遗传学第十四章 基因的表达与调控.ppt

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1、,第十四章 基因的表达与调控,第一节 基因的概念 一、基因的概念及其发展 1、经典遗传学孟德尔称控制性状的因子为遗传因子 1909年约翰生提出了基因这个名词，取代孟德尔的遗传因子摩尔根等人对果蝇、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,经典遗传学关于基因的概念有如下几个要点：1、基因是不连续的颗粒状因子，在染色体上有固定的位置，并且呈直线排列，具有相对的稳定性。2、基因作为一个功能单位控制有机体的性状表达。3、基因以整体进行突变，是突变的最小单位。4、基因在交换中不再被分割，是重组的最小单位，。5、基因能自我复制，在有机体内通过有丝分裂有规律地传递，在上下代之间能通过

2、减数分裂和受精作用有规律地传递。,结构单位 重组单位基因 突变单位 功能单位2、分子遗传学基因是DNA分子上的一定区段,携带有特殊的遗传信息，可转录、翻译，可对其他基因起调节作用,突变子：突变的最小单位基因 重组子：交换的最小单位 顺反子（作用子）：功能单位（基因）基因可进一步分为不同类型：(1)结构基因：可编码RNA或蛋白质的一 段DNA序列(2)调控基因：其产物参与调控其他结 构基因表达的基因,(3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序，由于阅读框架(ORF)的不同或终止 早晚的不同，同时编码两个或两个 以上多肽链的现象(4)隔裂基因：指一个结构基因内部为 一个或更多的不翻译的编码顺序，如内

3、含子所隔裂的现象(5)跳跃基因：可作为插入因子和转座 因子移动的DNA序列，有人将它作为 转座因子的同义词(6)假基因：同已知的基因相似，但位 于不同位点，因缺失或突变而不能 转录或翻译，是没有功能的基因,二、基因的微细结构 1、互补作用与互补测验(顺反测验)假定有两个独立起源的隐性突变如a1与a2，它们具有类似的表型，如何判断它们是属于同一个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？即如何测知它们是等位基因？,需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用,图 82 顺反测验,2、顺式与反式调控 假设某一基因的表达受一种调控 蛋白质控制，只有在调控蛋白质 与该基因的启动子位点结合时

4、，这个基因才能表达。如果这个基因的启动子位点发生 突变，调控蛋白不能识别这个位 点，也就不能转录形成RNA，基因 就不能表达。,顺式调控：突变只影响到与其邻近 的编码序列，即基因本身不能表 达，并不影响其它等位基因。这 种突变称为顺式调控反式调控：如果是调控蛋白质发生 突变，形成的蛋白质不能与这个 基因的启动子结合，这将会影响 到与这个蛋白质结合的所有等位 基因位点，导致这些基因不能表 达，这种突变称为反式调控,图83 顺式调控与反式调控P为启动子，R为调控蛋白，两个正常的等位基因表达产生RNA。2.启动子突变(P-)后，调控蛋白不能与其结合，顺式调控突变的基因不表达，另一个等位基因正常表达。

5、3.调控蛋白突变(R-)后，不能与启动子结合，这种反式调控蛋白质突变，使受其控制的所有基因不表达。,3、基因的微细结构 20世纪50年代的生化技术还无法进行DNA的序列测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术，对T4噬菌体r区基因的微细结构进行了详细分析,图 86 突变座位与互补图解,三、基因的作用与性状的表达 结构蛋白/功能蛋白直接性状 表达。人类的镰形红血球贫血 症：正常血红蛋白基因(A)的基因 两个不同的突变(S或C)，即 A S或A C导致镰形 红血球 酶间接地影响生物性状的表达,第二节 基因调控 每个细胞都含有整套遗传密码，只是这本密码在每个细胞中并不全部译出应用，而是不同细胞选用

6、其中各自需要的密码子加以转录和翻译。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间，才呈现活化状态，而在它不应该发挥作用的时间和细胞内，则处于不活化的状态呢？这种控制特定基因产物合成的机制称为基因调控。,一、原核生物的基因调控 1、转录水平的调控 原核生物基因表达的调控主要 发生在转录水平当需要某一特定基因产物时，合成这种mRNA。当不需要这种 产物时，mRNA转录受到抑制,正调控：是经诱导物诱导转录的调控机制，即诱导物与另一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 负调控：阻遏物阻止转录过程的调控，即阻遏物与DNA分子结合，阻碍RNA聚合酶转录

