基因的调控与发育.ppt

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1、第十一章 基因调控与发育,基因表达与调控 发育与细胞分化,生物的遗传信息以基因的形式储藏在细胞的DNA分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息通过转录和翻译转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。从DNA到蛋白质，叫做“基因表达”，对这个过程的调节就称为“基因表达调控”。,1 基因表达与调控,生物的所有基因不是同时全部都表达，大肠杆菌含有约4000个基因，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时

2、间和空间概念。,1.1 基因表达的时间性与空间性,时间特异性,空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性（cell or tissue specificity）。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间出现，称之为基因表达的空间特异性（spatial specificity）。,生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。,从上所述，不难看出：,组成性表达(constitutive expression)诱导和阻

3、遏表达(induction and repression expression）,1.2 基因表达的方式,组成性表达：,某些基因产物对生命全过程是必需的或必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，称为管家基因（housekeeping gene）。管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。,诱导和阻遏表达,有一些基因表达极易受环境变化影响，在特定环境信号刺激下，这些基因的表达或是被激活（诱导），或是被抑制（阻遏）。诱导表达是属于基因表达的“正调控”，阻遏表达是属于基因表达的“负调控”。,1.2 原核基因的调控操纵子学说,1

4、960年，法国的Monod与Jacob在法国科学院院报上发表了一篇论文，提出“乳糖操纵子学说”，认为乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。他们首先提出了操纵子（operon）和操纵基因（operator）的概念，这一学说使我们从分子水平开始认识基因表达的调控，具有划时代的意义，因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。,需要两种酶：-半乳糖苷酶-半乳糖苷透性酶,大肠杆菌的乳糖代谢,I,P,O,Z,Y,A,控制位点 结构基因,DNA,启动子,操纵子,半乳糖苷酶,半乳糖苷酶通透酶,半乳糖乙酰转移酶,调控基因,1.2.1 乳糖操纵子的结构,阻遏蛋白,-半乳糖苷酶：一种-半乳糖苷键的专一

5、性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。-半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基转移酶：把乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,1.2.2 乳糖操纵子的 负调控,无乳糖存在时，阻遏物可以结合在操纵基因上，阻止转录过程，基因关闭；有乳糖存在时，乳糖与阻遏物结合，使阻遏物不能结合操纵基因，基因开放。,I,P,O,Z,Y,A,控制位点 结构基因,DNA,启动子,操纵子,半乳糖苷酶,半乳糖苷酶通透酶,半乳糖乙酰转移酶,调控基因,1.2.3 乳糖操纵子的正调控,阻遏蛋白,cAMP-CAP,cAMP,cAMP与CAP（分解代谢

6、物基因活化蛋白）的复合体，是乳糖操纵子的正调控因子。,2,无葡萄糖，无乳糖：,无葡萄糖，有乳糖：,RNA聚合酶,有葡萄糖，无乳糖：,有葡萄糖，有乳糖：,葡萄糖和乳糖对cAMP-CAP调节操作子的可能模式,当培养基中葡萄糖浓度升高而乳糖浓度降低时,细胞中cAMP浓度降低,缺乏乳糖与阻遏蛋白结合,CAP失活,阻抑蛋白与操纵基因结合,RNA聚合酶不能与启动基因结合,基因转录被阻遏,阻遏蛋白的负性调节,当培养基中葡萄糖浓度降低而乳糖浓度升高时,细胞中cAMP浓度升高,乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合,cAMP与CAP结合并使之激合,促使阻抑蛋白与操纵基因分离,CAP促进RNA聚合酶与启动基因结合,基因转录

7、激活,CAP的正性调节,乳糖操纵子的双调控系统,(1)受乳糖与阻遏蛋白的负调控;(2)受cAMP-CAP的正调控系统，葡萄糖通过调节cAMP的合成间接调控这一过程。若有葡萄糖或葡萄糖乳糖共同存在时，先利用葡萄糖是最节能。通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。乳糖操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。,DNA水平上的调控转录水平的调控转录后调控翻译水平上的调控翻译后调控,1.3 真核生物基因表达的调控,1.3.1 DNA水平的调控,通过改变基因组中有关基因的数量和结构顺序而控制基因的表达。包括:基因扩增 基因丢失 基因重排 基因的化

8、学改变 其中有些改变是可逆的,基因扩增,两栖动物蟾蜍的卵母细胞很大，是正常体细胞的100倍，需要合成大量蛋白质，所以需要大量核糖体。在卵母细胞发育过程中，rRNA基因数目临时增加4000倍。,基因丢失,马蛔虫2n2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。一部分细胞总是保留完整的基因组，将来发育为生殖细胞；丢失了部分染色体的细胞分化为体细胞。,马蛔虫受精卵的早期分裂,基因重排,人体可产生108以上不同的抗体分子每一种特异抗体具有不同的氨基酸序列人类基因组中编码蛋白质的基因大

