第八章基因表达与调控

1第八章基因表达与调控本章习题1．经典遗传学和分子遗传学关于基因的概念有何不同？答：孟德尔把控制性状的因子称为遗传因子；约翰生提出基因（gene）这个名词，取代遗传因子；摩尔根等对果蝇、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。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。具体指：⑴.基因是化学实体：以念珠状直线排列在染色体上；⑵.交换单位：基因间能进行重组，而且是交换的最小单位。⑶.突变单位：一个基因能突变为另一个基因。⑷.功能单位：控制有机体的性状。分子遗传学认为：⑴.将基因概念落实到具体的物质上，并给予具体内容：一个基因是DNA分子上的一定区段，携带有特殊的遗传信息。⑵.基因不是最小遗传单位，而是更复杂的遗传和变异单位：例如在一个基因区域内，仍然可以划分出若干起作用的小单位。现代遗传学上认为：①．突变子：是在性状突变时，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：在性状重组时，可交换的最小单位称为重组子。一个交换子只包含一个碱基对。③．顺反子：表示一个作用的单位，基本上符合通常所描的基因大小或略小，包括的一段DNA与一个多链的合成相对应，即保留了基因是功能单位的解释。⑶.分子遗传学对基因概念的新发展：结构基因：指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。调控基因：指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。重叠基因：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。隔裂基因：指一个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。跳跃基因：即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。假基因：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。2.有一个双突变杂合二倍体，其基因型是+a//b+，如果有互补作用表示什么？如果无互补作用，表示什么？答：有互补作用：表示该表现型为野生型，a、b两突变不是等位的，是代表两个不同的基因位点。无互补作用：表示该表现型为突变型，a、b两突变是等位的，是代表同一个基因位点的两个基因座。3.用T4噬菌体一个特殊基因区的不同突变体研究互补作用，获得下列资料。试根据这个资料判断，本区应有几个顺反子？1234561-+-+--2+-+-++3-+-+--4+-+-++5-+-+--6-+-+--+为互补，-为无互补；2答：从第一行可以看出，突变体1与突变体3、5、6不互补，隶属于同一个基因位点，即为同一个顺反子；而与突变体2、4不互补，不在同一个基因位点上；第三、五、六行则进一步验证了第一行的推断。从第二、四行可以看出，突变体２、４不互补，隶属于同一个基因位点，即为同一个顺反子；而与突变体1、3、5、6互补，不在同一个基因位点上，即分属于不同的顺反子。结论：本区共有两个顺反子，突变体1、3、5、6同属于一个顺反子；突变体2、4同属于一个顺反子。4.举例说明基因的微细结构是如何建立的。答：以本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，对T4噬菌体rII区基因微细结构的分析为例。原理：r+野生型T4噬菌体：侵染E.coliB株和K12株，形成的噬菌斑小而模糊；rII突变型T4噬菌体：只能侵染B株，不能侵染K12（λ）株，形成的噬菌斑大而清楚。利用上述特点，让两个rII突变型杂交，接种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，具体过程见右图。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区内二点杂交的结果，绘制出rⅡ区座位间微细的遗传图：5.举例说明基因是如何控制遗传性状表达的。答：基因对于遗传性状表达的作用可分为直接与间接两种形式。(1)如果基因的最后产品是结构蛋白或功能蛋白，基因的变异可以直接影响到蛋白质的特性，从而表现出不同的遗传性状。例如人的镰形红血球贫血症。红血球碟形HbA型产生两种突变体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）、Hbs第6位为缬氨酸（GUA）、Hbc第6位为赖氨酸（AAA）。基因突变会最终影响到性状改变，产生贫血症的原因：仅由单个碱基的突变，引起氨基酸的改变，导致蛋白质性质发生变化，直接产生性状变化。由正常的碟形红血球转变为镰刀3形红血球，缺氧时表现贫血症。(2)更多的情况下，基因是通过酶的合成，间接影响生物性状的表达，例如豌豆：圆粒（RR）×皱粒（rr）产生F1圆粒（Rr），自交产生F2，1/4表现为皱粒（rr）。rr的表现型为皱粒，是因为缺少一种淀粉分支酶（SBE）所致。SBE控制淀粉分支点的形成，rr豌豆的SBE不正常，带有一段0.8kb的插入片段，结果形成异常mRNA，不能形成淀粉分支酶。在种子发育过程中，不能合成淀粉导致积累蔗糖和大量的水分。随着种子的成熟，皱粒基因型（rr）种子比圆粒基因型种子失水快，结果形成皱粒种子表现型。而F1圆粒（Rr）杂合体中，有一个正常的R基因，可以产生SBE酶，能够合成淀粉，表现为圆粒。本例说明R与r基因控制豌豆子粒的性状不是直接的，而是通过指导淀粉分支酶的合成间接实现的。6.试说明正调控与负调控的区别。答：转录水平的调控通常可归为正调控与负调控两种。正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控。正调控是经诱导物诱导转录的调控机制。诱导物通常与蛋白质结合，形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录，使基因处于表达的状态；负调控是细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。阻遏物与DNA分子的结合，阻碍RNA聚合酶转录，使基因处于关闭状态。真核生物以正调控为主；原核生物以负调控为主。降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中通常以负调控来控制产物自身的合成。7.假设Ｒ基因编码的蛋白质，是S基因转录的负调控子。试问⑴.在R-突变体中S基因是否转录？⑵.