《基因的表达与调控》PPT课件.ppt

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1、基因作为遗传信息单位，位于染色体上，控制生物的性状发育。,DNA是携带生物遗传信息的载体，是遗传的分子基础。,基因表达就是将基因携带的生物信息释放出来，供细胞利用的过程，或将生物的遗传信息作为性状或特征表现出来的过程。,通常所说的基因表达 指基因指导蛋白质合成的过程。,原核生物或真核生物为了适应外界环境条件及自身的需要，都必须不断调控各种不同基因的表达方式。,第八章 基因的表达与调控,本章参考读物：http:/,基因的共性（按照经典遗传学对基因的概念）：,染色体特性：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时 有规律地进行分配。,交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。,突变单位：一个基因能突

2、变为另一个基因。,功能单位：控制有机体的性状。,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。,经典遗传学对基因结构和功能的探索,三个重要事件：1.Around 1940 Delbrck,Hershey and Luria became interested in bacteriophage,a type of virus that infects bacteria,rather than ordinary cells.They were trying to find a living system as simple as possible,on which t

3、o study with hope of success,fundamental life processes,first of all self-replication.The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,2.“One gene-one enzymeBeadlr and Tatum made the experiment of eye pigments of Drosophila.A cinnabar eye in a vermilion host remained cinnabar,but a vermilion eye in a

4、cinnabar host became wild type.To explain this result we formulated the hypothesis that there must be two diffusible substances involved,one formed from the other according to the scheme:+Precursor+-V+substance-+cn+substance+Pigment.Where V+substance is a diffusible material capable of making a verm

5、ilion eye become wild type,and cn+substance is capable of doing the same to a cinnabar eyes.The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1958,3.cis-trans complementation test.Seymour Benzer(1921).Alleles that were functional but not structural were first termed pseudoalleles,一基因一酶学说.芽盘移植实验 1902 英 Garro

6、d.A首先研究了四种遗传病:黑酸尿病 白化病 胱氨酸尿病 戊糖尿病,Garrod:一个突变基因-一种代谢缺陷 One Mutant Gene-One Metabolic Block,研究人类的先天性代谢疾病，其中有一种是尿黑酸症,1919 斯特蒂文特报告果蝇朱砂眼突变型1933年比德尔和伊弗鲁西（Ephrussi）提出采用成虫盘移植来研究细胞内反应底物的改变对眼色的影响芽盘,成 虫盘（imaginal discs)+:鲜红的（bright red）v:桔黄色眼（vermilion）cn:橙红色眼（cimnabar）sc:暗红色眼（scarlet）。,红色链孢霉（Nenrospora crass

7、a）,（1）其遗传特性已了解清楚；（2）用射线或紫外照射孢子，很容易诱发突变；（3）可以在特定的培养基上生长，并能人工合成它所必需的全部物质。,1941 Beadlr&Tatum 提出：“one gene one enzyme”hypothesis 乙酰鸟 鸟氨酸精 精氨琥珀 精氨琥珀 氨酸酶 氨甲酰酶 酸合成酶 酸裂解酶 N-乙酰 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨 精氨酸 鸟氨酸 琥珀酸 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 图7-4 精氨酸生物合成途径,Beadlr and Tatum:一个基因-一种酶 One Gene-One Enzyme,用X射线诱导处理红色面包霉，筛选出被诱导的突变体来进行实验。根据遗传分析和

8、大量研究，他们认为基因发生突变，就可能导致酶活性的丧失。,红色链孢霉实验(1),突变品系 基本 基本培养基加 培养基 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸 arg cit orn 鸟氨酸(Ornithine),瓜氨酸(Citrulline)精氨酸(Arginine),红色链孢霉实验(2),突变品系 基本 基本培养基加 培养基 A C O arg cit orn A,C,O 分别为arg,cit 和 orn突变品系的细胞提取物,基因的精细结构和顺反测验,五十年代中期本泽（Benzer）首先把“分子”基因的新概念引入了遗传学（1）拟等位基因（pseudoallele）的提出（2）Benzer于1953年发 现T

