医学遗传学分子基础.ppt

第三章遗传的分子基础第一节染色体的化学组成和分子结构一 染色体的化学组成 染色质 dna蛋白质少量rna 组蛋白 h1 h2a h2b h3 h4 非组蛋白 核酸的基本单位 单核苷酸nucleotide 戊糖脱氧核糖 磷酸 含氮有机碱 嘌呤 碱基 一 dna deoxyribonucleicacid 嘧啶 嘧啶 嘌呤 胞嘧啶ccytosine 胸腺嘧啶tthymine 鸟嘌呤gguanine 腺嘌呤aadenine 碱基 核糖 脱氧 糖苷键 核苷 酯键 单核苷酸 3 5 磷酸二酯键 5 3 二 组蛋白与非组蛋白组蛋白 染色体中约1 3是组蛋白 已知有5种 赖氨酸和精氨酸含量比例不同为碱性蛋白 h1 h2a h2b h3 h4多数带正电荷 与dna构成核小体 非组蛋白 酸性蛋白 种类很多 有一类小分子与基因调控有关 三 dna分子中的遗传信息dna的两条多核苷酸链以相反方向缠绕 依赖成对碱基的氢键连接 a t g 其互补原则是dna复制 转录 逆转录的分子基础 一个dna上如有n个核苷酸 其组合几乎为无限 4n 人为43 109 蕴藏大量遗传信息 现已了解 mrna上每三个相邻碱基构成一个密码子 dna的双链形成 1 基因组狭义 单倍体细胞中的全套染色体 人 22条常染色体 x y 线粒体dna 某物种单倍体细胞所具有的遗传信息的总和 广义 一物种的全部遗传物质及其携带的遗传信息 二 染色体的分子组成 大小 从几kb 几个mb 结构特点 1 非编码序列很少 2 编码序列是连续的 3 多数编码序列以操作子的形式排列 4 细菌染色体具有拟核结构 5 从功能上可以把编码序列分为核心基因组 coregenome 和附加成分 2 原核生物基因组的基本结构 核心基因组中的编码序列为细菌生活周期所必须 附加成分是细菌基因组中一些与细菌生活周期没有关系的编码序列 主要有毒力岛 pathogenicityislands 可移动成分等 毒力岛 近年来 随着分子生物学研究的不断深入 在细菌学领域出现了一些新的概念 毒力岛 pathogenicityisland 为其中之一 一组编码细菌毒力相关基因的基因簇 分子质量比较大长度在20 100kb 两侧一般具有重复序列和插入元件 也可以没有 具有附加成分特点 非必需 gc含量 密码使用频率 不稳定可移动 基因产物多为分泌性蛋白或表面蛋白 毒力岛具有以下特点 1 编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的 20 100kb左右 染色体dna片段 2 一些毒力岛的两侧具有重复序列和插入元件 但是也可以没有 3 毒力岛往往位于细菌染色体的trna基因位点内或附近 或者位于与噬菌体整合有关的位点 4 毒力岛dna片段的g cmol 密码使用和宿主细菌染色体有明显差异 有的比宿主细胞的g cmol 明显高 有的明显低 5 毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细胞表面蛋白 如溶血素 菌毛和血红素结合因子 一些毒力岛编码细菌的分泌系统 如 型分泌系统 信息传导系统和调节系统 6 一种病原菌可以有一个或几个毒力岛 7 部分学者认为 细菌的毒力岛应该包括位于噬菌体和质粒上的 与细菌的毒力有关 其g c百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的dna片段 8 毒力岛可能与新发现的病原性细菌有关 3 质粒 染色体外遗传物质 双链dna分子 几kb 几百kb 位置相对游离 独立复制 松弛与严谨 携带致育基因和耐药基因 f因子 接合性质粒 质粒的不相容性 在没有选择压力的情况下两种质粒不能共存于同一个宿主细胞内的现象 断裂基因 主要由大量的非编码序列和少量的编码序列构成 存在多基因家族 含有多种类型的重复序列 4 人类基因组的基本特点 人类基因组概况 每个基因组 genome 含3 0 