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第十二章 真核生物的基因调控 一 真核细胞的基因结构 真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面存在很大的差异，主要表现在以下几个方面： 1 在真核细胞中，一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，即基因以多顺反子的形式存在。 2 真核细胞DNA与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有一小部分DNA是裸露的。 3 真核细胞中有一部分由几个或几十个碱基组成的DNA序列，在整个基因组中重复几百次甚至上百万次。高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的。大部分真核细胞的基因中存在不被翻译的内含子。 4 真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片断的重排，在需要时，可增加细胞内某些基因的拷贝数。 5 真核生物中，基因转录的调节区较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，它主要是通过改变整个所控制基因5ˊ上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。 6 真核生物的RNA在细胞核中合成，只有穿过细胞膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质。 7 许多真核细胞的基因需经过复杂的成熟和剪接过程（maturation and splicing）才能顺利地翻译成蛋白质。 二 基因家族(gene family) 原核细胞中，整个体系置于一个启动子控制之下。由于真核细胞的DNA都是单顺反子，许多相关的基因常常按功能成套组合，一套基因就是一个基因家族。家族中各成员的表达水平和酶活性可以很不相同，但通常是密切相关的。通常分为简单多基因家族、复杂多基因家族和发育调控的复杂多基因家族。 1 简单多基因家族： 指在家族中有一个或数个基因以串联方式重复排列。如编码ssrRNA的基因家族，其中每个ssrRNA基因都被规模宏大的间隔序列所分开。间隔序列的长度约为ssrRNA长度的2—6倍，并含有中等重复序列，每个ssrRNA基因都被单独转录，产生独立于其它部分的RNA分子，经加工为成熟的ssrRNA。 2 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，并作为独立的转录单位。 如：海胆的组Pr基因家族。 3 发育调控的复杂多基因家族 在生物体发育的不同阶段，复杂多基因家族中的基因结构和数量，会发生变化的情况，基因之间存在着具有调节功能的重复序列。在每个基因家族中，基因排列的顺序就是它们在发育阶段的表达顺序。如人类的血红蛋白，在母体怀孕后的不同时期出现不同的亚基和数量变化。 三 真核基因的断裂结构 1 外显子和内含子： 现已查明，大多数真核基因都是由Pr编码序列和非Pr编码序列组成。编码序列称为外显子（exon），非编码序列称为内含子（intron）。在一个结构基因中，编码某一Pr不同区域的各个外显子并不连续地排列在一起，而常常被长度不等的内含子所隔离，形成镶嵌排列的断裂方式，所以真核基因有时称为断裂基因(interrupted gene)。只有真核基因具有切除基因中内含子，产生功能型mRNA和Pr的能力，原核生物不具有此种特性。 观察研究外显子和内含子的方法： 1.电子显微镜：将成熟mRNA分子和相应的染色体DNA进行分子杂交，形成DNA-RNA异源双链分子（heterdaplexes）,在电镜下可观察到部分单链DNA区段从异源双链分子上呈环状突起，表示这序列在成熟mRNA分子上已被切除，为内含子。 2.用S1核酸酶处理异源双链分子： S1核酸酶能专一降解未配对的单链核苷酸，基因组DNA中只有与成熟mRNA链相对应的片断，由于形成异源杂合体而得以保留。这些保留下来的DNA片断就是外显子。根据对全序列的分析，它们的大小和在DNA链上的特定位置都能被精确地测定。 3限制性内切酶切图谱分析： 采用几种不同的限制性内切酶，综合分析DNA的酶切图谱和成熟mRNA分子一的酶切位点的分布，就可确定内含子的大小及其在基因中与外显子的排列方式。 2 外显子与内含子的可变性： 在基因转录、加工产生成熟mRNA分子时，内含子通过剪接加工被去除，保留在成熟mRNA分子中的外显子被拼接在一起，最终被翻译成蛋白质。因此，通过反转录酶的作用，由成熟mRNA产生的cDNA分子中，只含有外显子，没有内含子。 外显子和内含子的关系并不是完全固定不变的，有时会出现这样的情况：在同一条DNA链上的某一段DNA序列，它作为编码茉一条多肽链基因的一部分时是外显子，但作为编码另一条多肽链基因的一部分时，则成了内含子，这是由于mRNA剪接加工的方式不同造成的。其结果是同一段DNA序列加工生成了两条或两条以上的mRNA链。 3 外显子与内含子的连接区： 真核基因断裂结构的另一个重要特点是外显子-内含子连接区（exon-intron ju