精品]13第十三章：基因表达调控与分化发育.ppt

第十四章第十四章 基因表达调控与分化发育基因表达调控与分化发育 教师：张光祥 Email: 线 棒 隆 炳 犬 雪 纂 铆 环 俱 鲁 伙 倚 知 敲 拈 冬 仔 益 巨 惋 兽 艳 倒 吐 寂 奢 官 勘 苞 缠 糠 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 第一节：原核生物的转录调控 基因的活性主要通过反式作用因子和顺式作用元件来调控 基因是编码可扩散产物的DNA序列，所谓产物包括蛋白质(大多 数基因都编码蛋白质)和RNA(tRNA和rRNA)等。 反式作用：游离的基因产物从合成的场所扩散至其目标场所，对 其它基因的表达发挥调控作用。 为顺式作用(cis-acting)：任一只在原位发挥作用的DNA序列，它 不转变为任何其它物质形式，仅影响与其在物理上相连的DNA 启动子和终止子是典型的顺式作用元件，作用于这两种顺式元件 的反式作用因子就是RNA聚合酶 有时顺式调控元件最终发挥作用的不是DNA，而是RNA 原核生物基因表达的调控主要在转录水平上进行。细菌的启动子 附近通常具有一个或多个与之并列或散布在其周围，而且与之 紧密相连的顺式作用元件 颧 镇 漾 辉 毅 鬃 袍 状 酷 靖 伯 笛 悠 掂 腿 庆 辽 遍 毯 陵 宠 镍 授 茶 冯 泼 漂 肺 杖 稚 匈 兴 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 正调控的两种情况 一、正调控与负条调控 正调控是指由反式作用因子识别并结合到顺式元件上，从而激 活(Activate) 基因的表达。 1、正调控 无配体反式作用因 子结合激活表达； 有配体受体(反式作 用因子)脱离关闭基 因的表达。 有配体反式作用因 子结合激活表达； 无配体受体(反式作 用因子)脱离关闭基 因的表达。 幢 藩 堑 墨 贺 都 傻 鸦 侥 鸣 讯 够 赫 呀 件 姿 咋 邢 咙 符 惶 袋 罪 毅 凄 瓷 大 润 蒸 绚 砍 泄 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 2、负调控 负调控的两种情况 负调控是指由反式作用因子本来是一直结合在顺式元件上的关 闭或阻遏(Repress)着基因的表达，只有在反式作用因子脱离 下来后，基因才激活(Activate) 或表达。 在细菌中，正、负调控使用的频率也许大致相等 反式作用因子无配体的结合 关闭基因的表达； 有配体的结合受体(反式作 用因子)脱离激活表达。 反式作用因子有配体的结合 关闭基因的表达； 无配体的结合受体(反式作 用因子)脱离激活表达。 屏 斩 蜘 盗 窝 骗 骑 腿 薪 猎 看 仰 殷 育 甩 粕 棘 秆 刁 佩 哆 褪 湾 挡 鲸 辩 亥 悸 模 京 赴 殊 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 二、乳糖操纵子 1940年Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时 先利用葡萄糖，葡萄糖用完后生长出现短暂停滞，然后利用 乳糖；在糖源转变期出现“二次生长曲线”。 结合阻遏物RNA酶结合产生阻遏蛋白 操纵基因启动子 阻遏物基因 结构基因 A A Y Y Z Z OP I I 1951年，Monod和Jacob合作发现两对基因： lacZ基因：编码-半乳糖苷酶，催化-半乳糖苷水解，将乳糖水 解为葡萄糖和半乳糖 lacI基因：编码乳糖操纵子阻遏蛋白(Repressor)，阻止结构基因 的表达，从而决定细胞对诱导物的反应。 Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻遏物通过与 开关基因的结合，控制结构基因的表达 lacY 编码-半乳糖苷透性酶(Permease)，是膜结合蛋白，是转运 系统的成员，将乳糖转入细胞 LacA编码-半乳糖苷转乙酰基酶(Transacetylase)，将乙酰基从乙 酰辅酶A转移到-半乳糖苷上 肉 局 柯 衣 芬 赡 春 济 汰 哇 釉 睛 蛮 朴 诞 签 署 炯 呕 嫉 戌 棺 苟 芜 峭 礁 虏 晶 技 此 芯 功 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 有乳糖(presence of lactose)：使阻遏蛋白脱离，lac操纵子即可 被诱导(derepression,induction)。 诱导物(inducer)是半乳糖苷类物质: 乳糖 别乳糖 半乳糖 IPTG(是一种非 底物诱导物） 乳糖操纵子上阻遏蛋白的负性调节 无乳糖: lac操纵子处于阻遏状态(repression) 照 坦 寓 讶 醒 檄 茧 讯 孵 蛰 欣 韧 眉 址 恶 佬 疟 舌 南 妥 肾 聋 糠 斡 卖 祸 咀 嘿 崭 羡 辟 胡 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 乳糖操纵子(lac operon)的调控方式 醇 拳 栋 袜 得 磅 赞 撤 派 虾 切 碟 预 谈 态 扭 释 药 邵 考 顿 巍 坡 思 对 弛 旋 举 掇 斧 镣 症 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 三、优先利用葡萄糖的机制 葡萄糖是微生物最主要的碳源，具有优先利用葡萄糖的机制 ，对葡萄糖的存在非常敏感。 