基因调控及遗传发育.ppt
第 十 三 章遗 传 与 个 体 发 育,张晓明,目 录,细胞核和细胞质在个体发育中的作用 细胞的全能性 基因调控 基因对个体发育的控制,一、细胞质在细胞生长和分化中的作用,动、植物的卵细胞虽然是单细胞的，但它的细胞质内除显见的细胞器有分化外，还存在动物极、植物极，灰色新月体和黄色新月体等分化。这些分化的物质将来发育成什么组织和器官，大体上已经确定。海鞘的卵裂：角贝的极叶形成：海胆个体的发育：花粉粒的发育：,二、细胞核在细胞生长和分化中具有主 导作用,伞藻(Acetabularia)是一种大型的单细胞海生绿藻。自顶部到根部长约6-9厘米。细胞核在基部的假根内。成熟时，顶部长出一个伞状的子实体(fruiting body)，子实体因物种不同而异。在欧洲有一个种叫地中海伞藻(A.mediterranea)，子实体边缘为完整的圆形。另一个种叫裂缘伞藻(A.crenulate)，子实体边缘裂成分瓣形。,三、细胞核和细胞质在个体发育中的相互依存,在个体发育过程中，细胞核和细胞质是相互依存、不可分割的，但起主导作用的应该是细胞核。因为细胞核内的“遗传信息”决定着个体发育的方向和模式，为蛋白质(包括酶)的合成提供了模板(mRNA)以及其它各种重要的RNA，从而控制了细胞的代谢方式和分化程序。细胞质则是蛋白质合成的场所，并为DNA的复制、mRNA的转录以及tRNA、rRNA的合成提供原料和能量。,果蝇极细胞质移植试验：小麦瘿蚊染色体的放弃：水蜡虫体细胞染色体异染色质化：细胞质对性染色体的影响：,第二节 细胞的全能性,植物细胞培养：动物细胞核移植：,第三节 基因调控,基因调控的证据 原核生物基因调控 真核生物基因调控,一、基因调控的证据,二、原核生物基因调控特点,原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。在细菌中，当几种酶参与同一个代谢途径时，往往是这几种酶的合成同时起动，产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺反子(polycistronic)mRNA，这是原核生物所特有的现象，也是一种经济有效的调控方式。真核生物没有这种调控机制，因为真核生物基因转录的是单顺反子(monocistronic)mRNA。不同转录调控机制中有一些共同特点。在一个多级反应的降解代谢途径中，被降解的分子将决定这些降解酶是否需要合成。而在合成代谢途径中，合成的最终产物又可以调节合成酶基因的表达。,正调控和负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的是负调控(negative regulation)。阻遏物与DNA分子结合，阻碍RNA聚合酶转录，使基因处于关闭状态。只有当阻遏物被除去之后，转录才能起动，产生mRNA分子。正调控(positive regulation)是经诱导物诱导转录的调控机制。在正调控系统中，诱导物通常与另一蛋白质结合形成一种激活子(activator)复合物，与基因启动子DNA序列结合，激活基因起始转录。,三、乳糖操纵元模型,1 负调控,2 正调控,3、乳糖操纵元存在的证据,遗传分析 lac操纵元模型有三个基本假定：阻遏基因I的产物是可在细胞中扩散的反式调控元件；操纵子O是调控位点，不编码蛋白质；O位点必须紧邻受其控制的结构基因，它是顺式调控元件。通过构建和分析细菌的局部二倍体(merozygote)，可以检测上述假定是否成立。,阻遏蛋白的分离与鉴定：1966年吉尔伯特(Gilbert，W.)等人利用一种阻遏蛋白超量突变型(regulator quantity，Iq)，分离出阻遏蛋白。这种突变型产生的阻遏蛋白是野生型的10倍。经IPTG诱导Iq细胞，分离提取的阻遏蛋白放在透析袋中，用含有同位素标记的IPTG溶液透析。