基因调控及遗传发育.ppt

第 十 三 章 遗 传 与 个 体 发 育 张晓明 目 录 细胞核和细胞质在个体发育中的作用 细胞的全能性 基因调控 基因对个体发育的控制 一、细胞质在细胞生长和分化中的 作用 动、植物的卵细胞虽然是单细胞的，但它的细胞质内除显见的 细胞器有分化外，还存在动物极、植物极，灰色新月体和黄色新月 体等分化。这些分化的物质将来发育成什么组织和器官，大体上已 经确定。 u 海鞘的卵裂： u 角贝的极叶形成： u 海胆个体的发育： u 花粉粒的发育： 二、细胞核在细胞生长和分化中具 有主 导作用 伞藻(Acetabularia)是一种大型的单细胞海 生绿藻。自顶部到根部长约6-9厘米。细胞 核在基部的假根内。成熟时，顶部长出一 个伞状的子实体(fruiting body)，子实体因 物种不同而异。在欧洲有一个种叫地中海 伞藻(A. mediterranea)，子实体边缘为完整的圆 形。另一个种叫裂缘伞藻(A. crenulate)，子 实体边缘裂成分瓣形。 三、细胞核和细胞质在个体发育 中的相互依存 在个体发育过程中，细胞核和细胞质是相互依存、不可分 割的，但起主导作用的应该是细胞核。因为细胞核内的“遗传信 息”决定着个体发育的方向和模式，为蛋白质(包括酶)的合成提 供了模板(mRNA)以及其它各种重要的RNA，从而控制了细胞 的代谢方式和分化程序。细胞质则是蛋白质合成的场所，并为 DNA的复制、mRNA的转录以及tRNA、rRNA的合成提供原料 和能量。 n 果蝇极细胞质移植试验： n 小麦瘿蚊染色体的放弃： n 水蜡虫体细胞染色体异染色质化： n 细胞质对性染色体的影响： 第二节 细胞的全能性 n 植物细胞培养： n 动物细胞核移植： 第三节 基因调控 n 基因调控的证据 n 原核生物基因调控 n 真核生物基因调控 一、 基因调控的证据 二、 原核生物基因调控特点 n原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。 n在细菌中，当几种酶参与同一个代谢途径时，往往是这几种酶的 合成同时起动，产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺反子 (polycistronic) mRNA，这是原核生物所特有的现象， 也是一种经 济有效的调控方式。真核生物没有这种调控机制，因为真核生物基 因转录的是单顺反子(monocistronic) mRNA。 n不同转录调控机制中有一些共同特点。在一个多级反应的降解代 谢途径中，被降解的分子将决定这些降解酶是否需要合成。而在合 成代谢途径中，合成的最终产物又可以调节合成酶基因的表达。 n正调控和负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的是负 调控(negative regulation)。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。正调控(positive regulation) 是经诱导物诱导转录的调控机制。在正调控系统中，诱导物通 常与另一蛋白质结合形成一种激活子(activator)复合物，与基因 启动子DNA序列结合，激活基因起始转录。 三、乳糖操纵元模型 1 负调控 2 正调控 3、乳糖操纵元存在的证据 n 遗传分析 lac操纵元模型有三个基本假定： 阻遏基因I的产物 是可在细胞中扩散的反式调控元件；操纵子O是调控位点，不编 码蛋白质；O位点必须紧邻受其控制的结构基因，它是顺式调控 元件。通过构建和分析细菌的局部二倍体(merozygote)，可以检测 上述假定是否成立。 n阻遏蛋白的分离与鉴定： 1966年吉尔伯特(Gilbert，W.)等人利用 一种阻遏蛋白超量突变型(regulator quantity，Iq)，分离出阻遏蛋白 。这种突变型产生的阻遏蛋白是野生型的10倍。