7、，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 原核生物中基因表达以负调控为主。真核生物中则主要是正调控机制。,图 88 转录水平的负调控与正调控,2、乳糖操纵元 大肠杆菌的乳糖降解代谢途径：Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制,图 89 乳糖操纵元模型及对有无乳糖的反应,两种组成型突变：II，OOc,在有无诱导物时均可大量组成型表达,乳糖操纵元模型,乳糖操纵元的

8、负调控,乳糖操纵元的正调控 除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外，其它因子也能有效地抑制lac mRNA转录，这个因子的活性与葡萄糖有关：葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性腺苷酸环化酶催化ATP前体cAmpcAmp+代谢激活蛋白(CAP)cAmp-CAP复合物，作为操纵元的 正调控因子,当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到lac启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯曲形成新的构型，RNA聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加牢固，因而转录效率更高。在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达。,乳糖操纵元的正调控,目前，通过遗传分析证明

9、lac操纵元的存在；已经分离出阻遏蛋白，并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,图 814 乳糖操纵元的不同调控位点a：CAP结合位点；b：RNA聚合酶结合位点；R：形成抑制环的区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数,3、色氨酸操纵元 大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中基因调控的典型例子：色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶的结构基因。当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5种酶的转录同时受到抑制；在色氨酸供应不足时，发生转录。色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控色氨酸mRNA的转录。因此trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元,图 815 色氨酸操纵元

10、的组成,1）阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基因编码无辅基阻遏物+trp活性无辅基阻遏物色氨酸复合物，与操纵子结合，阻止转录2）色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三维空间结构发生改变，不能与操纵子结合，进行转录 活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制转录的起始。（弱化子）,3）弱化作用：在高浓度色氨酸存在时，转录的前导序列mRNA只含有140个核苷酸，其中有一段28bp的弱化子区域，它在转录后可迅速形成发夹环结构，RNA聚合酶转录时不能通过这种发夹环结构。所以弱化子是一种内部终止子。4）无色氨酸时，由于前导肽中色氨酸密码子的作用，使弱化子不能形成发夹结构而成为单链。RNA聚合酶则通过弱化子，继续向前

11、转录结构基因。,图 816 色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构,4、阿拉伯糖操纵元 阿拉伯糖操纵元也是解释代谢途径的调控系统，它具有一些与lac操纵元相似的特点，但与前述两种操纵元系统的显著区别是它的同一种调控蛋白-Ara C调控蛋白既可起正调控,也可起负调控作用,A、阿拉伯糖操纵元的组成。R：调控基因araC编码AraC蛋白；O：操纵子位点；I：诱导位点，具有CAP结合位点。,B、有ara时，AraC与I位点结合，CAP-cAmp与CAP位点结合，诱导表达结构基因，为正调控。C、无ara时，没有CAP-cAmp复合体与CAP位点结合，AraC二聚体(D)与I及O2同时结合，形成抑制环，

12、抑制转录，表现为负调控。,5、翻译水平的调控 反馈调控机制：大肠杆菌有7个操纵元与核糖体蛋白质合成有关。从这些操纵元转录的每一种mRNA，能够被同一操纵元编码的核糖体蛋白质识别与结合。如果其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与其自身的mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点通常包括mRNA 5端非翻译区，也包括启动子区域的 Shine-Dalgarno 序列。,反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5UTR互补配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，

13、将乙烯形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。,二、真核生物的基因调控 真核生物基因调控远比原核生物复杂：1）高等真核生物的基因组远比细菌的基 因组大得多 2）很多重复序列与调控作用有关 3）染色质结构的变化可以调控基因表达 4）存在同一染色体上不同基因间的调控，也存在不同染色体之间的基因调控 调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修饰，翻译水平和翻译后修饰等多种层次。多数基因表达调控发生在转录水平,1、DNA的改变（1）基因剂量与基因扩增 组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型例子。为了合成大量组蛋白用于形成染色质，多数细胞含有数百个组蛋白基因拷贝 基因剂量可经基因扩增临时增加