109bp 根据基因组dna碱基排列顺序重复出现的程度不同 把基因组dna序列分为单一序列 重复序列 基因组dna 单一序列 uniquesequence 重复序列 repetitivesequence 60 65 单拷贝或很少几次的序列 由800 1000bp组成 结构基因 一个基因组中 约有10万个结构基因 3 3 5万 30 以上 dna序列在基因组中有多个拷贝 可有几十份 几百份 甚至几十万份有些重复序列与染色体结构有关 大多数生物学功能有待进一步研究 重复序列 高度重复序列 中度重复序列 由很短的碱基序列组成 长度2 200bp 重复次数106 108 一般占dna碱基对的10 30 由一些短的dna序列呈串联重复排列 在长度和拷贝数目上有很大差别 重复次数10 104 一般占dna碱基对的10 有些中度重复序列dna具有编码功能 大多数无编码功能 主要是一些分散重复dna序列 高度重复序列 卫星dna小卫星dna微卫星dna回文序列 卫星dna dna在cscl密度梯度离心中 由于gc的含量少于at 当重复序列的gc与at的比率有差异时 可在dna主峰旁形成卫星dna 卫星dna构成着丝粒 端粒和y染色体长臂上的异染色质区 称为卫星dna 浮力密度 主带卫星带1 7011 690 吸光度 卫星dna 小卫星dna 指端粒dna和高变小卫星dna两种 在染色体末端由6bp序列 ttaggg 重复串联组成的10 15kbdna序列称为端粒dna 它是在端粒酶作用下加到染色体末端 保持染色体的完整性 高变小卫星dna是由9 64bp序列重复串联组成的 每个小卫星区重复序列的拷贝数是高度可变的 因此常用dna指纹技术作个体鉴定 小鼠卫星dna的ecorii切割的电泳扫描图 微卫星dna 微卫星dna重复单位序列最短 只有1 5bp 串联成簇长度50 100bp的微卫星序列 人类基因组至少有30000个不同的微卫星位点 具高度微卫星多态性 不同个体间有明显差别 但在遗传上却是高度保守的 因此可作为重要的遗传标志 用于基因定位的连锁分析 回文序列是两个顺序相同的互补拷贝在同一条dna链上反向排列而成的 形成链内碱基配对 形成发夹结构 人类基因组中的串联重复序列 短分散元件 sines 长度300 500bp 散在分布在基因组中 拷贝数目可达到105以上 两个片段间隔约1000bp的单拷贝序列 例如人类alu家族 占人类基因组的3 6 由300bp构成 在第170位附近都agct顺序 可被内切酶alu 重复达30 70万次 平均4kbdna就有一个alu顺序 长分散元件 lines 长度1000 7000bp 重复次数为10 104 重复序列之间间隔10 30bp单拷贝序列 在人类基因组可重复几十次串联在一起形成基因簇有称串联重复基因 如kpni家族 中度重复序列 人类基因组中的散布重复序列 多基因家族 multigengfamily 一个祖先基因 ancestralgene 经过重复和变异所形成的一组基因 基因家族也就是真核基因组中有许多来源相同 结构相似 功能相关的基因称为基因家族 有两种存在形式 一类是一个基因的多次拷贝成簇排列在同一条染色体上 形成一个基因簇 genecluster 另一类是一个多基因家族中的不同成员成簇分布于几条不同的染色体上 这些成员的序列虽然有些不同 但是编码一组关系密切的蛋白质 直向同源 ortholog 不同物种 甚至真核生物与原核生物之间 结构相似 功能相关的基因 起源于同一祖先 横向同源 paralog 同一生物体内 结构相似 功能相关的基因 源于基因的复制 假基因 在多基因家族中 某些成员不产生有功能的基因产物 这类基因成为假基因 假基因的核苷酸顺序与相应的活性基因极为相似 但不能表达 不具有正常功能 它们与有功能的基因有同源性 起初可能是有功能的基因 以后由于发生突变 失去了活性 变成了无功能的基因 gc框 调节转录的活动 caat框 增强子 尾部区 第二节真核基因的分子结构 