9、-偶数噬菌体rII,Benzer 顺反子概念和基因内重组 Discovery of Recombination Within the Gene,Benzer 以T4噬菌体为材料进行了研究工作，正式提出“顺反子”这个术语,Benzer 顺反子概念和基因内重组 Discovery of Recombination Within the Gene,Benzer将两个rIIA突变型对B株进行混合感染，再让释放的子代噬菌体感染K株。出现了野生型噬菌体。,r 47 r47 r47+r104 精细作图 r47+r106 r47+r102 B菌株 K菌株,一.基因的精细结构,2重组型噬菌体数 总噬菌体数 2K

10、菌台上的噬菌斑数 B菌台上的噬菌斑数二.顺反测验(cis-trans test),Rf=,100%,Rf=,100%,r106 r51+r106+r51 顺反测验 r47 106+r47+r106 K菌株 B菌株,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。,、分子遗传学关于基因的概念：,揭示遗传密码的秘密：基因 具体物质。,基因不是最小遗传单位 更复杂的遗传和变异单位：,具体内容：,或对其它基因的活动起调控作用(如调节基因、启动基因、操纵基因)。,例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小单位。,The Nobel Prize in Physiolog

11、y or Medicine 1968,.现代遗传学上认为：,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。,顺反子：表示一个作用的单位，基本上符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段DNA与一个多肽链的合成相对应；平均大小为5001500个碱基对。,基因概念：,基因：相当于一个顺反子，包含许多突变子和 重组子。,紫外灯下的DNA,分子遗传学保留了功能单位的解释，而抛弃了最小结构单位说法。,、分子遗传学对基因概念的新发展,将基因分为不同类型：,调控基因(regulator gene)：,指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。,重叠基因(overlapping

12、gene)：,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。,The Nobel Prize in Chemistry 1980,隔裂基因(split gene)：,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。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993,跳跃基因(jumping gene)：,即转座因子，指染色体组上可以转移的基因。,实质：能够转移位置的DNA片断。,功能：可从这条染色体整合到另一条染色体上引起插入突变、DNA结构变异(如重复、缺失、畸变)。突变的结果很容易通过表现型变异得到

13、鉴别。,遗传工程常用：转座子标签法。,玉米转座子现象,.假基因(pseudogene):,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。,真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因。,血红蛋白分子的四条多肽链,三、基因的作用与性状的表达,在生物的个体发育过程中，基因一旦处于活化状态，就将它携带的遗传密码，通过mRNA的转录与翻译，形成特异的蛋白质。,基因对于遗传性状表达的作用可分为直接的与间接的。,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。,但是在更普遍的情况下，基因是通过酶的合成，间接地影响生物性状的表达。,某段DNA,转录,翻译,

14、蛋白质,结构蛋白,直接,生物酶,间接,性状,1.结构蛋白,基因变异 直接影响蛋白质特性，表现出不同遗传性状。,例如人的镰形红血球贫血症。,HbA,突变,HbsHbc,红血球镰刀形,红血球碟形,产生贫血症的原因：,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。,正常碟形红血球转变为镰刀形红血球 缺氧时表现贫血症。,HbA Hbs Hbc,例如：豌豆,圆粒(RR)皱粒(rr)F1 圆粒(Rr)F2 1/4皱粒,2.酶蛋白,表明：R与r基因控制豌豆籽粒的性状不是直接的，而是通过指导淀粉分枝酶的合成间接实现的。,同时揭示了基因控制性状表达的具体过程及分子基础。,比德尔和塔

15、特姆根据红色面包霉的研究所提出的“一个基因一个酶”的假说，亦即一个基因通过控制一个酶的合成来控制某个生化过程，从而影响到某些遗传性状的表达。,从分子遗传学的观点来看，该假说过分简单化了。,一个基因 一个mRNA 一个多肽,上图式仍不完善，,第二节基因的调控,一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典 该种生物的每个细胞中都有这本字典不同细胞选用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能呈现活化状态?,结论：必然有一个基因作用的调控系统在发挥作用。,基因调控主要在三个水平上进行：,一、原核生物的基因调控：,原核生物具有严格的基因表达调控机

16、制。,、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。,不同调控机制差别很大，但通常可归为正调控和负调控两种。,1.负调控：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。,阻遏物与DNA分子结合 阻碍RNA聚合酶转录 使基因处于关闭状态；,2.正调控：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。,未发现,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；,降