14、。人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，导致细胞生长失控。有些致癌基因扩增的速度与病症的发展及癌细胞扩散程度高度相关。,（2）DNA重排 真核生物基因组中的DNA序列可发生重排，这种重排是由特定基因组的遗传信息所决定的，是有些基因调控的重要机制。,酵母交配型转换 a 这种交配型转换的基础是遗传物质的重排。控制交配型的MAT基因位于酵母菌第三染色体上，MATa和MAT互为等位基因,图 819 酵母菌交配型转换的遗传基础,图 820 抗体分子的基本结构一个抗体分子包括两条重链(H)和两条轻(L)。氨基端(N)是变异区(V)，羧基端(C)是恒定区(C),动物抗体基因重排,图 821 人类

15、第14号染色体上抗体重链基因片段(A)和抗体重链基因的构建(B),抗体基因重排中各个片段之间的随机组合，可从约300个抗体基因中产生108个抗体分子,（3）DNA甲基化真核生物中，少数胞嘧啶第5碳上的氢被一个甲基取代，甲基化。甲基化C在DNA复制中可整合到正常DNA序列中。C甲基化在CG双核苷酸序列中发生频率最高。许多真核生物基因5端未翻译区富含CG序列，易甲基化。甲基化可降低转录效率。,2、转录水平的调控(1)启动子与转录因子 同原核生物一样，真核生物基因启动 子包括所有顺式调控元件及RNA聚合 酶识别位点，可以起始转录形成RNA 转录因子是激活真核生物基因转录的 蛋白质真核生物基因转录与原

16、核生物的一个 重要区别是：真核生物基因的启动子 必须与一系列转录因子结合，才能在 RNA聚合酶的作用下起始转录,图823 真核生物基因(A)与原核生物基因(B)在5端启动子的顺式调控元件转录方向用箭头表示，转录起始点用+1表示,(2)强化子 转录强化子是真核生物基因转录中的另一种顺式调控元件，通常位于启动子上游700-1000bp处，离转录起始点较远,强化子主要有两个功能:与转录激活子结合，改变染色 质的构型使DNA弯曲形成环状结构，使 强化子与启动子直接接触，以 便通用转录因子、转录激活子、RNA聚合酶一起形成转录复 合体，从而提高mRNA合成效率,图 825 DNA环化与转录活性,图826

17、 强化子竞争控制基因表达,(3)激活子 激活子是一种与强化子结合的蛋白质，也属于一种转录因子 正激活子 真激活子（促进转录）抗阻遏物激活子激活子 负激活子：抑制转录,图828 由Cys-His与锌离子形成的具有三个手指的锌指构型(a)模式图(b)与DNA结合，一个手指与DNA大沟结合,图 829 二聚体形成的拉链(a)模式图(b)与DNA结合时的剪刀状构型,(4)酵母菌乳糖代谢的正调控 酵母菌半乳糖酶基因的作用方式与细菌中的lac和ara操纵元相似：无半乳糖时，基因不表达；加入半乳糖后，mRNA浓度迅速增加1000倍。,(5)选择性启动子 有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子，用于在不同

18、细胞中表达。果蝇的乙醇脱氢酶基因，在幼虫和成虫期分别利用不同启动子进行转录,(6)选择性mRNA切割 同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式切割加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质在含量或组成上都可能不同,(7)激素的调控作用 果蝇中，蜕皮激素引起唾腺染色体74区EF段、75区B段和78区D段都有疏松出现，说明蜕皮激素引起该部位基因的活性,图 835 果蝇不同发育阶段唾腺第III染色体上的疏松图式,在组织培养中，通过调节培养基中的激素种类和浓度，可使细胞脱分化和再分化,三、翻译水平的调控 真核生物中，如果翻译过程被抑制，则已经转录的mRNA也不能翻译成多肽，被迫以失活的状态贮存起来。例如，植物的种子可以贮存很多年，一旦条件合适，即可发芽。其机制：（1）mRNA尾短加尾翻译（2）阻遏蛋白与特异mRNA序列结合，导致蛋白质翻译受阻,翻译形成的线状多肽链没有功能，需要经过加工修饰后才具有活性。加工过程中涉及到一系列调控机制蛋白质折叠 蛋白酶切割蛋白质的化学修饰蛋白质内含子（加工切除）,图 837 蛋白质内含子的切割及跳跃。1.具有内含子的基因(A+Int)转录翻译形成蛋白质；2.蛋白质内含子从多肽链上切割下来；3.切下来的内含子作为内切酶将不含内含子的等位基因(B-Int)切开；4.A+Int基因中的内含子序列插入到B-Int中形成B+Int基因,