分解物抑制(catabolite repression)：只要有葡萄糖存在，利用 、转运和分解其它碳源的酶系统的基因表达便受到葡萄糖分解 产物的反馈抑制。 在没有葡萄糖(碳源饥饿)条件下，才启动相应基因的转录来 利用环境中存在的其它碳源，如乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖等等 。所有非葡萄糖的碳源利用操纵子统称葡萄糖敏感型操纵子。 cAMP在高等生物的许多激素作用过程中扮演重要角色，在 低等生物如细菌中，其含量随生理状态特别是碳源供应状况而 变化：葡萄糖，cAMP；碳源饥饿，cAMP 葡萄糖和乳糖同时存在时，葡萄糖抑制AMP环化酶的活性， 加入cAMP也可激活乳糖操纵子的转录； cAMP通过与cAMP受体蛋白CRP(也叫代谢物分解基因激活 蛋白catabolite gene activition protein,CAP）结合后形成cAMP- CAP复合物，然后作用于启动子。 了解 腰 故 晓 泅 参 待 彤 恐 饺 朝 兵 膏 彻 正 篮 裔 涉 顿 锤 寞 直 评 夷 尧 狠 微 宽 遵 驼 接 糙 碾 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 CAP的正性调节 协调调节(coordinate regulation) 负性调节与正性调节协调合作：阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发 挥作用；如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无 转录活性 lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖 扇 尽 株 陋 赠 蛤 爵 袖 厉 涕 酿 柬 喂 颜 渣 忱 疏 淌 梆 蔽 愤 呈 全 篷 污 串 枣 魂 丛 逛 蒸 氟 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 四、阿拉伯糖操纵子 及其双向控制 E.Coli对阿拉伯糖的利用 阿拉伯糖操纵子 重点 羊 汾 访 酥 佣 秋 腕 篙 听 谢 邀 柳 明 酵 强 沤 庐 擎 曾 誓 照 亨 妒 狈 劫 柞 出 大 梁 倒 钡 衷 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 五、色氨酸操纵子了解 嘶 举 和 碗 既 炯 惕 危 萤 叠 劫 刚 变 驾 锨 姐 倾 罪 采 烛 页 蛇 旗 愤 莫 菌 除 辅 差 普 订 遵 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 衰减子的结构特点 侈 烃 误 痔 椿 串 衷 锥 呸 碘 迸 少 明 懈 仪 剃 稿 泅 巢 咱 钓 央 咬 囱 锌 跋 旨 意 矮 灭 层 倾 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 Trp操纵子的衰减作用机制 旦 银 宪 福 跃 关 拄 烬 舜 逃 丸 鞘 概 疤 寺 狈 寓 斯 机 动 开 夹 煌 商 铸 诱 粤 赌 娜 糖 辱 居 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 第二节、细胞分化与发育的遗传控制 细胞的分化和发育其实质是基因表达调控差异的体现。多细胞 生物的发育不仅涉及到细胞类型的分化，而且涉及特定细胞精确 的空间定位。 发育主要是通过基因表达的调节来控制的。在高等生物基因组 中有一套程序建立了细胞发育的命运，即身体发育的基本蓝图。 在大多数生物中，分化的第一个影响因素是卵细胞中蛋白质分布 的不均一性。进一步的分化是通过细胞间及细胞与环境间的相互 作用来完成。分化反映了不同蛋白系列的形成。 在动物中有三种不同的图式形成：一种是完全程序化的（镶嵌 式），另一种是非程序化的（调节式），第三种是半程序化的。 在早期发育中胞质决定和和细胞之间相互作用的相对优势在动物 界中是不同的。通常，胞质决定出现在大多数无脊椎动物胚胎， 呈现镶嵌式图式形成，而细胞之间相互作用是在脊椎动物发育中 ，呈现调节式图式形成。 宅 猩 确 圾 毋 句 屡 翻 豌 融 表 豆 向 撰 乃 拧 哎 泌 糟 片 汐 子 寿 蝇 叶 拘 纽 虱 终 社 拱 澜 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 一、果蝇一、果蝇调节蛋白基因的定位转录活性调节蛋白基因的定位转录活性 在果蝇的卵中，沿着主要的体轴建立母体调节蛋白的浓度梯度 。合子中由这些蛋白质来控制主要调节蛋白基因的定位转录活性。 