人类 珠蛋白基因结构图 内含子1 i1 内含子2 i2 外显子3 e3 105146 外显子2 e2 31104 5 3 转录起始点 tata框rna聚合酶结合决定转录起始点 caat框rna聚合酶结合控制转录频率 外显子1 e1 130 aataaa 结构基因 编码区 非编码区 调控区 外显子 具有编码意义 内含子 无编码意义 5 gt 3 ag gt ag法则 前导区 启动子 终止子 tata框 mrna裂解信号 aataaa 回文结构 gc框gc框 转录终止信号 第三节dna的复制 dna复制 replication dna分子合成一个与自己相同的dna分子的过程 其结果dna含量增加一倍 42 一 半保留复制 semi conservativereplication 解旋 2条单链 分别以2条单链为模板按碱基配对原则形成与亲代dna分子相同的两条子链 每条子链中一条多核苷酸链是亲代dna分子即模板链 另一条是互补合成的 二 dna复制的过程 复制起点 方式和方向复制起点 originori或o复制原点 复制开始处dna分子的特定位置 原核生物 prokaryote 单复制起点即 整个染色体只有一个复制单位 复制子 replicon 又称复制单位或复制元 真核生物 eukaryote 多复制起点即 一个genome中有多个复制单位 dna中含有一定复制起点和复制终点的复制单位1 3万 90万不等 47 复制起始点 复制体 replisome 复制叉处的许多酶和蛋白组成的复合体 协同动作合成dna 复制叉 富含at 呼吸作用 十分明显 许多酶的结合位点 发夹结构也有同样作用300bp 真核生物的复制原点 复制眼 replicationeye 电子显微镜下观察正在复制的dna 复制的区域形如一只眼睛 50 复制起始点 复制叉 先导链 后导链 延迟链 rna引物 岗崎片段 复制方式 三 dna复制所需的引物 酶和某些蛋白dna复制所需的引物rna引物 长度一般为4 12个核苷酸 引物的出现可能提高dna复制的无差错性 1 引发酶和引发体 引发酶作用 催化rna引物的合成 引发酶催化前要与多种蛋白质结合共同构成一个复合体 引发体 引发体有三种蛋白质 dnaadnabdnac dna复制所需的酶和蛋白质 dna复制简单起始过程 a 涉及主要酶系 dnaa rnapol是必不可少的 此外涉及到dnab 解旋酶 dnac hu gyrase sb dnag top 和dnapol 全酶 简单步骤 转录激活 dnaa识别并结合复制起点 dnab dnac六聚体与oric形成预引发体 dnag加入形成引发体 oric引发体 合成引物rna 引物合成后 dnapol组装到引发的rna上 完成复制体的组装 55 dna双链 大肠杆菌dna复制的起始 atp dnaa 2 dna聚合酶 作用是将脱氧核苷酸连接成dna 聚合反应 底物 dntppoly 核苷酸 n 3 oh dntp poly 核苷酸 n 1 3 oh 2pidna聚合酶活性条件 模板 引物 dna聚合酶i dna聚合酶ii dna聚合酶iii 将岗崎片段5 端上的rna引物切除 此外对dna复制起校正作用 并在dna损伤修复中也起重要作用 作用机制不详 dna复制所必须的酶 dna链的延长 作用除与dna聚合酶i有类似作用外 还有一些其它独特的机能 dna复制校正作用 免错机制改错机制 失配修复机制 免错机制 的代表是与dna聚合酶连接的核酸外切校对酶 dna复制时首先dna聚合酶进行 核苷酸选择 但并非100 选择正确 有十万分之一选择错误 核酸外切校对酶可清除选择错误的核苷酸 如果还有错误级既使用改错机制 改错机制 失配修复机制 在新合成的核苷酸中找出错配的核苷酸并将其清除 dna聚合酶 dna聚合酶 dna聚合酶 dna聚合酶 dna聚合酶 dna复制时所需要的酶 dna损伤修复时起作用 存在线粒体 线粒体dna复制起作用 作用机制不详 