基因的表达与调控(2).ppt

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 本章重点 * 1基因概念及其发展。 2原核生物基因调控：操纵元模型。 3真核生物基因调控： DNA、转录和翻译三个水平。 、经典遗传关于基因的概念： 孟德尔： 把控制性状的因子称为遗传因子。 如：豌豆红花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。 约翰生： 提出基因(gene)这个名词，取代遗传因子。 摩尔根： 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。 基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。 第一 基因的概念 一、基因的概念及其发展： 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。 、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： 一个基因DNA分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息 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。 转录成RNA(包括mRNA、tRNA、rRNA) 翻译成多肽链， . 现代遗传学上认为： 突变子：是在性状突变时，产生突变的最小单位。 一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。 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： 可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽链； 功能上被顺反测验或互补测验所规定。 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 结构基因(structural gene)： 指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。 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 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。 A E BC F D 隔裂基因(split gene)： 内含子：在DNA序列中，不出现在成熟mRNA中的片段； 外显子：在DNA序列中，出现在成熟mRNA中的片段。 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。 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 、互补作用： 设有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表现型。 判断是属于同一个基因突变，还是属于两个基因的突变？ 即判断是否属于等位基因？ 建立双突变杂合二倍体； 测定突变间有无互补作用。 由此可判断是否属于等位基因。 二、基因的微细结构 2有互补作用：突变来自不同 的基因，则每个突的相对位点上 都有一个正常野生型基因 最 终可产生正常mRNA，其个体表 现型为野生型。 1无互补作用：突变来自同一 个基因只能产生突变的mRNA 形成突变酶和个体，显示突变的 表现型。则个体表现为突变型。 3互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。 顺反测验：根据顺式表现型和反式表现型来确定两个 突变体是否属于同一个基因（顺反子）。 顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色体上 ），不进行测试，其表现型 野生型。 实质上是进行反式测验（反式排列：两个突变座位位 于不同的染色体上）。 反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点； 反式排列为突变型：突变属于同一基因位点。 本泽尔：提出顺反子， 表示功能的最小单位 和顺反的位置效应。 、顺式与反式调控： 假设某一基因的表达受一种调控蛋白质(regulator protein)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(图83)。 1. 顺式调控： 如基因的启动子发生突变，使得调控蛋白不能识别 启动子结构，该基因就不能表达；只影响基因本身的表 达， 而不影响其它等位基因的调控突变。 2. 反式调控： 调控蛋白发生突变，不能与某基因的启动子结合， 还会影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点 表达。 、基因的微细结构 本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术 详细分析T4 噬菌体r区基因的微细结构。 原理： r+ 野生型T4噬菌体：侵染E.coli B株和K12株；形成小 而边缘模糊的噬菌斑。 r突变型T4噬菌体：只能侵染B株，不能侵染K12()株。形 成大而边缘清楚的噬菌斑。 利用上述特点: 让两个r突变型杂交 侵染 K12()株，选择重组体r+r+ 计算 两个r+ 突变座位间的重组频率。 方法： 两种r突变类型：rx、ry r+rx ryr+ 混合感染 E.coli B株 接种 K12()株 计数 r+ ry、rxr+ r+ r+、rxry 四种基因型 均能生长 r+ r+ 仅生长 一种重 组型 B株 结果： .重组值计算： rxry的数量与r+r+ 相同，计算时r+r+ 噬菌体数2。 可以获得小到0.001，即十万分之一的重组值。 利用大量r区内二点杂交结果，绘制出r区座位间 微细的遗传图： . r突变体类型： rA、rB： 两个rA 突变体 K12 无噬菌体繁殖 两个rB 突变体 K12 无噬菌体繁殖 rA rB突变体 K12 噬菌体繁殖 rA与rB区段可以互补，分属于不同基因座位。 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 rRNA 如发生致死突变，不能形成核糖体， 易死亡。 tRNA 发生突变后， 多肽链改变。转录 mRNA 翻译 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 Hbs Hbc 红血球镰刀形 血红蛋白分子有四条多肽链： 两条链(141个氨基酸/条)、 两条链(146个氨基酸/条)。 HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差 异在于链上第6位上氨基酸： HbA第6位为谷氨酸（GAA)； Hbs第6位为缬氨酸（GUA)； Hbc第6位为赖氨酸（AAA）。 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 R基 因酶蛋 白质 淀粉 分支酶 正常合 成淀粉 r 基因 不合成酶 无功能酶 缺少一 种淀粉 分支酶 积累蔗糖 和大量的 水份 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。 产生tRNA, rRNA，无表型； 不转录mRNA，但对其它基因起调控作用。 产生多肽，有表型； 基因 比德尔和塔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： . DNA水平上调控。 . 转录水平上调控。 . 翻译水平上调控。 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。 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； 、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。 操纵元（子）：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，基因组成型表达。 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。 真核生物基因表达的调控可以发生在DNA水平，转录 水平，转录后的修饰，翻译水平和翻译后的修饰等多种不 同层次。但多数基因的表达调控仍发生在转录水平。 原核生物真核生物 操纵纵元调调控多样样化调调控，更为为复杂杂 基因组组小，大肠肠杆菌:总长总长 4.6106bp，编码编码 4288个基因，每 个基因约约1100bp 基因组组大，人类类基因组组全长长 3109bp，编码编码 10万个基因，其余 为为重复序列 基因分布在同一染色体上，操纵纵元 控制 DNA与组组蛋白结结合成染色质质，染色 质质的变变化调调控基因表达；基因分布 在不同的染色体上，存在不同染色 体间间基因的调调控问题问题 适应应外界环环境，操纵纵元调调控表达基因差别别表达是细细胞分化和功能的 核心 转录转录 和翻译译同时进时进 行，大部分为转为转 录录水平调调控 转录转录 和翻译译在时间时间 和空间间上均不同 ，从DNA到蛋白质质的各层层次上都有 调调控，但多数为转录为转录 水平调调控 真核生物与原核生物的调控差异 本章小结 1基因的概念、表达、调控和新发展： DNA是遗传物质； 性状