果蝇的合胞体沿着前后轴,通过转录因子BCD(bcd基因编码)和HB -M(hb-m基因编码)的浓度梯度开始建立位置信息。在卵子发生时， bcd mRNA通过3-UTR的微管特异性结合序列锚定在微管负的一端 ，位于前极。nos mRNA锚定在微管的正端进入发育中的卵母细胞 ，位于前极。 BCD蛋白于早期核分裂时开始翻译，在胞质中通过扩散建立起 从翻译场所附近到远处的浓度梯度。NOS蛋白以BCD蛋白相反的梯 度进行扩散分布。在胚胎前后轴的后极最高。 hb-m 的mRNA也来源于母体, 但hb-m mRNA的翻译可被nos基因 编码的翻译抑制蛋白NOS所阻断。nos mRNA在合胞体阶段开始翻 译，通过从后到前产生的梯度使被抑制的HB-M 蛋白也随之呈现从 前到后的梯度。所以HB-M蛋白的梯度形成是由转录后调节产生的 。 这些调节蛋白显示了进化的保守性，几乎在所有的高等动物中 它们都存在，并控制着主要的发育途径。 重点 访 糖 又 福 迪 绪 胸 浅 煮 杭 常 蛮 棵 擅 差 榆 题 拷 游 够 袄 睛 虹 济 质 厦 垣 腐 蚤 币 择 战 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 果蝇胚胎前后轴的定位决定果蝇胚胎前后轴的定位决定 蛋白NOS抑制hb-m mRNA的翻译。所以，使HB-M蛋白的 最终形成与BCD蛋白一致的梯度分布。 缺 脯 坊 嘉 牲 昏 势 塑 不 寇 惨 拓 梅 揩 裸 警 咖 篓 挪 多 椿 跳 阉 醚 称 萝 戮 龚 淋 生 哟 兵 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 果蝇前后轴图式形成中所涉及的部分基因果蝇前后轴图式形成中所涉及的部分基因 幼胚发育的遗传调控的非常复杂的，涉及一系列基因 拳 咀 折 打 翠 蔫 徐 危 腕 宝 规 帅 心 甚 诺 霄 闺 尖 出 扑 毁 逆 形 狠 役 涪 俘 蓑 良 握 壮 减 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 二、细胞信号和果蝇的背腹轴二、细胞信号和果蝇的背腹轴 在很多情况下，发育场(developing field)中的位置信息必须依赖 细胞局部区域分泌的蛋白，这些分泌蛋白扩散到细胞外空间形成不 同梯度浓度的配体。这些配体通过受体信号诱导系统以浓度依赖的 方式来激活靶细胞。 比如果蝇胚胎中背腹轴（DV）的建立。DV位置信号的近 距离效应是细胞中产生DL蛋白沿着DV轴的活性梯度。 DL蛋白是由dl基因编码的转录因子，位于核中时为激活的转录 因子，位于胞质中的是与cact基因编码的CACT蛋白结合成复合体 的失活蛋白。dl mRNA和DL蛋白的分布在卵母细胞中及非常早期 的胚胎中是均一的。但在合胞体阶段DL蛋白出现了活性梯度，在 胚胎腹部的中间是活性的高位点。 卵母细胞本身和腹侧的体细胞相互作用形成复合体，并分泌一 些蛋白，其中一个是spz基因编码的SPZ配体。SPZ配体直到合胞体 阶段末期才被活化，在腹部的中间浓度最高，结合到由Toll基因编 码的TOLL跨膜受体上。SPZTOLL复合体以浓度依赖的方式导致 DL-CACT复合体磷酸化,使其解离为有活性的游离DL和细胞质蛋白 CACT。活化的DL蛋白能进入细胞核,作为转录因子来激活那些建 立腹部命运所需的基因。 重点 召 蘑 莽 诊 甲 屋 跟 豪 待 摈 伴 秃 乘 弘 耽 篓 慧 谐 止 鹅 四 藤 弗 上 鄙 隆 菲 盈 腋 裕 挟 思 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 细胞信号与果蝇的背腹轴关系图解细胞信号与果蝇的背腹轴关系图解 腹侧特异性分泌蛋白SPZ配体的背腹轴梯度，决定了转录因子 DL蛋白特异性地只在腹侧活化，从而激活那些控制腹部细胞命运 的基因表达。 粹 矩 掸 攫 械 观 箔 播 需 武 铺 芋 娃 戒 疆 籽 巳 醚 甩 菌 操 符 逗 虫 夫 弗 奎 娃 型 彝 洼 眠 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 三、三、果蝇胚胎前后轴发育图式的级联调节果蝇胚胎前后轴发育图式的级联调节 果蝇胚胎前后轴的发育图式是通过连续 触发级联调节而实现的。 重点 前后轴的主基因又叫裂缺(gap)基因, 突变 后会使幼虫缺失一系列体节。裂缺基因激 活一套二级前后轴基因，称为配对规则基 因(pair-rule genes)，使胚胎出现明显的体节 ,这组基因的突变体每隔一个体节就缺失了 一部分。 配对规则基因有8个, 都是编码转录因子 的基因，分为几个功能层次： 裂缺基因初级配对规则(primarily pair- rule)基因次级配对规则基因一些同源 异型(hox)基因簇。 右图为果蝇一个hox基因丢失功能型的双 胸突变，那是由于整个的第3胸节(T3)转变 成了第2胸节(T2)。 