遗传学第十四章基因表达的调控.ppt

,第十四章 基因的表达与调控,第六节 基因的概念与发展,一、经典遗传学中基因的概念 二、生化遗传和早期分子遗传学对基因概念的发展 三、基因的微细结构与性质 四、现代分子遗传学关于基因的概念,一、经典遗传学中基因的概念,1865年，Mendel遗传因子 1909年，丹麦Johanssen基因 19151928年，Morgan等认为基因是以念珠状直线排列在染色体上的三维一体的一种化学实体。即基因是功能的基本单位、是突变的基本单位、是交换的基本单位，基因是不可再分的。,二、生化遗传和早期分子遗传学对基因概念的发展,生化遗传及早期分子遗传研究在两个重要方面发展了基因的概念： 1. 基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段，并且在染色体上位置固定、序列连续；遗传信息就存在于核苷酸(碱基)序列中。 2. 1944年，G.Beadle和E.Tatum 通过研究脉胞菌突变，提出：一基因一酶假说。基因表达为蛋白质；基因的核苷酸序列决定蛋白质氨基酸序列,三、基因的微细结构与性质,(一)、 位置效应 (二)、 遗传的最小结构单位 (三)、 遗传的最小功能单位,(一)、 位置效应,位置效应及意义： 基因在染色体上位置不同，对性状表现的作用(程度)也可能不同 染色体并非基因的简单容纳器，基因在染色体上的位置也对其功能具有重要影响 “念珠理论”的第一点(基因与染色体的关系)得到了发展 “念珠理论”的另一个内容是基因的结构不可分性(最小遗传结构单位)。不可分性最早遇到的挫折也是来自对果蝇的研究,(二)、 遗传的最小结构单位,重组值检测精度可达十万分之一，但实际结果不会低于0.01%基因内存在最小重组单位 本泽尔将最小重组单位定义为重组子(recon) rII区段存在复等位基因已经表明 基因也并非最小突变单位 基因突变的最小单位突变子(muton) 理论上讲突变子不必等于重组子。但以后研究显示：突变子和重组子都是一个核苷酸对或者碱基对(bp)。所以基因内每个碱基均可能发生突变，任意两个碱基间均能发生交换重组,1. 双突变杂合体的互补作用,对于两个独立起源的、表型相似的隐性突变，如何判定是属于同一基因(功能单位)还是两个基因突变产生的呢 在二倍体生物中，可以建立双突变杂合体。双突变体杂合体有两种形式：顺式(cis)和反式(trans),(三)、 遗传的最小功能单位,顺反测验与顺反子,根据两突变反式双杂合体的表现，就可以解决刚才的问题 突变型无互补作用为同一功能单位的突变 野生型有互补作用为不同功能单位的突变 互补测验，也称顺反测验(cis-trans test)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron) 顺反子内发生的突变间不能互补,基因的顺反子测试示意图,四、现代分子遗传学关于基因的概念,(一)、 现代基因概念 基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段 基因由重组子、突变子序列构成 重组子是DNA重组的最小可交换单位 突变子是基因突变的最小单位 重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp) 基因(决定某一性状表现) 可以包含多个功能单位(顺反子),(二)、 基因的功能类型,根据基因的原初功能可以将基因分为： 1. 编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因 如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因 2. 没有翻译产物，不产生蛋白质的基因 转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA 3. 不转录的DNA区段 如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位,(三)、 基因的几种特殊形式,1. 重复基因： 指在染色体组上存在多份拷贝的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因 最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等 2. 重叠基因： 同一段DNA序列，由于阅读框架(转录范围)不同，同时成为两个或两个以上基因的组成部分 因此基因在染色体上可能有重叠，甚至一个基因完全存在于另一个基因内部,3. 断裂基因或隔裂基因,早期分子遗传认为基因是一个连续的、完整的结构 1977年Doel研究表明：卵清蛋白基因中间存在不表达的碱基序列，表明基因的DNA序列可能是不连续的 外显子：参加蛋白质编码的DNA片段 内含子：不参加蛋白质编码的DNA片段 真核生物基因可能是不同外显子的组合断裂基因,4. 