在复制的dna链中如何辨别亲本链和新合成的链 亲本链顺序上甲基化程度较高 新合成顺序则无 延伸过程进入的标志 dnapol 把第一个核苷酸加到引物的3 oh端后随链合成的起始 前体片段的起始 后随链的第一个冈崎片段起始于先导链进入延伸之后 x174phage后随链的起始 负链合成 不连续合成 3 dna连接酶 能催化一段dna链的5 磷酸根与另一段dna的3 oh形成磷酸二酯键 使两段dna连接起来 此外 在dna修复中亦起重要作用 4 dna解链酶 解开dna双链 解链时需atp供能 5 单链dna结合蛋白 ssb 与被解开的dna单链结合 使其不再缠结而便于作模板 去螺旋稳定蛋白 hdp 与复制有关的另外两种酶 拓扑异构酶 端粒酶 端粒末端转移酶 拓扑异构酶i 拓扑异构酶ii 切断dna双链中的一股 使dna解链旋转时不致缠结 待张力解除后又把切口封闭 稳定螺旋结构 当复制完毕时 使着丝粒处连锁着的两个dna分子分离 保证真核细胞内线性dna的复制进行得彻底和完善 64 解链酶 rna引物 复制终止 1 环形dna复制的终止a 终止序列e coli有两个终止区域 分别结合专一性的终止蛋白序列一 tereterdtera序列二 terfterbterc每个区域只对一个方向的复制叉起作用 b 专一性终止蛋白e coli中由tusgene编码 terminusutilizationsubstance 通过抑制dna螺旋酶而发挥终止作用 每次复制时只使用一个终止位点 ter 线性dna的末端复制的问题 环状dna复制是否存在这样的问题 为什么 线状dna的复制5 末端短缩的解决模式 a 从开始就采取环化的形式 噬菌体b 象t7噬菌体一样采取连环分子的形式利用自身线性dna末端的重复序列 通过末端互补形成连环分子c 最直接的办法 引入蛋白质直接从末端起始复制如 腺病毒 2 phage 29 脊髓灰质炎病毒d 痘病病毒的末端由发夹结构连接复制完成后错切连接 二聚体 3 oh 3 oh t7噬菌体的末端复制 专一性核酸内切酶 腺病毒 adnovirus 2 dna的复制 ir 包括50bp的复制原点 富含a t 有一个高度保守的g c对 ptp 末端蛋白的前体80kd tp55kdssb 单链dna结合蛋白72kdad2dnapolymerase 140kd 避免5 endshortent 3 oh 腺病毒dna复制起始 长的发夹结构 痘病病毒末端复制的解决方式 真核生物染色体dna末端补齐模式 1 端粒dna telomer ttgggg t2g4 序列高度重复的末端 端粒酶 telomerase 四膜虫 telomerase将t2g4末端重复延伸游扑虫 telomerase rnacaaaacccc链 末端结合蛋白 tbp 端粒酶 逆转录酶a 核蛋白 ribonucleoproteinrnp b 含约长150nt的rna 其中含1 5拷贝的cxay重复序列 是合成端粒t2g4的模板c 延长的3 t2g4端 一段cdna 作为5 端dna合成的模板 补齐过程 通过tg链的回折形成发夹结构 g g氢键 尺蠖模型 实现端粒酶位置的调整 or 人体细胞通过监测失去的端粒的重复数而计数细胞分裂次数 当端粒长度下降到某一临界值时 细胞终止分裂 衰老 死亡 多莉 的衰老研究端粒丢失的速率 预测人类的寿命 研究推测端粒酶与肿瘤的关系 复制忠实性的保证 1 dnapol的3 5 外切酶活性2 dnapol只能从引物的3 端延伸dna 需要rna引物 a 碱基配对协同性导致最初几个碱基错配率高 且不易校正b rna引物最终被降解而避免错误3 后随链的不连续合成 因其有利于错配碱基的校正 第四节dna分子中信息的表达 基因表达 是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程 合成特定的蛋白质 进而发挥其特定生物学功能的全过程 基因表达产物 各种rna trna mrna和rrna 以及蛋白质 多肽 