传学。 基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。 浙江大学 遗传学第十一章 5 基因共性（按照经典遗传学关于基因的概念）： ♣ 基因具有染色体的主要特性：自我复制和相对稳定性， 在分裂时有规律地进行分配。 ♣ 交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。 ♣ 突变单位：一个基因能突变为另一个基因。 ♣ 功能单位：控制有机体的性状。 ∴ 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。 浙江大学 遗传学第十一章 6 ⑴.揭示遗传密码的秘密：基因 Î 具体物质。 一个基因 Î DNA分子上一定区段，携带有特殊遗传 信息 Î 转录成RNA Î 翻译成多肽链，或对其它基因的 活动起调控作用 ( 如调节基因、启动基因、操纵基因)。 ⑵.基因不是最小遗传单位 Î 更复杂的遗传和变异单位： 例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用 的小单位。 ㈡、分子遗传学关于基因的概念：
1 第十一章 基因表达与调控 浙江大学 遗传学第十一章 2 * 1．基因概念及其发展。 2．原核生物基因调控：操纵元模型。 3．真核生物基因调控： 复制、转录和翻译三个水平。 本章重点 第一节 基因的概念 浙江大学 遗传学第十一章 4 ㈠、经典遗传学关于基因的概念： 一、基因的概念及其发展： ①．孟德尔： 把控制性状的因子称为遗传因子。 如：豌豆红花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。 ②．约翰生： 提出基因(gene) 取代遗传因子。 ③．摩尔根： 对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和 染色体为主体的经典遗传学。 基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。 浙江大学 遗传学第十一章 5 基因共性（按照经典遗传学关于基因的概念）： ♣ 基因具有染色体的主要特性：自我复制和相对稳定性， 在分裂时有规律地进行分配。 ♣ 交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。 ♣ 突变单位：一个基因能突变为另一个基因。 ♣ 功能单位：控制有机体的性状。 ∴ 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。 浙江大学 遗传学第十一章 6 ⑴.揭示遗传密码的秘密：基因 Î 具体物质。 一个基因 Î DNA分子上一定区段，携带有特殊遗传 信息 Î 转录成RNA Î 翻译成多肽链，或对其它基因的 活动起调控作用 ( 如调节基因、启动基因、操纵基因)。 ⑵.基因不是最小遗传单位 Î 更复杂的遗传和变异单位： 例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用 的小单位。 ㈡、分子遗传学关于基因的概念：
2 浙江大学 遗传学第十一章 7 ⑶. 现代遗传学上认为： ①．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碱基对；如移码突变。 ②．重组子(recon)：性状重组时，可交换的最小单位。 一个交换子可以只包含一个碱基对。 ③．顺反子(cistron)：表示一个作用的单位，基本符合 通常所述基因的大小或略小。所包括的一段 DNA与 一个多肽链合成相对应；平均为500~1500个碱基对。 浙江大学 遗传学第十一章 8 ⑷．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.功能上被顺反测验或互补测验所规定。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。 基因：相当于一个顺反子， 包含许多突变子和 重组子。 紫外灯下的DNA 浙江大学 遗传学第十一章 9 ⑴．结构基因(structural gene)： 指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。 ㈢、分子遗传学对基因概念的新发展： rRNA基因 浙江大学 遗传学第十一章 10 ⑵．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。 lac 调控基因 浙江大学 遗传学第十一章 11 ⑶．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，同时编码两个以上基因的现象。 A BC D E F extron ⑷．隔裂基因(split gene)： 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。 卵清蛋 白基因