9、概只有30000个编码抗体分子需要的基因是人体基因总数的1000倍!可能吗？,免疫球蛋白（抗体）的分子结构,在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。完整的重链基因由VH、D、J和C四个基因片断组合而成完整的轻链基因由VL、J和C 3个片段组合而成。,人类抗体重链基因结构,抗体轻链的形成过程,DNA的甲基化,在真核生物DNA分子中，少数胞嘧啶碱基第5碳上的氢可以在甲基化酶的催化下被一个甲基取代，使胞嘧啶甲基化（methylation）。甲基化多发生在5-CG-3二核苷酸对上。有时CG二核苷酸对上的两个C都甲基化，称为完全甲

10、基化，只有一个C甲基化称为半甲基化。,甲基化可以调控基因表达,DNA的甲基化可以引起基因的失活；基因表达的活性与甲基化程度呈负相关；甲基化的程度可以在转录的充分激活和完全阻遏之间起调节作用。,1.3.2 转录水平的调控,顺式作用元件（cis-acting element）是指DNA分子上对基因表达有调节活性的特定核苷酸序列。顺式作用元件多位于基因上游或内含子中，只影响同一DNA分子上的基因。真核基因的顺式作用元件按其功能可以分为：启动子、增强子、沉默子,启动子,增强子,反式作用因子（trans-acting factors）：是参与调控基因转录效率的蛋白质因子，可以直接或间接识别或者结合顺式作

11、用元件核心序列，可对基因表达产生激活或阻遏的作用。,不论是启动子还是增强子都必须与特定的蛋白质的相互作用才能调控基因的表达；真核生物RNA聚合酶不能直接启动转录，必须要转录因子装配到启动子上，RNA聚合酶才能启动转录。,顺-反式作用元件与顺-反式作用,2）转录调节因子结构,DNA结合结构域的结构特征,螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix）锌指（zinc finger）亮氨酸拉链（leucine zipper）,螺旋转角螺旋,锌指结构,亮氨酸拉链,1.3.3 转录后调控,在真核生物中，蛋白质基因的转录产物必须经过加工才能成为成熟的mRNA分子。加工过程包括三个方面：加帽、加尾、去掉

12、内含子（mRNA剪接）可变剪接（alternative splicing）、RNA编辑,1.3.4 翻译水平的调控,阻遏蛋白与mRNA结合，可以阻止蛋白质的翻译；如铁蛋白mRNA的翻译取决于铁的供应。成熟的mRNA可以失活状态贮存起来；如种子萌发时，用储存的mRNA合成蛋白。海胆卵内的mRNA在受精前是不翻译的，一旦受精，蛋白质的合成立即开始。,地中海伞藻的生活史,千年古莲发芽之谜,1.3.5 翻译后调控,直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的，必须经过加工才具有活性。蛋白质的切割蛋白质的化学修饰,真核生物与原核生物正负调控作用的比较,真核生物：特异性正调控与非特异性负调控原核生物：非特异性正

13、调控与特异性负调控为什么？,2 发育与细胞分化,果蝇的发育基因体细胞的全能性问题,2.1 果蝇的发育基因,胚胎发育是一个不同基因先后被激活的链式反应果蝇胚胎发育过程中最先起作用的是母体效应基因，这些基因的转录（RNA）和翻译（蛋白）产物在受精前已经储存在卵细胞中母体效应基因产生了“位置效应”，决定了胚胎极性的形成。,间隙基因,配对规则基因,体节极化基因,同源异型基因,母体效应基因：,同源异型基因突变体,2.2 细胞的全能性,1958年斯蒂伍德用野生胡萝卜根的韧皮部细胞进行离体培养，成功地长出了幼株。,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。,愈伤组织,再生小苗,

14、愈伤组织形态图,克隆羊 多莉,多莉（Dolly）是第一个使用成熟细胞克隆的哺乳动物，1996年诞生于英国爱丁堡附近的罗斯林研究所。因患晚期肺病和关节炎，在年仅6岁时就被处以安乐死。,绵羊通常能活12年左右，而多莉只活了6岁，它的早夭再次引起了人们对克隆动物是否会早衰的担忧。正值壮年的多莉患有肺部感染和关节炎，而这是一种老年绵羊的常见疾病。,克隆动物的年龄到底是从0岁开始计算，还是从被克隆动物的年龄开始累积计算，还是从两者之间的某个年龄开始计算？这是一个很难回答的问题。,多莉羊重生！英科学家宣称4年前又克隆出4只,欧洲盘羊奥姆布雷塔,2000年，一只叫做奥姆布雷塔的欧洲盘羊被成功克隆，科学家这样

