普通遗传学第十四章基因表达的调控.ppt
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1、,第十四章 基因表达的调控,第一节 原核生物的基因调控第二节 真核生物的基因调控,基因只有在它应该发挥作用的细胞和应该发挥作用的时间,才呈现活化状态。例如:在一株玉米的全部细胞内都有发育雌花丝的基因,但是在根、茎、叶上不会长出雌花丝来,只有在形成子房后,在子房的顶端才长出雌花丝。基因调控(gene regulation):控制特定基因产物合成的机制称为基因调控。,无论是真核还是原核生物转录调节都是涉及到编码蛋白的基因和DNA上的元件:DNA元件是DNA上一段序列,但它作为一种原位(in situ)序列具有特殊的功能。由于它只能作用同一条DNA,因此称顺式作用元件(cis-acting elem
2、ent)。顺式作用位点通常总是在靶基因的上游。调节基因的产物可以自由地结合到其相应的靶上,因此被称为反式作用因子(trans-acting factor)。,负调控:存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的调控。正调控:调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互作用来帮助起始。诱导物通常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。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 14-1 正调控和负调控,第一节 原核生物的基因调控 一、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
3、物时,mRNA转录受到抑制。,1、乳糖操纵元模型 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,乳糖代谢酶基因不表达,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 142 乳糖操纵元模型,没有乳糖时:,有乳糖时:,目前,通过遗传分析证明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。,诱导物,DNA,DNA,cAmp-CAP,O1,O2,阻遏蛋白结构及其与操纵子DN
4、A结合模式图,阻遏蛋白,阻遏物四聚体,阻遏物与CAP、O1、O2等结合,因此:当有葡萄糖存在,细菌细胞就不产生-半乳糖苷酶。,乳糖操纵元的正调控:,半乳糖,乳糖,葡萄糖,-半乳糖苷酶,葡萄糖,转化,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:,乳糖操纵元的正调控:,葡萄糖可以抑制腺苷酸环化酶(adenyl cyclase)的活性。,ATP前体,环式Amp(cAmp),腺苷酸环化酶(adenyl cyclase),cAmp,代谢激活蛋白(catabolite activating protein(CAP),+,cAmp-CAP复合
5、物,正调控因子,WHY?,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。,cAmp-CAP复合物,结合在lac启动子区域特异核苷酸序列,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,转录效率更高,乳糖操纵元的正调控,2、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。,trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。5端是启动子、操纵子、前导顺序(trpL)和衰减子(attenuator)。,trp R编码一种无辅基阻遏物,形成无辅
6、基阻遏物色氨酸复合物后,才能与操纵子结合。色氨酸称为辅阻遏物。,细胞中的色氨酸不足时,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。,细胞中的色氨酸浓度较高时,色氨酸分子可与无辅基阻遏物结合,成为有活性的阻遏物,结合在操纵子区域,阻止转录。,由于Trp操纵子的阻遏能力较低,仅是lacI产物的1/1000,因此trp操纵子还必须依赖别的途径来进行调节。这种途径就是衰减作用。,衰减子与衰减作用:,衰减子与衰减作用:1)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的衰减子区域,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
7、环结构。所以衰减子是一种内部终止子。2)无色氨酸时,由于前导肽中色氨酸密码子的作用,使衰减子不能形成发夹结构而成为单链,继续向前转录,第一节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控二、翻译水平的调控,二、翻译水平的调控 1、反馈调控机制如果某种蛋白质过量积累,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(SD)(AGGAGGU)序列。,2、反义RNA调控反义RNA可与目的基因的5UTR(untranslated region)互补配对,配对的区域通常也包括启动子的SD序列,使mRNA不能与核糖体有效结合,
8、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,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。,第二节 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。,一、DNA水平的调控二、染色质水平调控三、转录水平的调控四、翻译水平的调控,第二节 真核生
9、物的基因调控,1、基因丢失2、基因扩增3、基因重排4、DNA甲基化,一 DNA水平的调控,一、DNA水平的调控 1、基因丢失,马蛔虫(2n=2)受精卵的早期分裂,某些原生动物,如线虫、昆虫和甲克类动物在个体发育过程中,许多体细胞经常丢掉整个或者部分染色体,只有将要分化形成生殖细胞的细胞中保留全部染色体。通过染色体丢失,丢失某些基因而除去这些基因的活性的现象称为基因丢失(gene elimination)。,2、基因扩增 基因扩增:细胞内特定基因拷贝数专一性大量增加的现象。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
10、关。,3、基因重排 基因重排:DNA分子核苷酸序列的重新排列。重排不仅可以形成新的基因,还可以调节基因表达。基因组中的DNA序列重排并不是一种普遍方式,但它是一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(mating-type)基因位于酵母菌第3染色体上,MATa和MAT互为等位基因。,动物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 链(L)。氨基端(N端)是变异区(V),羧基端(C端)是恒定区(C),动物抗体基因重排,V,C,人类抗体由不同基因片段经重排组合后形成的。重链基因包括4个片段:变异区(VH),多样区(D),连
11、接区(J),恒定区(C),在14号染色体轻链基因有3个片段。变异区(VL),连接区(J)和恒定区(C)。,免疫球蛋白的多样性,人类第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,由约300个抗体基因片段产生108个抗体分子。,免疫球蛋白的多样性,4、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,为甲基化提供很多可能的位点。,甲基化可降低转录效率。,一、DNA水平的调控二、染色质水平
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