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nif操纵子子上， nifA和nifL基因的产物分别是其正和负调控因子。

6 原核基因调控机制的类型与特点—总结（图）

正转录调控：如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启。 负转录调控：在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭。 诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。

辅阻遏物：如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。 负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。 负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录。

负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。 正转录调控：调节基因的产物是激活蛋白（activator）。 正控诱导：效应物分子的存在使激活蛋白处于活性状态。

正控阻遏：效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。（图）

7 转录后水平的调控

7.1 翻译起始的调控

SD序列的结构及其与起始密码子间的距离影响核糖体结合位点的结合强度，SD与AUG间相距一般以4－10nt为佳。

核糖体结合位点（ RBS ）：mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译区。 7.2 稀有密码子对翻译的影响

dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子。其基因产物的数量相差悬殊。

dnaG序列含有不少稀有密码子，而这些密码子在其它基因中利用频率很低。编码调控蛋白的基因（如lacI、araC、trpR）中密码子的使用频率与dnaG相似。高频率地使用稀有密码子，将使所编码的相应蛋白质的产量很低。（细胞内对应于稀有密

码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子将易使翻译过程受阻，降低蛋白质的合成量）。

7.3 重叠基因对翻译的影响（图）

重叠基因最早在ΦX174中发现。丝状RNA噬菌体、线粒体DNA和细菌染色体上都有重叠基因存在。

Trp操纵子由5个基因（trpE、D、C、B、A）组成，在正常情况下，操纵子中5个基因产物是等量的，但trpE突变后，其邻近的trpD产量比下游的trpBA产量要低得多。这种与ρ蛋白无关的表达调控，已被证实是在翻译水平上的调控。

翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。 7.4 魔斑核苷酸对翻译的影响

把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（rel+）；反之则称为松散控制（rel-）。在氨基酸缺乏时，rel+菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp），而rel-菌则不能。

严谨因子

GTP + ATP ---------- pppGpp + AMP → ppGpp

rel基因编码严谨因子，催化ppGpp的合成。

ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。

7.5 某些关键r-蛋白的调节作用

rRNA与编码r-蛋白的mRNA之间相互竞争性结合r-蛋白。

50多种r-蛋白基因分布于20多个操纵子上，每个操纵子都有一种Pr充当其翻译阻遏蛋白。当r-Pr量超过rRNA的量时，阻遏即发生。

课堂研讨

1、以下关于管家基因的叙述, 错误的是:

(A) 在生物个体的几乎各生长阶段持续表达 (B) 在生物个体的几乎所有细胞中持续表达

(C) 在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达 (D) 在生物个体的某一生长阶段持续表达

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(E) 在一个物种的几乎所有个体中持续表达

2、一个操纵子（元）通常含有

(A) 数个启动序列和一个编码基因 (B) 一个启动序列和数个编码基因 (C) 一个启动序列和一个编码基因 (D) 两个启动序列和数个编码基因 (E) 数个启动序列和数个编码基因 3、乳糖操纵子（元）的直接诱导剂是

(A) 葡萄糖 (B) 乳糖 (C) β一半乳糖苷酶 (D) 透过酶 (E) 异构乳糖 4、Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的

(A) CAP结合位点 (B) O序列 (C) P序列 (D) Z基因 (E) I基因 5、cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在

(A) 葡萄糖及cAMP浓度极高时 (B) 没有葡萄糖及cAMP较低时 (C) 没有葡萄糖及cAMP较高时 (D) 有葡萄糖及cAMP较低时 (E) 有葡萄糖及cAMP较高时

6、Lac阻遏蛋白由

(A) Z基因编码 (B) Y基因编码 (C) A基因编码 (D) I基因编码 (E) 以上都不是 7、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及

(A) 转录水平调节 (B) 转录延长调节 (C) 转录激活调节 (D) 翻译水平调节 (E) 转录／翻译调节 (A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶 (C) 环一磷酸腺苷 (D) CAP-cAMP (E) 异构乳糖 8、与O序列结合 9、与P序列结合 10、与CAP结合

11、与CAP位点结合

12、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是:

A 与启动子结合 B 与DNA结合影响模板活性

C 与RNA聚合酶结合影响其活性 D 与蛋白质结合影响该蛋白质结合DNA E 与操纵基因结合 13、DNA损伤修复的SOS系统

A?是一种保真性很高的复制过程 B?LexA蛋白是一系列操纵子的阻遏物 C?RecA蛋白是一系列操纵子的阻遏物 D 它只能修复嘧啶二聚体 14、以下关于cAMP对原核基因转录调控作用的叙述错误的是:

A?cAMP可与CAP蛋白结合成复合物 B?cAMP-CAP复合物结合在启动子前方

C?葡萄糖充足时，cAMP水平不高 D?葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用葡萄糖 E?葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖

第7章 真核基因表达的调控

主要内容：真核生物的基因组；真核生物基因表达调控的特点和种类；真核生物DNA水平上的基因表达调控；真核生物转录

水平上的基因表达调控；真核基因转录后水平上的调控

1. 真核生物的基因组

1.1 真核基因组结构特点

基因组结构庞大；单顺反子；基因不连续性：断裂基因（interrupted gene）{内含子(intron)，外显子(exon)}；非编码区较多；含有大量重复序列

原核生物基因组结构特点：基因组很小，大多只有一条染色体；结构简炼；存在操纵子转录单元；有重叠基因 1.2 基本概念

1.2.1 基因家族（gene family)：真核基因组中很多来源相同、结构相似、功能相关的基因。如编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都属于基因家族。

基因簇：同一基因家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇(gene cluster) 。 简单多基因家族：基因成员一般以串联方式前后相连。（图）

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复杂多基因家族：一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开。现已发现存在不同形式的复杂多基因家族。（图）

1.2.2 断裂基因：基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，为非编码序列所隔开，其中编码的序列称为外显子，非编码序列称内含子。

外显子(Exon) ：真核基因DNA中的编码序列，这些序列被转录成RNA并进而翻译为蛋白质。 内含子(Intron) ：真核基因DNA中的间插序列，这些序列被转录成RNA，但被剪除而不翻译。

外显子与内含子的连接区：指外显子和内含子的边界序列。它有两个重要特征：内含子的两端序列之间没有广泛的同源性；连接区序列很短且高度保守，是RNA剪接的信号序列。5ˊGT——AG 3ˊ。 GT-AG法则: 内含子5′-端以GT开始, 3′-端以AG结尾。

外显子与内含子的可变调控：

组成型剪接：一个基因的转录产物通过剪接只能产生一种成熟的mRNA。

选择性剪接：一个基因的转录产物由于不同的剪接方式而形成不同的成熟mRNA。

2 真核生物基因表达调控的特点和种类

2.1 真核基因表达调控的特点

RNA聚合酶种类多；多层次调节；个体发育机制复杂；活性染色体结构变化；以正调节为主；转录与翻译不耦联；存在转录后修饰、加工机制

2.2 真核生物基因表达调控的种类 根据性质可分为两大类：

（1）瞬时调控或称为可逆性调控：相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。

（2）发育调控或称不可逆调控：是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。 根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：

DNA水平调控－－转录水平调控－－转录后水平调控－－翻译水平调控－－蛋白质加工水平的调控

3 真核生物DNA水平上的基因表达调控

基因丢失；基因扩增；基因重排；DNA甲基化状态与调控；染色体的结构与调控

3.1 基因丢失

在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常不可逆地丢失掉整条或部分染色体。只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞，才一直保留着整套染色体。目前，尚未在高等真核生物（包括动物、植物）中发现类似的基因丢失现象。

3.2 基因扩增

基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。

非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因（rDNA）数量是一般体细胞的4000倍（2000000/500），这是由于为适应胚胎发育对核糖体的大量需要而进行基因扩增的结果。

在发育或系统发生中的倍性增加现象在植物中普遍存在

基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能是加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。

3.3 基因重排

通过调整有关基因片段的衔接顺序，使之重排成为1个完整的转录单位，例如将一个基因从远处移至距启动子很近的位点从而有效启动转录，这种方式被称为基因重排。

通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。（图）

Ig有2条相同的重链和轻链，轻链包括恒定区、可变区及2者之间的连接区，每个区由DNA不同片段编码，不同区重排连接是产生抗体多样性的分子基础。

3.4 DNA的甲基化与基因调控

DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则能诱导基因的重新活化和表达。 DNA甲基化的主要形式：5-甲基胞嘧啶、N6-甲基腺嘌呤和7-甲基鸟嘌呤。（图）