糕 哲 稍 剧 理 竖 壶 烫 曝 盼 怔 朵 孙 痰 肤 盖 匆 吞 教 耻 奶 芍 奸 矿 吻 辕 储 秃 诺 侦 旬 蒲 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 了解 四、四、在昆虫与哺乳类动物在昆虫与哺乳类动物HoxHox基因簇的相似性基因簇的相似性 在果蝇与哺乳动物之间，Hox基因簇内所有成员的成簇排列和级 联调节方式具有高度一致性。哺乳动物每个Hox基因簇左端的一些 基因不仅彼此之间非常相似，而且和昆虫的HOM-C基因簇的左端 基因也是相似的。在这些基因簇中都存在着相似的相关性。 昆虫和哺乳动物间主要的差异：在果蝇的基因组中只有一个 HOM-C基因簇,而在哺乳动物中有4个基因簇,每个都在不同的染色 体上。这4个基因簇中基因的顺序是非常的相似,仿佛整个的基因簇 在脊椎动物进化中产生了一式四份。 Hox基因在发育的体细胞中控制体节的形态及小鼠胚胎的中枢神 经系统的发育，人类可能也是如此。 每一个Hox基因以连续的区组形式表达，开始在特定的前界（ anterior limits），然后在正在发育的脊椎的端部表达。不同的Hox 基因前界是不同的。在每一个Hox基因簇中最左边的一些基因具有 很多的前界。在每一个Hox基因簇中从左向右这种限制越来越多。 这样Hox基因簇中出现了一种有序的排列和表达，令人惊异的是基 因表达的这种级联调节方式和昆虫的HOM-C基因相似到难以令人 置信的程度。 确 焰 泛 氮 闽 咨 回 厉 令 玛 芝 缉 贤 垣 幕 厦 原 支 暂 宋 喉 食 被 柞 孝 劲 碎 旁 砧 帚 舰 拼 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 第三节、真核生物的基因表达调控第三节、真核生物的基因表达调控 1、在真核生物中基因表达的调节其特点 一、概况 （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。 短期调节（short-term regulation）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。 长期调节(long-term regulation)是受到内在程序化的控制，受外界 环境的变化的影响不大。 2、长期调节的内容 (1)、染色体水平的调控包括染色体的扩增，丢失和重排。 (2)、染色质结构改变(组蛋白置换)模型有占先模型(pre-emptive model)和动态模型(dynamic model)。 (3)、在染色体上的调控区有：座位控制区(locus control region,LCR)，特化染色质结构(specialized chromatin structures,SCS)，绝缘子(insulator)或限定子(delimiter)和骨架附 着区(scaffold attached region,SAR) 或核基质结合区(matrix association region,MAR) 。 重点 蹿 瓢 闪 办 迭 寞 揩 蚕 命 佳 臻 谁 乔 蛋 她 倒 顾 采 挽 妓 罢 鱼 号 额 烫 该 苔 涣 杖 堑 革 诞 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 3 3、短期调节内容、短期调节内容 组蛋白的乙酰化和去乙酰化控制染色质活性。 DNA的甲基化和去甲基化可调控基因的活性。 染色体莱昂化的本质是DNA被甲基化。 来源于父母本的一对等位基因表达不同，这种现象称为亲本印 记(imprinting)。其本质也是在亲本生殖细胞中产生特异性的甲基化 和去甲基化作用（后面还要具体介绍）。 表观遗传（epigenetic inheritance）是指在DNA序列没有发生变 异的情况下，基因表达的可遗传的改变。它主要通过对DNA或组 蛋白的共价修饰（如DNA甲基化，组蛋白乙酰化），同源性的基 因沉默（即一个基因被另一个与其同源的基因所抑制），RNA编 辑，蛋白异构体引起类似显性遗传等机制而产生的。 转录水平的调控、转录后调控、翻译水平的调控、翻译后调控 等等都是短期调节的内容。 迅 赠 臂 吾 蜀 妹 欲 也 壕 麓 伍 票 跺 镁 釜 贡 伶 英 玫 熄 擞 甜 砌 蔓 破 嘱 亏 喀 随 暇 堤 轮 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 二、染色体水平的调控二、染色体水平的调控 1、染色体丢失 某些原生动物如线虫、昆虫和甲壳 类动物等，在个体发育的早期在体细 胞中要整条地或部分区域地丢失染色 体。生殖细胞内全保留。 马蛔虫(Parascaris equoorum，2n=2)受精卵内的一对染色体有多 个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下两个子细胞，仅一个着 位点发挥作用，有丝分裂正常进行。第二次卵裂时下面的子细胞 仍进行横裂，保持着原有的基因组，而上面的子细胞却进行纵裂 ，纵裂的细胞中染色体分成很多小片段，其中不含着丝点的片段 在分裂中丢失（如右上图）。而在横裂的细胞中染色体并不丢失 。长此下去最下面的子细胞总是保持了全套的基因组，将发育成 生殖细胞，其余丢失了部分染色体片段的细胞分化为体细胞。 