一 转录转录 指dna合成rna的过程 dna分子的3 5 为模板链也叫反编码链 5 3 链叫编码链 dna 复制 rna 蛋白质 转录产物 信息rna mrna 转运rna trna 核糖体rna rrna 核仁以外的常染色质转录的 核仁内的常染色质转录的 转录的阶段 粗转录阶段加工阶段 87 dna 转录 剪接 带帽 加尾 成熟的mrna hnrna 加工 一 剪接 细胞核内小rna长约250个核苷酸 是所有真核 高度保守的成分 因富含u 称u族rna 已知有u1 u2 u3 u4 u5 u6数种 这些 snrna与约十种pr 结合形成snrnp 其通过rna rna互补 可识别内含子中rna的特定序列 各种snrnp在剪接过程中 形成剪接体 使内含子被切掉 89 2 切除内含子 内含子5 端的外显子和3 端的外显子连接起来 内含子3 端剪接部位断裂 将内含子形成的套索式结构切掉 1 在内含子3 端uacugac中第6位的a攻击剪接部位 使之断裂 内含子5 端g断裂后折回 与内含子3端第6位a经5 2 磷酸二酯键相连接 90 5 5 首先 rna5 端起始核苷酸的p与鸟苷三磷酸形成5 5 键 然后 在乌苷酸7位n上甲基化 完成戴帽 帽o 在真核生物中 下一个 的2 0位甲基化 形成帽1 二 戴帽 戴帽作用 1 戴帽可有效地封闭rna5 末端 使它不再接核苷酸 2 同时可保护5 末端 使其不受砼酸酶和核酸酶的消化作用 从而增加其稳定性 3 帽还能被核糖体小亚基识别 促使mrna与核糖体结合 三 加尾 在戴帽同时 3 端在在腺苷酸聚合酶作用下加接一连串polya 成尾 这过程称多聚腺苷酸化反应 多聚腺苷酸化是在aavaaa下游开始的 但在加尾前 需修建3 末端 水解掉10 15个核苷酸后 再加100 200个a 作用 可能是使得mrna3 末端稳定 不受酶的破坏 并可促使mrna由核运转到质中 二 翻译 组成性与诱导性组成性基因 始终表达的基因 如能量代谢 诱导性基因 诱导表达的基因 如细胞因子正调控和负调控阻遏 基因表达受到抑制的过程和状态 脱阻遏被阻遏的基因重新表达 静息 基因长期不表达的状态 调控的水平转录前 转录水平 转录后 第五节基因的调控 基因表达的特异性 一 时间特异性往往与细胞或个体的特定分化 发育阶段相适应 又称阶段特异性 二 空间特异性由细胞在各组织器官的分布差异所决定的 故又称为细胞特异性或组织特异性 基因表达的方式 一 组成性表达管家基因 生命全过程都是必需的 且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因 组成性基因表达 管家基因较少受环境因素的影响 在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达 二 诱导和阻遏表达诱导表达 特定环境信号刺激下 基因表现为开放或增强 表达产物增加 阻遏表达 在特定环境信号刺激下 基因被抑制 从而使表达产物减少 三 协调表达协调表达 在一定机制控制下 功能相关的一组基因 协调一致 共同表达 一 原核细胞的基因表达调控负调节 负调节蛋白 阻遏物 将基因关闭 使其不能转录的调节方式 100 大肠杆菌乳糖操纵子 转录 翻译 关闭状态 101 转录 翻译 rna聚合酶 乳糖 半乳糖 打开状态 rna聚合酶 正调节 正调节蛋白 活化物 与启动子结合 增强rna聚合酶与启动子结合的能力 使转录过程进行的调节方式 103 阿拉伯糖 ara 操纵子 转录 翻译 rna聚合酶 阿拉伯糖 ara rna聚合酶 二 真核细胞的基因表达调控1 环境因素对基因表达调控的影响2 激素 蛋白质因子等对基因表达调控的影响3 染色质结构的变化 一 dna 染色体水平的变化特点1 对核酸酶极度敏感 真核基因表达调控的特点 2 活性染色体结构变化当基因被激活时 可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化 