在这种透析条件下，标记的IPTG小分子可以自由地扩散进入透析袋内，当达到平衡时，透析袋内的IPTG浓度高于透析袋外溶液的浓度，说明袋内的细胞提取物中含有与IPTG结合的物质，这种物质的分子量大而不会扩散到透析袋外面的溶液中。将与IPTG结合的物质纯化后的分析表明，它具有蛋白质的特性，而来自I 细胞的提取物则没有与IPTG结合的特性，说明分离的是阻遏蛋白。,进一步将细菌放在含有同位素标记的培养基中培养，分离出与IPTG结合并经同位素标记的阻遏蛋白，再与带有lac O+序列的Lambda DNA混合，分析沉降系数。DNA的沉降系数为40S，而IPTG阻遏蛋白复合物的沉降系数为7S。将IPTG阻遏蛋白复合物与DNA混合后用梯度超速离心沉降分离，发现具有放射性的蛋白质复合体的沉降系数与DNA的相同，说明阻遏蛋白已经与DNA结合了。而且，分离的这种阻遏蛋白只能与正常的lac操纵子序列结合，不能与lac操纵子组成型突变(Oc)DNA结合。,阻遏蛋白的结晶分析：1996年，刘易斯(Lewis，M)等人成功地测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构，进一步补充和证实了根据遗传和生化分析提出的lac操纵元结构模型，从而使lac操纵元调控得到充分的证据，成为一幅完整的图案。I基因产物具有360个氨基酸，它的单体与诱导物结合的位点已经鉴定。分析表明，具有功能的阻遏蛋白含有4个亚基，即为同聚四聚体。四聚体可被蛋白酶酶切，产生5个片段，其中4个来自四聚体的氨基端，它们负责与操纵子DNA结合。第5个是四聚体形成的中心，来自羧基端，它与乳糖诱导物及IPTG结合。每个四聚体可同时与两个对称的DNA双链结合。,四、真核生物基因表达的调控,在真核生物中基因表达的调节其特点:多层次 无操纵子 个体发育复杂 受环境影响较小,1 真核生物基因调调控特点及种类:,短期调控:对环境条件的改变或者细胞的及组织的生理条件的改变作出反应。长期调控:受到内在程序化的控制,和外界环境的变化关系不大。基因的活性是指具有表达的基本条件。基因的表达是指具备表达的充分条件,真核生物中基因表达的调控种类:,2 真核生物基因题调控的3个问题:,什么信号使细胞去调控基因的表达 对特定基因行使的调控发生在哪一级水平 各级基因调控的分子机制?,mRNA,信号？,蛋白质,调控信号是指触发基因表达的物质。,3.3 真核生物基因调控的信号:,激素：,固醇类激素(S),神经递质,受体+胞苷环化酶,ATP,cATP,蛋白质激活酶,磷酸化,非组蛋白解除组蛋白抑制,RNA聚合酶增加结合转录的功能,细胞间的接触和作用也有基因调控作用,环境和营养信号：饥饿诱导程度 抑制不必要的酶合成程度,原生原套学说胚胎发育,4 真核生物基因题调控的不同水平:,DNA的改变：,基因剂量和基因扩增 DNA的重排 酵母交配型转变 抗体基因的表达 DNA的甲基化,酵母的变配型的转变 酵母的变配型,等位排斥有效重排印迹基因 类别转换,抗体有100万种以上，一种淋巴细胞只产生一种抗体。指令学说：克隆选择学说：体细胞重组学说：,上世纪60年代提出，1976年由利根川进证实。,转录水平的调控：调控元件 调控方式,翻译水平的调控：调控方式,染色质水平调控：,调控方式,异染色质化 水蜡虫（2n=10）在体细胞里来自父本的5条染色体依次被异染色质化，在精子形成时丢失，只保留来自母本的5条染色体。剂量补偿 雌性哺乳动物X染色体的失活,莱昂假说：巴尔小体是一个失活的X染色体，失活的过程就称为莱昂化；在哺乳动物中，雌性个体细胞中的两个X染色体中有一个X染色体在受精后的第16天（受精卵增殖到5000-6000，植入子宫壁时）失活；两条X染色体中哪一条失活是随机的；X染色体失活后，细胞继续分裂形成的克隆中，此条染色体都是失活的；生殖细胞形成时失活的X染色体可得到恢复。,无汗性外胚层发育不良 三色猫 G-6-PDH,