跳跃基因(jumping gene),早期分子遗传学还认为： 基因在染色体上的相对位置是固定的 转座子(transposon)、转座因子、转位因子(transposable element) 某些DNA序列可以在染色体上转变位置 转座子转位的过程也是一个遗传重组过程,(四)、 基因概念发展,1944年，Avery首次证实基因的化学本质是DNA。 1953年提出了DNA双螺旋结构模型，认为基因是具有一定遗传效应的DNA片段。 1955年，Benzer通过顺反互补测验（确定两次不同的基因突变是否发生在同一基因内）发现一个基因内部的许多位点都可以发生突变，并且也可能在这些位点间发生交换，说明一个基因并不是一个突变单位和一个交换单位。因而又把基因称为顺反子。,操纵子的发现修正了有一个基因就有一条多肽或决定一个蛋白质功能的就是一个基因的说法。 60年代，Jacod和Monod研究细菌基因调控时发现基因是可分的，功能上是有差别的。 结构基因决定合成某种蛋白质 调节基因编码阻遏或激活结构基因转录的蛋白质基因 无翻译产物的基因 新的发现断裂基因，重叠基因，跳跃基因 比较DNA序列和成熟mRNA内含子和外显子,综上所述，对基因可作如下描述： 基因是实体，它的物质基础是DNA（或RNA）； 基因是具有特定遗传效应的DNA片段（DNA分子中的特定核苷酸序列）； 基因是遗传信息传递和性状分化发育的依据； 基因是可分的，按其功能（基因的产物）基因可分为 编码蛋白质的基因（结构基因+调节基因） 无翻译产物的基因（如rRNA ，tRNA ，snRNA ） 不转录的DNA区段（如启动子，操纵基因等）,基因是遗传学中最基本的概念,然而基因的概念不是一成不变的,请概括地叙述对基因认识的演变过程,以及目前对基因本质的看法. 1866年,孟德尔在他的豌豆杂交试验中首次提出了遗传性状是由遗传因子控制. 1909年,约翰生第一次提出了基因一词，泛指控制任何性状的，如遗传因子 1911年，摩尔根通过对果蝇的研究证明基因在染色体上是直线排列的 经典遗传学把基因看成是一个不可分割的结构单位和功能单位,1944年通过肺炎双球转化试验证明基因的化学成为是DNA基因是DNA分子上的功能单位 1955年本泽尔对噬菌体基因微细结构分析，证明了基因是可分的，提出了突变子，重组子和顺反子的概念认为顺反子是属于遗传的功能单位，相当于传统意义上的基因顺反子学说否定了基因是决定遗传性状的功能单位和突变、重组的最小单位，认为一个顺反子就是一个基因。 1961年提出了操纵子模型(雅格布、莫诺根)，提出了操纵子概念，揭示了原核生物基因表达调控的规律。将基因分为结构、调节、操纵基因,后来又发现了启动基因，这些概念与顺反子学说相悖随着DNA重组技术和DNA序列分析技术的发展，发现操纵基因很短由于上述原因，遗传学家陆续剥夺了操纵基因和启动基因的基因资格，将其称为操作子和启动子等 由此可见，人们对基因的认识是不断在发展的和深化的到二十世纪七十年代发现了断裂基因、重叠基因、跳跃基因等使基因的概念并不完全等同于顺反子 根据目前人们的认识，基因是应该能够表达和产生基因产物的DNA序列据产物的类别可以分为蛋白质基因和RNA基因两大类,根据产物的功能可以分成结构基因和调节基因两大类 如果按照有功能的DNA片断或实现一定遗传效应的核苷酸序列来定义基因的话，则染色体上处处是基因关有重叠基因存在和基因内基因 在染色体上确定区分有功能的序列和无功能序列是很难办到的，做法可能就不科学，这样，即便是一个核苷酸序列已知的染色体，人们还是无法知道这个染色体上到底有多少基因,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,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， 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。 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，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cAmp cAmp+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，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，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。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 强化子竞争控制基因表达,(3)激活子 激活子是一种