1 对核酸酶敏感活化基因一个明显特性是对核酸酶极度敏感 当用dnase 处理时染色质dna会也现一些dnase 超敏位点 hypersnsitivesite 超敏位点常发生在基因的5 侧翼区 5 flankingregion 3 侧翼区 3 flankingregion 甚至可转录区内 具体也现在调节蛋白结合位点附近 对dnase 敏感状态的出现是转录所必需的 但它并不是只在转录进行时才存在 所以可以认为 dnase 敏感状态是转录的必要条件而不是充分条件 2 dna拓扑结构变化 当基因活化时 rna聚合酶前方的转录区dna拓扑结构为正性超螺旋构象 而在其后面的dna则为负性超螺旋构象 负性超螺旋构象有利于核小体结构的再形成 而正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成 而且促进组蛋白h2a h2b二聚体的释放 使rna聚合酶有可能向前移动 进行转录 2 dna拓朴结构变化天然双链dna几乎均以负性超螺旋构象存在 当基因激活后 则转录区前方的dna拓朴结构变为正性超螺旋 有利于rna聚合酶向前移动 进行转录 3 dna甲基化dna甲基化程度与基因表达呈反比 4 染色体结构的变化组蛋白发生修饰 碱基暴露等原因而引起核小体结构改变 使核小体不稳定性增加 3 dna甲基化修饰在真核生物基因表达调控中 甲基化起着重要作用 一般认为 dna甲基化范围与基因表达程度呈反比关系 甲基化程度高 基因的表达则降低 去甲基化 又可使基因表达增加 这种甲基化最常发生在某些基因的5 侧翼区的cpg序列 又称 cpg岛 处于转录活化状态的基因cpg序列一般是低甲基化的 4 组蛋白变化其中包括 富含lys组蛋白水平降低 亦即h1样组蛋白减少 并伴有dna形成30nm纤维束能力降低 h2a h2b二聚体不稳定性增加 易于从核心组蛋白中被置换出来 组蛋白修饰 最常见的修饰有乙酰化 泛素化 修饰后使核小体结构变得不稳定 h3组蛋白巯基暴露 系核小体结构变化引起 3 正性调节占主导 真核基因组结构庞大 在不适当位点出现特异结合序列机会增多 正性调节大多数基因不结合调节蛋白 只要细胞表达一组激活蛋白时 相关靶基因即可被激活 4 转录与翻译分隔进行真核细胞核及胞浆等区间分布 转录与翻译在不同亚细胞结构进行 转录后修饰 加工鉴于真核基因结构特点 转录后剪接及修饰等过程比原核复杂 基因表达调控原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行 真核生物基因表达的调控环节较多 在dna水平可通过染色质丢失 基因扩增 基因重排 dna甲基化以及染色质结构改变影响基因表达 在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与tata盒的结合 rna聚合酶与转录因子 dna复合物的结合以及转录起始复合物的形成 在转录后水平主要通过rna修饰 剪接及mrna运输的控制来影响基因表达 影响翻译水平的因素有影响翻译起始的阻遏蛋白 5 aug 5 端非编码区的长度等 有mrna的稳定性调节 另外还存在小分子反义rna对翻译的调控 翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节 基因表达 geneexpression 是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录 翻译等一系列过程 合成特定的蛋白质 进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程 并非所有基因表达过程都产生蛋白质 rrna trna的编码基因转录生成rna的过程也属于基因表达 基因表达的调控是在多极水平上进行的 转录水平是基因表达的基本控制点 基因表达的时间特异性 temporalspecificity 按功能需要 