经IPTG诱导Iq细胞 ，分离提取的阻遏蛋白放在透析袋中，用含有同位素标记的IPTG溶 液透析。在这种透析条件下，标记的IPTG小分子可以自由地扩散进 入透析袋内，当达到平衡时，透析袋内的IPTG浓度高于透析袋外溶 液的浓度，说明袋内的细胞提取物中含有与IPTG结合的物质，这种 物质的分子量大而不会扩散到透析袋外面的溶液中。将与IPTG结合 的物质纯化后的分析表明，它具有蛋白质的特性，而来自I 细胞的 提取物则没有与IPTG结合的特性，说明分离的是阻遏蛋白。 n进一步将细菌放在含有同位素标记的培养基中培养，分离出与 IPTG结合并经同位素标记的阻遏蛋白，再与带有lac O+序列的 Lambda DNA混合，分析沉降系数。DNA的沉降系数为40S，而IPTG 阻遏蛋白复合物的沉降系数为7S。将IPTG阻遏蛋白复合物与 DNA混合后用梯度超速离心沉降分离，发现具有放射性的蛋白质复合 体的沉降系数与DNA的相同，说明阻遏蛋白已经与DNA结合了。而 且，分离的这种阻遏蛋白只能与正常的lac操纵子序列结合，不能与 lac操纵子组成型突变(Oc)DNA结合。 n阻遏蛋白的结晶分析： 1996年，刘易斯(Lewis，M)等人成功地 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，进一步补充和证实了根据遗传和生化分析提出的 lac操纵元结构模型，从而使lac操纵元调控得到充分的证据，成为 一幅完整的图案。I基因产物具有360个氨基酸，它的单体与诱导 物结合的位点已经鉴定。分析表明，具有功能的阻遏蛋白含有4个 亚基，即为同聚四聚体。四聚体可被蛋白酶酶切，产生5个片段， 其中4个来自四聚体的氨基端，它们负责与操纵子DNA结合。第5 个是四聚体形成的中心，来自羧基端，它与乳糖诱导物及IPTG结 合。每个四聚体可同时与两个对称的DNA双链结合 。 四、真核生物基因表达的调 控 在真核生物中基因表达的调节其特点: 多层次 无操纵子 个体发育复杂 受环境影响较小 1 真核生物基因调调控特点及种类: 短期调控: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。 长期调控:受到内在程序化的控制,和外界环 境的变化关系不大。 基因的活性是指具有表达的基本条件。 基因的表达是指具备表达的充分条件 真核生物中基因表达的调控种类: 分化 受精卵卵裂内胚层 未分化的 原生殖嵴 谁优先发育依赖于 性别决定基因 抑制 中性生 殖腺 优先 发育 XX XY 皮层 髓层 卵巢 雌性激素 雄性激素 雌性性征 雄性性征 睾丸 抑制 2 真核生物基因题调控的3个问题: 什么信号使细胞去调控基因的表达 对特定基因行使的调控发生在哪一级水平 各级基因调控的分子机制? mRNA 信号？ 蛋白质 调控信号是指触发基因表达的物质。 3.3 真核生物基因调控的信号: 激素： 固醇类激素(S) 神经递质 受体+胞苷环化酶 ATPcATP 蛋白质激活酶 磷酸化 非组蛋白解除 组蛋白抑制 RNA聚合酶增加 结合转录的功能 细胞间的接触和作用也有基因调控 作用 环境和营养信号： 饥饿诱导程度 抑制不必要的酶合成程度 原生原套学说 胚胎发育 4 真核生物基因题调控的不同水平: DNA的改变： 基因剂量和基因扩增 DNA的重排 酵母交配型转变 抗体基因的表达 DNA的甲基化 酵母的变配型的转变 酵母的变配型 等位排斥 有效重排 印迹基因 类别转换 抗体有100万种以上，一种淋巴细胞只产 生一种抗体。 指令学说： 克隆选择学说： 体细胞重组学说： 上世纪60年代提出， 1976年由利根川进证实。 转录水平的调控： 调控元件 调控方式 翻译水平的调控： 调控方式 染色质水平调控： 调控方式 异染色质化 水蜡虫（2n=10）在体细胞里来自父本的5条 染色体依次被异染色质化，在精子形成时丢失 ，只保留来自母本的5条染色体。 剂量补偿 雌性哺乳动物X染色体的失活 莱昂假说： 巴尔小体是一个失活的X染色体，失活的过程就称为