2 浙江大学 遗传学第十一章 7 ⑶. 现代遗传学上认为： ①．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碱基对；如移码突变。 ②．重组子(recon)：性状重组时，可交换的最小单位。 一个交换子可以只包含一个碱基对。 ③．顺反子(cistron)：表示一个作用的单位，基本符合 通常所述基因的大小或略小。所包括的一段 DNA与 一个多肽链合成相对应；平均为500~1500个碱基对。 浙江大学 遗传学第十一章 8 ⑷．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.功能上被顺反测验或互补测验所规定。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。 基因：相当于一个顺反子， 包含许多突变子和 重组子。 紫外灯下的DNA 浙江大学 遗传学第十一章 9 ⑴．结构基因(structural gene)： 指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。 ㈢、分子遗传学对基因概念的新发展： rRNA基因 浙江大学 遗传学第十一章 10 ⑵．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。 lac 调控基因 浙江大学 遗传学第十一章 11 ⑶．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，同时编码两个以上基因的现象。 A BC D E F extron ⑷．隔裂基因(split gene)： 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。 卵清蛋 白基因
3 浙江大学 遗传学第十一章 13 ⑸．跳跃基因(jumping gene)： 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 Î 引起 插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）Î 通过 表现型变异得到鉴别。 遗传工程：转座子标签法。 玉米转座子现象 玉米转座子系统 Ac转座酶活性没有被激活，无转座发生 Ac转座酶活性被激活，转座发生Ä性状发生改变 浙江大学 遗传学第十一章 15 * 金鱼草转座子系统： 金鱼草中最少含有四种转座子（Tam），含有12或13bp的 插入重复顺序。其中Tam1、Tam2和Tam3转座子分别为15kb、 5kb和3.6kb长度。 Tam转座子¨用于控制花的生物合成基因研究。 ∵突变结果很容易通过表现型变异加以鉴定。 浙江大学 遗传学第十一章 16 ⑹. 假基因(pseudogene): 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。 血红蛋白分子 的四条多肽链 浙江大学 遗传学第十一章 17 二、基因的微细结构： 浙江大学 遗传学第十一章 18 设有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表现型。 判断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。 ㈠、互补作用：
3 浙江大学 遗传学第十一章 13 ⑸．跳跃基因(jumping gene)： 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 Î 引起 插入突变、DNA结构变异（如重复、缺失、畸变）Î 通过 表现型变异得到鉴别。 遗传工程：转座子标签法。 玉米转座子现象 玉米转座子系统 Ac转座酶活性没有被激活，无转座发生 Ac转座酶活性被激活，转座发生Ä性状发生改变 浙江大学 遗传学第十一章 15 * 金鱼草转座子系统： 金鱼草中最少含有四种转座子（Tam），含有12或13bp的 插入重复顺序。其中Tam1、Tam2和Tam3转座子分别为15kb、 5kb和3.6kb长度。 Tam转座子¨用于控制花的生物合成基因研究。 ∵突变结果很容易通过表现型变异加以鉴定。 浙江大学 遗传学第十一章 16 ⑹. 假基因(pseudogene): 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。 血红蛋白分子 的四条多肽链 浙江大学 遗传学第十一章 17 二、基因的微细结构： 浙江大学 遗传学第十一章 18 设有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表现型。 判断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。 ㈠、互补作用：
4 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。 本泽尔：提出顺反子， 表示功能的最小单位和顺 反的位置效应。 3．互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。 顺反测验：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）。 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 Î 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 反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点； ② 反式排列为突变型：突变分属于同一基因位点。 浙江大学 遗传学第十一章 22 ㈡、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 Î 分析T4 噬菌体rⅡ区基因的微细结构。 ⑴．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 Î侵染K12(λ) 株，选择重组体r +Î 计算出两个r +突变 座位间的重组频率。 ⑵．方法： 两种rⅡ突变类型：r x、r y r +r x × r y r + ↓混合感染 E.coli B株 接种 B株 K12(λ)株 计数 r+ ry、rxr+ r+ r+ r+ r+、rxry 仅生长一 四种基因型 种重组型 均能生长 浙江大学 遗传学第十一章 24 r47 r104 r101 r106 r31 r107 ⑶．结果： ①.重组值计算： rxry的数量与r+r+ 相同，计算时r+r+ 噬菌体数×2。 可以获得小到0.001％，即十万分之一的重组值。 利用大量rⅡ区内二点杂交结果，绘制出rⅡ区座位间 微细的遗传图： 1.3 1.0 1.6 1.9 1.6 100% B 2 K ( ) 100% 2 r r 12 × × = × × = + + 株上生长的噬菌斑总数 株上生长的噬菌斑数 总噬菌体数 噬菌体数 重组值 λ