小麦瘿蚊(Mayetiole destructor)的受精卵只是核分裂，而形成合 胞体(syncytium)。第3次核分裂后有两个核移向卵后端叫极质的特 殊区域,具全套染色体(2n =40),将来分化为生殖细胞。其余的将丢 失32条染色体,将来分化为体细胞。 重点是类型 与重要概念 瓤 寨 仇 踏 拍 亩 层 雀 阂 晤 道 醒 卷 肩 撂 辗 伯 狗 纸 鱼 锁 傀 蜡 褒 从 壁 梯 粱 纳 虾 披 圈 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 2 2、基因的扩增、基因的扩增 细胞内特定基困拷贝数专一性大量增加的现象称为基因的扩增 。染色体的扩增可分为几种情况： (1)组织中整个染色体组都进行扩增。例如在哺乳动物肝细胞 扩增为四倍体； 在双翅目昆虫如果蝇的唾腺中，细胞不分裂但染色体却多轮复 制，产生巨大的多线染色体含多于1000条染色单体）。George Rudkm 早在1960年就指出：果蝇唾腺的多线染色体其常染色质 DNA可以特异扩增上千倍，而在异染区附近只可复制几次。 (2)发育中的编程扩增：特定基因簇的染色体外扩增 最为人们熟知的例子是两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增 。如非洲爪蟾的每条染色体上有约450拷贝编码18S、5.8S 和28S rDNA的串联重复单位，它们成簇存在，形成核仁形成区。可是在 卵母细胞中rDNA串联重复单位被剪切下来后环化，以滚环复制的 形式进行扩增，使拷贝数扩大了1000倍以上，直到发育成蝌蚪阶 段。在四膜虫中，剪切的rDNA是通过发夹引导复制的，产生一个 线性的反向重复元件。 梁 恩 妹 畸 师 党 朱 创 辛 弱 览 湃 铁 逃 馁 峰 季 骗 专 苗 憨 州 姆 戒 钾 虏 姐 嫂 玩 赣 舒 楼 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 （3 3）、特定基因簇的选择性原位扩增）、特定基因簇的选择性原位扩增 昆虫的卵壳基因成簇排列，在黑腹果蝇中已鉴别出两组。卵壳 蛋白是由卵泡细胞合成和分泌的。 在黑腹果蝇的发育中， 卵壳蛋白基因不被剪切，但 在基因组中通过复制的重叠 环而被扩增。 在卵泡中其中一组位于X 染色体上的基因，在 表达之前经4；次重复，扩增了16倍;另一组基因在第 染色体上 ，它们经6次重复，扩增了64倍。在这两组中，扩增区域延伸到卵 壳基因另一侧约4550kb。扩增最多的区域是在卵壳基因周围约 20kb的区域。产生一系列的协同扩增子(concentric amplicons)。这 样通过在卵泡细胞中选择性扩增来满足在短期中对卵壳蛋白的大 量需要。 忧 虞 裹 稿 洋 煽 旷 酝 取 个 叠 口 释 栏 欲 逞 肾 为 踞 昧 惧 教 部 田 墟 暂 挠 郁 肮 珠 泣 殷 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 (4) (4) 哺乳动物特定基因的哺乳动物特定基因的应激性扩增应激性扩增 某些试剂可使那些对其产生抗性的基因大量扩增。当用药物处 理培养的哺乳类细胞来抑制特定的酶时，抗性细胞可以被分离并 大量生长。 野生型细胞对二氢叶酸还原酶(DHFR)的竞争性抑制剂氨甲蝶呤 (methotrexate)十分敏感，但在加入氨甲蝶呤的培养细胞中可以分离 到能耐受氨甲蝶呤的细胞。 对这种抗性细胞的DNA进行分析，有些是在dhfr基因中发生了突 变，使其对氨甲喋呤产生抗性。经过几轮筛选的高抗性细胞中， 该基因座可能扩增上千倍。 在这种高抗性的细胞染色体中，可以观察到扩增区域形成一延 伸的染色体带称均匀染色区（homogeneously staining region,HSR） 或形成小的点状染色体被称为双微体(double minute chromosomes) 。类似的基因扩增现已发现20种以上。 了解 汐 送 淀 带 尿 湃 树 帕 沃 喇 菜 砖 绑 唱 啼 纹 姨 他 煞 挞 升 缔 姿 供 疼 啊 沏 锌 簇 路 挞 胳 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 哺乳类动物细胞的哺乳类动物细胞的dhfrdhfr扩增扩增 二氢叶酸还原酶基因 dhfr扩增也仅仅发生在二 个等位基因中的一个。对 氨甲喋呤抗性的增加是依 靠这一基因座位扩增的程 度来完成的。 在抗氨甲喋呤细胞中dhfr基因 数目的变化范围是40400拷贝， 拷贝数的多少取决于选择的程度 和单个细胞系本身。 钞 撇 棺 萄 仪 魔 剂 丛 绳 开 惕 寻 擅 绚 咸 悔 慰 起 豫 耶 游 懂 风 伴 闽 清 色 忱 寂 朋 歪 团 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 染色体外的染色体外的 基因拷贝可基因拷贝可 能是通过复能是通过复 制子之间的制子之间的 非同源重组非同源重组 产生的产生的 歹 肌 细 荣 刀 傅 肉 拄 晶 朋 抑 综 傅 庞 谬 赖 舞 奔 窿 锥 弧 瞧 泽 藤 赁 泥 雕 挠 暂 现 泰 朝 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 在原核生物中沙门氏细菌的相转变 和Mu噬菌体G片断的倒位都属于基因组 的重排。 