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CpG岛：成串出现在DNA上的CpG二核苷酸序列。（图）

在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG、CpXpG、CCA/TGG和GATC序列中。

DNA甲基化抑制基因转录的机理：DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。主要是不利于模板DNA与RNA聚合酶的结合。

真核DNA约有5%的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。 DNA甲基化密度与基因转录的效率成反比。（图）

没有甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用，就可能被氧化成为U，被DNA修复系统所识别和切除，恢复成C。已经甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用, 它就变为T, 无法被区分。因此, CpG序列极易丢失。

由于甲基化胞嘧啶极易在进化中丢失，所以，高等真核生物中CG序列远远低于其理论值。哺乳类基因组中约存在4万个CG 序列，大多位于转录单元的5'区。

人类X染色体失活调控的机制：

1）X染色体上存在一个重要的Xist基因，该基因只在失活的X染色体上表达，而不在有活性的X染色体上表达。Xist基因的表达是决定X染色体失活的关键因素。2）该基因参与了X染色体的失活过程，其表达产物为一个功能性RNA分子，不含ORF，含有大量的终止密码子序列，不编码蛋白质，该RNA只存在于核内，不向细胞质中转移。3）该RNA分子能与X染色体失活中心区域（Xic）相互作用，引起后者构象发生变化，更易于与各种蛋白因子相结合，最终导致X染色体失活， 4）活性X染色体上的Xist基因总是甲基化了的，而失活的X染色体上的该基因都是去甲基化了的。雄性体细胞只含有一条X染色体，永远处于活性状态，其Xist基因内部及5ˊ端启动区都高度甲基化。雌性体细胞含有两条X染色体，活性X染色体上的Xist位点都高度甲基化，而失活X染色体上的Xist位点都无甲基化。Xist基因被高度甲基化，该基因不表达，X染色体有活性；Xist基因去甲基化，该基因表达，引起X染色体失活。

3.5 染色质的结构与基因表达调控

按功能状态不同可将染色质分为活性染色质（具有转录活性）和非活性染色质（没有转录活性）。 活泼转录区染色质的结构改变：（1）核小体变得不完整；（2）DNA甲基化程度降低；（3）组蛋白和有关蛋白的改变。 实验方法：（1）核酸酶的敏感性实验；（2）染色质再造实验。（图）

常染色质:结构松散，基因表达。 异染色质:结构紧密，基因不表达。

有基因表达活性的染色质DNA对DNaseⅠ更敏感，即对DNaseⅠ的敏感性可作为该基因转录活性的标志。

活性染色质上具有DNaseI超敏感位点。每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因5′端启动子区域。

染色质结构状态与转录的关系：染色质是否处于活化状态是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功能的关键；活性染色质往往具有疏松的结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合，及便于RNA聚合酶在转录模板上滑动。

在转录过程中,在RNA聚合酶前方消除核小体结构,而在RNA聚合酶后方,再重新形成核小体。（图）

4 真核生物转录水平上的基因表达调控

“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。

真核蛋白质基因一般包括启动子、相间排列的外显子和内含子及转录终止子序列等。启动子本身一般不被转录。 4.1 真核基因转录起始复合物的组成 （1）启动子（含各类顺式作用元件） （2）转录调节因子（反式作用因子） （3）RNA聚合酶

4.2 真核基因启动子与RNA聚合酶

启动子：RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的DNA序列。真核基因启动子包含转录起始位点附近的DNA序列及启动转录所必需的一些顺式作用元件, 这些元件被反式作用因子所识别和结合。（图）

顺式作用元件(cis-acting element)：影响基因表达活性的DNA序列，主要包括启动子中的相对保守的DNA序列，如TATA盒、CAAT盒和GC盒等，是反式作用因子所识别和结合的部位。

真核RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为寡聚酶，每种酶分子含2个大亚基和4～8个小亚基，分子量在500 KD左右。

4.2.1 真核rRNA基因启动子与RNA聚合酶I（图）

RNA聚合酶I负责转录rRNA基因。 rRNA基因启动子（I类）比较单一，由转录起始位点附近的两部分序列构成。第一部分是核心启动子，由-45～ +20位核苷酸组成，单独存在时就足以起始转录。另一部分由-170～-110位序列组成，称为上游调控元件，能有效地增强转录效率。

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