如果R基因产物是S基因转录的正调控子，结果又有什么不同？答：(1)在R-突变体中S基因是否转录有两种情况：如果S基因转录属负调控系统，则在R-突变体中，S基因转录；如果S基因转录既有负调控又有正调控来共同控制，则该突变体中，尽管基因失活，如无正调控开启，仍无法转录基因。(2)如果R基因产物是S基因转录的正调控子，则在该突变体中，R基因失活，则无正常的正调控因子，转录系统不开启，基因S不转录。8.试述乳糖操纵元模型。答：1961年，JacobF.和MonodJ.的乳糖操纵元模型：乳糖操纵元阐述的是一个基因簇内结构基因及其调控位点的表达调控方式。包括编码乳糖代谢酶的3个结构基因及其邻近的调控位点，即一个启动子和１个操纵子，还有位于上游的抑制基因。大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加：①.β-半乳糖酶由结构基因lacZ编码，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；②.渗透酶由结构基因lacY编码，增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖；③.转乙酰酶由结构基因lacA编码，β-半乳糖转变成乙酰半乳糖。三个结构基因受控于同一个调控系统，大量乳糖时，大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟内达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加；乳糖用完时，这三种酶的合成也即同时停止。在乳糖操纵元中，lacI基因编码一种阻遏蛋白，该蛋白至少有两个结合位点，一个与DNA结合，另一个与乳糖结合。当没有乳糖时，lacI基因产生的阻遏蛋白，结合在操纵子位点的DNA序列上，阻止RNA聚合酶起始转录结构基因。在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合，使其空间构型发生改变，而不能与操纵子DNA结合，这样RNA聚合酶起始转录结构基因，产生乳糖代谢酶，开始代谢乳糖。因此乳糖操纵元是一种负调控机制。49.指出下列每一种部分二倍体①.是否合成β-半乳糖苷酶，②.是诱导型还是组成型？（斜线左侧是质粒基因型，右侧是染色体基因型）(1)lacZ＋lacY-/lacZ-lacY＋(2)lacOClacZ-lacY＋/lacZ＋lacy-(3)lacP-lacZ＋/lacOClacZ-(4)lacI＋lacP-lacZ＋/lacI-lacZ＋答:⑴.lacZ+lacY-/lacZ-lacY+质粒DNA能合成β-半乳糖苷酶，是诱导型；⑵.lacOClacZ-lacY+/lacZ+lacY-染色体DNA能合成β-半乳糖苷酶，是诱导型；⑶.lacP-lacZ+/lacOClacZ-均不能合成β-半乳糖苷酶，是组成型；⑷.lacI+lacP-lacZ+/lacI-lacZ+染色体DNA能合成β-半乳糖苷酶，是组成型。10.试述色氨酸操纵元和阿拉伯糖操纵元模型。答：色氨酸操纵元模型由JacobF.和MonodJ.提出，是具有合成代谢途径典型的操纵元模型。色氨酸操纵元模型结构，5种结构基因trpE,D,C,B,A编码色氨酸合成有关的5种酶；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；阻遏物trpR基因：与trp操纵元相距较远。大量色氨酸时，大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；色氨酸不足时，这5种酶的基因开始转转录。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，因此，trp操纵元是一个典型的可阻遏的操纵元模型（repressibleoperon）。包括有两类调控机理：(1).阻遏调控trpR基因编码无辅基阻遏物，与色氨酸结合，产生有活性的色氨酸阻遏物，与操纵子结合，阻止转录；色氨酸不足，阻遏物三维空间结构发生变化，不能与操纵子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操纵子结合，阻止转录；(2).弱化子调控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的密码子；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。原核生物具有边转录边翻译的特点，前导序列中，核糖体位置将决定形成哪种二级结构，从而决定弱化子是否可形成终止信号。①.当有色氨酸时，可完整地翻译出短肽，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。②.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，停留在氨酸密码子位置，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聚合酶顺利弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。阿拉伯糖操纵元模型阿拉伯糖操纵元是控制分解代谢途径的另一调控系统。其特点是调节蛋白既可以起正调控作用，又可以起负调控作用。组成结构包括3个结构基因B、A、D和三个调控位点R、O、I，其中R是araC基因编码调节蛋白AraC蛋白，O包括两部分，O1不参与调控、O2是AraC蛋白负调控结合位点，I是调节位点，CAP-cAMP复合物结合位点，AraC蛋白正调控结合位点。调控调控机理：诱导物阿拉伯糖和cAMP同时存在，阿拉伯糖与araC蛋白复合物结合在Ｉ位点，CAP-cAMP复合物结合I位点，基因转录开启。在没有诱导物阿拉伯糖和cAMP时，AraC蛋白同时与I和O2结合，DNA构型发生改变，形成一个紧密的环结构，抑制表达。511.举例说明阻遏物与无辅基阻遏物的区别。答：阻遏物一般出现在代谢调控途径中，而无辅基阻遏物则出现合成途径中的调控。两者具有明显不同的调控机理：阻遏物：如在乳糖操纵子模型中的阻遏蛋白，由lacI基因编码，该蛋白至少有两个结合位点，一个与DNA结合、另一个与乳糖结合。当没有乳糖时，lacI基因产生的阻遏蛋白，结合在操纵子位点的DNA序列上，阻止RNA聚合酶起始转录结构基因。在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合，使其空间构型发生改变，而不能与操纵子DNA结合，这样RNA聚合酶起始转录结构基因，产生乳糖代谢酶，开始代谢乳糖。无辅基阻遏物：如在色氨酸操纵元模型中，trpR基因