17、解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。,原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；,一.操纵子模型：1.调节基因和结构基因.,操纵子（operon)顺式作用元件（cis-acting element）结构基因（structural genes）调节基因（regulator genes）。反式作用因子（trans-acting factor）。诱导物（inducer）和效应物（effectors）可诱导的基因和组成型基因控制位点（controlling site）诱导（induction）,、乳糖操纵元：,对于基因作用调控的机理，研究得比较清楚的是关

18、于大肠杆菌乳糖代谢的调控。,在实验条件下，如果把大量的乳糖加入有大肠杆菌的培养基内，可以产生使大肠杆菌发生乳糖代谢所需要的三种酶，半乳糖苷酶，渗透酶，转乙酰酶的量急剧增加，培养基内乳糖用完时，这三种酶的合成同时停止。,1961年雅各布（Jacob F）.和莫诺（Monod J.）根据上述事实提出了一个操纵元（子）模型，认为这三个酶的基因转录受一个开关单位的控制，这种开关单位即为操纵子Jacob，Fand Monod，JGenetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins J Mol Biol 1961 3：318356,操纵元（子

19、）：由操纵基因以及紧接着的若干结构基因所组成的功能单位，其中的结构基因的转录为操纵基因所控制。,A、乳糖操纵元组成部分 I：编码阻遏蛋白的基因 P：启动子 O：操纵子 L：前导序列Z、Y、A代表三种酶的结构基因是半乳糖苷酶基因是渗透酶基因a是转乙酰酶基因o是开关位点，为操纵基因，起控制结构基因的转录和翻译的作用。,A.乳糖操纵元组成部分；,B.野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),无乳糖时，基因不表达；,C.野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),有乳糖时，基因表达；,D.抑制基因突变(IO+Z+Y+A+),无乳糖时，基因组成型表达；,E.操纵基因突变型(IOcZ+Y+A+),无乳糖时，基因组成

20、型表达。,1 调控位点(1)Operator 操纵基因(2)CAP(catabolite gene activation protein)or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点(3)Promotor 2 别乳糖为诱导物 3 本底组成型(background constitutive synthesis)组成型(constitutive gene)即看家基因（Houskeeping gene),乳糖,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,3.操纵子的发现,1961年 Jacob&Monod构建部分二倍体(lacI-/FlacI+)lacIS 阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏 蛋白失去诱导物结

21、合位点lacI-阻遏蛋白不能形成寡聚物lacI-d 阻遏蛋白不能和DNA结合，且呈 负互补(反式显性)Oc 操纵基因的组成型突变,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965,(二)阻遏蛋白和诱导物的互作,诱导（induction）诱导物（inducers）异丙基-D-硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside,IPTG）安慰诱导物（gratuitous inducer）多顺反子mRNA 变构调控（allosteric control）协同调控（coordinate regulation）一系列基因受同一操纵子的调控。基因簇(

22、cluster),第二节 操纵子的其它调控形式,一 半乳糖操纵子（gal operon）阿拉伯糖操纵子(ara O)三.色氨酸操纵子,二、真核生物基因的调控：,原核生物操纵元调控中的一些原理也存在于真核生物基因表达调控中，但是，多细胞真核生物的调控机制，无疑远比原核生物复杂。在真核生物中基因表达的调节其特点是：（1）多层次（2）无操纵子和衰减子（3）个体发育复杂（4）受环境影响较小,真核生物基因表达的调控可以发生在：染色体水平;DNA水平;转录水平;转录后的修饰;翻译水平和翻译后的修饰;细胞周期调节；等多种不同层次。但多数基因的表达调控仍发生在转录水平。,真核生物与原核生物的调控差异,本章小结

23、,1基因的概念、表达、调控和新发展：,DNA是遗传物质；,性状受制于基因；,基因位于染色体上。,经典遗传学的基因：“三位一体”，即是功能、突变、重组单位。,分子遗传学的基因：保留了功能单位，发展了突变子和交换子的概念。,新基因概念：重叠基因、跳跃基因、断裂基因、假 基因。,2原核生物在转录和翻译水平上的调控：,操纵元模型：乳糖操纵元，色氨酸操纵元和阿拉伯糖操纵元模型。,3真核生物的三个水平调控：,DNA水平：基因扩增、DNA重排、DNA甲基化。,转录水平：启动子与转录因子的结合；,转录强化子与激活子；,选择性启动子；,选择性mRNA切割；,激素的调控作用。,翻译水平：蛋白质的折叠、蛋白酶切割、化学修饰、蛋白质内含子的剪切。,