4 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。 本泽尔：提出顺反子， 表示功能的最小单位和顺 反的位置效应。 3．互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。 顺反测验：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）。 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 Î 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 反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点； ② 反式排列为突变型：突变分属于同一基因位点。 浙江大学 遗传学第十一章 22 ㈡、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 Î 分析T4 噬菌体rⅡ区基因的微细结构。 ⑴．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 Î侵染K12(λ) 株，选择重组体r +Î 计算出两个r +突变 座位间的重组频率。 ⑵．方法： 两种rⅡ突变类型：r x、r y r +r x × r y r + ↓混合感染 E.coli B株 接种 B株 K12(λ)株 计数 r+ ry、rxr+ r+ r+ r+ r+、rxry 仅生长一 四种基因型 种重组型 均能生长 浙江大学 遗传学第十一章 24 r47 r104 r101 r106 r31 r107 ⑶．结果： ①.重组值计算： rxry的数量与r+r+ 相同，计算时r+r+ 噬菌体数×2。 可以获得小到0.001％，即十万分之一的重组值。 利用大量rⅡ区内二点杂交结果，绘制出rⅡ区座位间 微细的遗传图： 1.3 1.0 1.6 1.9 1.6 100% B 2 K ( ) 100% 2 r r 12 × × = × × = + + 株上生长的噬菌斑总数 株上生长的噬菌斑数 总噬菌体数 噬菌体数 重组值 λ
5 ②. rⅡ突变体类型： rⅡA、 rⅡB： 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。 浙江大学 遗传学第十一章 26 三、顺式与反式调控： 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Î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Î这种突变称为反式调控。 浙江大学 遗传学第十一章 27 浙江大学 遗传学第十一章 28 rRNA 如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。 转录 tRNA 发生突变后， 多肽链改变。 翻 译 蛋白质 结构蛋白 生物酶 直接 间接 某 段 DNA mRNA 性 状 四、基因的作用与性状的表现： 基因变异 Î 直接影响蛋白质 特性，表现出不同遗传性状。 例如人的镰形红血球贫血症。 红血球碟形 HbA 突变 HbS HbC 红血球镰刀形 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： HbA第6位为谷氨酸（GAA、GAG)； HbS第6位为缬氨酸（GUA、GUG)； HbC第6位为赖氨酸（AAA、AAG）。 1.结构蛋白： S Hbβ 产生贫血症的原因： 单个碱基的突变Î引起氨基酸的改变Î导致蛋白质性质发生 变化，直接产生性状变化。 正常碟形红血球转变为镰刀形红血球Î缺氧时表现贫血症。 HbA HbS HbC
5 ②. rⅡ突变体类型： rⅡA、 rⅡB： 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。 浙江大学 遗传学第十一章 26 三、顺式与反式调控： 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Î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Î这种突变称为反式调控。 浙江大学 遗传学第十一章 27 浙江大学 遗传学第十一章 28 rRNA 如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。 转录 tRNA 发生突变后， 多肽链改变。 翻 译 蛋白质 结构蛋白 生物酶 直接 间接 某 段 DNA mRNA 性 状 四、基因的作用与性状的表现： 基因变异 Î 直接影响蛋白质 特性，表现出不同遗传性状。 例如人的镰形红血球贫血症。 红血球碟形 HbA 突变 HbS HbC 红血球镰刀形 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： HbA第6位为谷氨酸（GAA、GAG)； HbS第6位为缬氨酸（GUA、GUG)； HbC第6位为赖氨酸（AAA、AAG）。 1.结构蛋白： S Hbβ 产生贫血症的原因： 单个碱基的突变Î引起氨基酸的改变Î导致蛋白质性质发生 变化，直接产生性状变化。 正常碟形红血球转变为镰刀形红血球Î缺氧时表现贫血症。 HbA HbS HbC