在真核生物中，染色体的重排涉及 很多基因的级联调控。 在很多菌物中，有性生殖的过程都 需要不同交配型（mating-type）的菌株 相互接合才能产生二倍体的合子。相同 的交配型之间是不能接合的。 (1)、酵母的交配型转变： 酵母细胞的交配型是由MAT（ mating）座的遗传信息决定的，有带 MATa等位基因a型和带MATa等位基因 的a型。只有a型和a型细胞之间才能交 配，相同型细胞之间是不能交配的。 3 3、染色体重排、染色体重排 正常 个体 交配型a+ “小菌落 ” 个体 交配型a 减数分裂 a+a+aa 妖 埋 蔬 撩 辰 球 自 土 鸣 达 洛 蝉 剐 眷 盖 糯 陨 器 莉 砧 府 丘 晦 屏 邮 宠 追 霜 灾 券 卉 哆 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 酵母的交配型转变与染色体重排图解酵母的交配型转变与染色体重排图解 MAT座位的基本功能是控 制外激素和受体基因以及 其他和交配有关基因的表 达，每种类型的座位编码 一些调节蛋白。MATa编 码两种调节蛋白：a1和a2 。MATa只编码一种调节 蛋白a1。 在转换中，受体(MAT)上的 拷贝被两个供体（HML和 HMR）上的拷贝所取代 。80%-90%的转换是MAT 位点上的等位基因被另一 个交配型等位基因所取代 。这种取代是通过染色体 重排实现的。 文 衷 钻 折 卓 瓤 刀 茸 眨 蚤 疥 篙 屯 梆 弘 仑 左 初 恕 涧 乃 屋 陕 轴 证 负 棠 近 毒 幸 楔 敬 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 （2 2）、动物抗体基因重排与免疫球蛋白的多样性）、动物抗体基因重排与免疫球蛋白的多样性 哺乳动物通过抗体基因重排实现各个片段间的随机组合,可从约 300个抗体基因产生108个抗体分子,比整个基因组的基因数还多(人 类有3104个编码蛋白质的基因)。 C-端是恒定区 (constant region,C)。 如CH2具有活化 补体的作用， CH3具有使抗体 分子粘连在单核 细胞表面的功能 等。 N-端的可变区 (variable region,V) CH1、CH2和 CH3每一区段承 担着不同的生物 学功能, 又称为效应区 婴 酱 朵 御 损 呼 弊 芭 目 拥 浅 亿 仟 湍 割 荷 痴 钨 辩 哦 逗 球 凳 种 既 拔 樊 舌 躲 去 淄 婉 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 Human antibody genes 人类第14号染色体上重链包括4个片段： 86个重链变异区段(VH)；30个多样区片段(D)； 9个连接区片段(L)；11个恒定区片段(C)； 第2号和第22号染色体上轻链有3个片段: 轻链变异区(VL)； 连接区(J)； 恒定区(C)； 琼 型 星 捐 限 步 取 茂 栋 酬 需 锅 炸 量 滴 恨 沛 壕 赏 熙 补 擞 晨 帛 固 屿 历 憋 企 沛 郑 染 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 IgIg类别转换类别转换 Ig的类别是 由CH的类型 决定的。 横 遭 浅 膘 窑 湍 猖 境 梭 威 环 瘁 什 履 豹 杀 慢 籽 千 豁 峪 絮 噶 映 悬 稍 扮 矗 频 逼 袜 舞 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 小鼠轻链基因在发育中通过小鼠轻链基因在发育中通过V V、J J和和C C 基因的重组产生了基因的重组产生了DNADNA重排重排 沮 榜 霞 奴 诌 陌 灰 镊 柱 狄 砾 鲁 涧 罪 色 脸 闻 该 蚜 蓬 曝 积 顽 愿 丰 谱 昧 粕 淀 匿 晦 灭 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 IgIg基因的表达（重链基因的表达（重链V-D-JV-D-J重排、转录及翻译重排、转录及翻译 ） 廊 悟 桶 泥 啦 淘 层 屹 盎 赤 撬 关 松 丸 闸 预 赡 缔 拼 捆 盏 糠 瓜 悟 谤 歪 怔 铁 繁 督 凌 推 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 抗原受体基因产生独特型多样性的机制抗原受体基因产生独特型多样性的机制 多样性产生机制多样性产生机制分子基础分子基础 组合的多样性组合的多样性不同不同V V、D D和和J J片段的使用，多个片段的使用，多个D D片段片段 的使用的使用 连接的多样性连接的多样性外切块酶在编码接头处降解，导致基外切块酶在编码接头处降解，导致基 因片段连接处位置的变化因片段连接处位置的变化 N N区域多样性区域多样性通过末端脱氧核苷酸转移酶在编码接通过末端脱氧核苷酸转移酶在编码接 头掺入随机核苷酸头掺入随机核苷酸 V V基因多样性基因多样性在一个已拼接在一个已拼接, ,但为非生产性的但为非生产性的V(D)JV(D)J 外显子和剩余外显子和剩余V V片段之间进一步重组片段之间进一步重组 体细胞超突变体细胞超突变可变区点突变可变区点突变, ,有助于亲和力成熟有助于亲和力成熟; ;只只 发生在发生在IgIg蛋白基因座蛋白基因座 每个B细胞只表达一种类型的轻链和重链，因在特定的的淋 巴细胞内，各种类型的链只有单个的有效重排，产生一个轻链 基因和一个重链基因。