15、做是为了营救目前世界上数目稀少的欧洲盘羊，避免它们从地球上灭绝消失。,克隆马普罗梅蒂亚,2003年，意大利克隆出一只叫做普罗梅亚的种马，并希望通过克隆的方法能够制造出更多的意大利种马。,克隆骡子格姆,骡子是不能生育的，2003年，美国爱达荷州研究小组成功地克隆了一只叫做格姆的骡子。它是第一只被克隆的无法生育的动物。,克隆牛诺托和卡加,1998年日本成功克隆了两头母牛“诺托”和“卡加”，随后克隆了数千头母牛，这项技术为其他克隆技术生产出更好的肉质和牛奶做出巨大贡献。,美国的实验室克隆了出了5头雌性猪，其中最大的一头叫做米莉。这些克隆猪能生长出适合人类的器官和细胞组织。,克隆猪米莉,克隆鱼鲫鱼,1

16、963年，一条亚洲鲤鱼被成功克隆；十年之后，我国科学家童第周又克隆了一条欧洲鲤鱼。,克隆雪貂利比和利丽,2004年，美国依阿华大学首次成功克隆出雪貂利比和利丽，这对于研究呼吸管疾病非常有用，同时雪貂也是濒危灭绝的物种。,克隆狼,2005年，首尔国立大学成功地克隆了两只灰狼，这是保护环境和野生动物的一种有效措施。,克隆狗史努比,2005年，韩国科学家挑战了一项克隆技术，最终他们利用干细胞移植手术培育出世界上第一只克隆狗，并将这只克隆狗命名为史努比。,克隆猫科毕,这只名叫科毕的猫于2001年成功克隆，从此开辟了宠物克隆市场，并最终形成了克隆宠物的国际性行业。,克隆鼠拉夫尔,2002年，一只叫做拉夫

17、尔的大老鼠终于成功地被克隆，它经过15次克隆才最终成功。大老鼠的克隆技术较难实现，并且大老鼠的克隆对于人类医学研究意义重大。,克隆猴特拉,2000年，实验室首次成功克隆了一只叫做“特拉”的猕猴，后来科学家们陆续克隆了多只猴子，可用于研究人员测试糖尿病等病症。,克隆人？,克隆人的社会伦理问题,美国科幻小说家D.Rorvick写的The cloning of man 一位富有的商人希望自己能永远活在世上，于是就将自己的体细胞移植到一枚去核受精卵中，在体外发育到胚泡期，将小胚胎移植到代理母亲子宫内，经过怀孕最后生下一个健康的男婴。这位男婴就是这位富商的CLONE。,克隆人的出现会搞乱人际关系。克隆人

18、出来以后，他跟这个基因提供者之间不知道是什么关系。父子也不像，母子，母女，都说不太清楚；克隆技术会导致基因多样性的丧失。有性繁殖不断导致新的基因的出现，单性复制会导致基因多样性的丧失，危害整个物种的安全；,怀疑会不会有战争狂人复制很多希特勒，给世界造成新的灾难。,人们对克隆人技术的一些担忧,当你发现世界上有一个与你完全一样的人存在，你会怎想？,当你突然发现自己才是克隆人，活着就是为了给“主人”提供器官，你又会怎么想？,基因工程技术给人类提供了无限的改变自身基因的能力，是否会产生超乎常人的突变人？引起严重的社会后果？,是否绝对禁止克隆人研究？,美国、英国：允许以治疗研究为目的的人体胚胎克隆实验；

19、日本：禁止克隆人，禁止一切将人与动物细胞相互移植的克隆行为，克隆人者将被处以10年监禁；德国、欧盟：实施胚胎保护法，严格禁止克隆人及人体胚胎的研究；欧盟：议会投票否决人体克隆的一切研究。中国：反对克隆人，不赞成、不允许、不支持、不接受任何克隆人实验，但主张对治疗性和生殖性克隆加以区别。,人类胚胎克隆具有重要的医学研究价值,利用人体细胞克隆人类早期胚胎，然后从中提取未完全发育的干细胞，能培育出各种人体组织，如骨髓、脑细胞、心肌、肝、肾等器官，这样可以减少器官移植，而且可以治疗当今医学无法治愈的各种疑难病症，如癌症、白血病、糖尿病、老年痴呆病、帕金森氏症、心脏病、脊髓损伤、烧伤、多重硬化症和器官衰竭等。,