重排只涉及到等位基因中的一个，另一 个不表达，这种现象就称为等位排斥（allelic exclusion）。 洋 访 天 游 吃 趟 处 搏 沮 壤 宪 澄 伪 还 痊 丢 凉 洪 欠 竖 雄 咀 诛 咐 穿 潭 筛 猿 镶 扔 嫩 尹 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 B B细胞的分化过程细胞的分化过程 在刚出生时生物体没有产生特殊抗体或T细胞受体的功能,只是 具有大量V基因和少量C基因,共约300个抗体基因。 随后,这些基因在淋巴细胞分化过程中重排和构建出了千变万化 的活性基因,从而能合成抗体及受体,以一种淋巴细胞只合成一种特 异性抗体的方式对抗原作出反应。 克隆选择学说认为DNA重排发生在抗原进入体内之前,抗原只是 选择了产生相应抗体的细胞。 整个过程发生都不涉及生殖细胞,因此免疫力不能遗传。 涝 鸳 绊 融 趋 陈 来 驴 缓 僻 篓 朵 寅 置 濒 车 顶 眠 另 贰 劲 知 疏 让 毋 此 瘁 豢 勘 甫 迅 氢 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 三、染色质水平调控三、染色质水平调控 在染色质中可分为常染质（euchromatin）和异染色质（ heterochromatin）。异染色质又分为组成性异染色质（constitutive heterochromatin）和兼性异染色质facultative heterochromatin）。前 者是指在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色 质，如着丝粒，端粒等。后者指在某些特定的细胞中，或在一定 的发育时期和生理条件下凝聚，由常染色质变成异染色质，这本 身也是真核生物的一种表达调控的途经。 组蛋白在进化上是极端保守的，但仍可被修饰，如甲基化，乙 酰基化和磷酸化。若被组蛋白复盖的基因将要表达，那么组蛋白 必须要被修饰，使其和DNA的结合由紧变松，这样DNA链才能和 RNA聚合酶或调节蛋白相互作用。因此组蛋白的作用本质上是真 核基因调节的负控制因子，即它们是基因的抑制物。 组蛋白的乙酰化和基因表达的状态相关。去乙酰化可阻遏基因 的活性，组蛋白H4的去乙酰化是雌性哺乳动物一条X染色体失活 的原因之一。表明失去乙酰基是染色质凝聚和失活的前提。 重点是概念 咕 吏 籍 驰 揽 猪 饰 沦 舵 塌 篷 倘 虚 福 杨 碰 瓷 腿 剑 榨 曲 矾 跨 芜 锦 圃 忠 寄 叁 苍 乍 巫 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 四、四、DNADNA水平的调控水平的调控 重点 1、DNA的甲基化与去甲基化。一系列的证据表明,DNA甲基 化可抑制基因的表达。在转基因实验中被外源基因在进入细胞 前如已被甲基化则不能表达；能阻断性甲基化的药物如5-氮嘧 啶核苷对基因表达有诱导作用。 2、甲基化的DNA能通过多种方式影响转录。首先，识别位点 中的C被甲基化，转录因子不能与之结合。其次，甲基化DNA特异 结合蛋白对转录因子的竞争抑制。已有两种甲基化CpG结合蛋白 (methyl-CpG-binding protein)被分离出来。第三，甲基化核小体 构象改变染色质的结构。 3、亲本印记（parental imprinting）。一些基因座具有亲本特异 性的甲基化作用和去甲基化作用，该特性受印记盒(imprinting box) 的控制，这类基因叫印迹基因。目前在二倍体动物中已辨明的印 迹基因有100个，其中人类和鼠有20种。 印记盒能顺式调节印迹基因的亲本特异性表达，使分别来自父 母本的一对等位基因只有一个能表达。如源于卵母细胞中的IGF- (胰岛素样生长因子)已被甲基化,基因可表达；而精子中的IGF- 如未被甲基化,则不能表达。 膝 潭 庭 含 休 咀 苏 报 滓 所 狐 重 疵 辛 帜 囱 焚 究 痹 占 墒 途 跺 胎 筑 泼 匡 碱 倡 疵 滚 渡 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 五、转录水平的调控五、转录水平的调控 1、顺式作用元件 真核生物的转录调控也是调控的最重要的途经，其启动子 存在着很多顺式元件可分为以下四种类型：核心启动子成分 ，如TATA框；上游启动子成分，如CAAT框，GC框，八聚 体（octamet），ATF结合位点； 远上游元件：如增强子， 酵母中的UAS(upstream activator seguences)、减弱子静息子等 。 特殊启动子成分：如淋巴细胞中的Oct（octamer）和B。 这些元件都为不同的转录因子及蛋白质识别和结合来调节转录 。 哺乳动物RNA 聚合酶启动子上游转录因子结合的序列元件 了解 娘 括 蜂 彼 饶 豁 馆 榔 书 葵 戌 盗 挥 锅 林 插 痪 侠 杰 逊 肢 廷 判 翘 虽 烫 某 乳 苔 限 锚 唉 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 2 2、选择性启动子、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 同的细胞中表达，具有独立的转录调控（不同的动子可产生不 同的初级转录产物和相同的蛋白质编码序列）。 如果蝇的乙醇脱氢酶基因分别具有幼虫和成虫启动子。 喇 染 鲤 泻 囤 渤 豺 宇 梗 鳖 茫 阻 摸 扔 瞄 叼 马 榨 禾 放 干 乒 羹 晌 琶 鞘 蚊 蛊 额 腥 构 吓 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 小鼠淀粉酶小鼠淀粉酶(amy)(amy)基因利用不同启动子产生基因利用不同启动子产生 两个不同的两个不同的mRNAmRNA 小鼠第3号染色体上有两个连锁的a-淀粉酶基因amy-1和amy-2 。amy-1在唾腺和肝中表达,amy-2却在胰脏中表达。 在唾腺中产生的a-淀粉酶的浓度是肝中的100倍。这是由于在 不同组织中使用了amy基因5-端的2个不同启动子。 在唾腺中使用的启动子PS较强，转录活性比肝脏中使用的启 动子PL高30多倍，但在唾腺细胞中amy的mRNA浓度要比肝脏 中的高100倍，表明可能还受到其他调控因素的影响。 露 坦 振 脐 演 圈 洛 切 粳 转 躲 唱 埔 邮 设 耳 砂 晓 慌 裴 许 痊 尾 帐 菇 搏 横 歌 第 饲 撰 胆 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 3 3、副突变、副突变 一个等位基因被另外一个等位基因在转一个等位基因被另外一个等位基因在转 录水平上所沉默且这种能力可遗传。录水平上所沉默且这种能力可遗传。 能表现为副突变的等位基因是特异而正能表现为副突变的等位基因是特异而正 常的等位基因；在转录水平上沉默副突变常的等位基因；在转录水平上沉默副突变 等位基因的一种特殊等位基因叫致副突变等位基因的一种特殊等位基因叫致副突变 等位基因。等位基因。 箕 戍 法 嚏 闭 递 璃 舵 卧 免 梦 街 丫 务 歌 袍 侮 够 厢 呼 画 牧 芬 帐 湖 师 贿 搽 湿 呆 金 呕 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 4 4、反式作用因子、反式作用因子 反式作用因子通过以下不同的途经发挥调控作用： 蛋白质 和DNA相互作用； 蛋白质和配体结合； 蛋白质之间的相 互作用以及蛋白质的修饰 蛋白质直接和DNA结合：转录因子，阻遏蛋白等等 蛋白质和配体的结合：有的调节蛋白并不直接与DNA接触， 而先和配体结合被活化，如甾类受体蛋白等。当甾类激素等配 体进入细胞后，在细胞质中受体与之结合，结合后受体构象发 生改变，形成二聚体，成为活化状态，然后进入细胞核。受体 识别特殊的保守序GRE并与之结合，从而活化了其下游的启动 子，使糖皮质激素调节基因开始转录。 蛋白质之间的相互作用 蛋白质的修饰：蛋白质的磷酸化和去磷酸化是其转录活性调 节的一种普遍形式，例如在细胞周期调节中， MPF 作为一种蛋 白激酶，激活后可以进一步激活转录因子，使有关蛋白磷酸化 ，促使S期的DNA合成和M期的染色体凝聚等一系列周期变化。 组蛋白的乙酰化和去乙酰化来控制染色质的活性。 贾 碰 舀 菠 园 颁 矮 嘘 臻 逛 亿 俯 挞 群 殉 婉 翅 他 纵 融 蛇 帕 肤 钨 耿 啼 壹 枫 臼 凤 蚂 峰 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 六、转录后的加工的调节六、转录后的加工的调节 1、在不同的位置加尾. 一个基因在不同组织中因3端加尾位 点不同也可产生不同的mRNA,形成不同的产物。 大鼠甲状腺中合成的降钙素(calcitonin)和脑下垂体合成的神 经肽CGRP(降钙素基因相关的神经肽calcitonin gene-related peptide.), 由同一基因编码,只因3端加尾位点不同, 最终合成的产 物也完全不同。 了解 眠 兰 兆 裹 墙 宦 贷 脚 鞘 妨 摔 塌 郑 艳 谁 提 搜 嫂 屋 眠 唱 披 狂 什 航 杏 噪 克 资 仅 椭 核 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 1 3 第 十 三 章 ： 基 因 表 达 调 控 与 分 化 发 育 2 2、选择不同外显子、选择不同外显子 例如鸡的肌球蛋白（myosin）轻链基因在心脏和砂囊中转录 后产生的成熟mRNA就不同，前者为LC1（light chai