某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生 这就是基因表达的时间特异性 基因表达的空间特异性 spatialspecificity 在个体生长全过程 某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现 这就是基因表达的空间特异性 基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异 实际上是由细胞在器官的分布决定的 因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性 cellspecificity 或组织特异性 tissuespecificity 基因表达的方式有 1 组成性表达 管家基因 housekeepinggene 有些基因产物对生命过程是必需的且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达或变化很小的基因 组成性基因表达 constitutivegeneexpression 指管家基因的表达 又称基本的基因表达 只受启动序列或启动子与rnapol抑制作用的影响 诱导表达 inductionexpression 和阻遏表达 repressionexpression 有一些基因表达极易受环境变化的影响 在特定的环境信号刺激下 相应基因的表达表现为开放或增强 这种表达方式称诱导表达 相反有些基因的表达表现为关闭或下降 这种表达方式称阻遏表达 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行 基因表达调控的基本原理是1 基因表达子多极调控2 基因转录激活调节基本要素 1 特异dna序列 主要指具有调节功能的dna序列 把可影响自身基因表达活性的dna序列称为顺式作用元件 根据作用性质和后式分为启动子 增强子和沉默子 2 调节蛋白 分三大类 决定rnapol对启动序列的特异性识别和结合能力的顺式作用元件的特异因子 原核基因转录调节具有如下特点 1 因子决定rnapol识别的特异性 不同的 因子决定特异基因的转录激活 决定mrna rrna和trna基因的转录 2 操种子模型的普遍性 一个操重子只含有一个启动序列及数个可转录的编码基因 3 阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性 转录水平的调控原核生物基因多以操纵子 operon 的形式存在 操纵子由调控区与信息区组成 上游是调控区 包括启动子与操纵基因两部分 启动子是同rna聚合酶结合并启动转录的特异性dna序列 操纵基因是特异的阻遏物结合区 乳糖操纵子调控的机制e coli的乳糖操纵子 lacoperon 有三个结构基因z y a 分别编码 半乳糖苷酶 galactosidase 透酶 permease 和半乳糖苷乙酰化酶 galactosideacetylase 其上游还有一个启动序列 p 和一个操纵基因 o 在启动序列上游还有一个cap蛋白的结合位点 由启动子 操纵基因和cap结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区 1 i基因是调节基因 编码产生阻遏蛋白 阻遏蛋白为四聚体 每个亚基相同 在没有乳糖的条件下 阻遏蛋白能与操纵基因结合 由于操纵基因与启动子有部分重叠 阻遏蛋白与操纵基因结合后 抑制了rna聚合酶与启动子结合 从而抑制结构基因的转录 偶有阻遏蛋白与操纵基因解聚 因此每个细胞中可能会有寥寥几个半乳糖苷酶 透酶生成 当有乳糖存在时 该操纵子即可被诱导 乳糖经透酶作用进入细胞 再经已存在的 半乳糖苷酶催化 转变成半乳糖 后者作为诱导剂 inducer 与阻遏蛋白结合 使阻遏蛋白的构象发生改变 导致阻遏蛋白与操纵基因解聚 引起结构基因的转录 异丙基硫代半乳糖苷 iptg 是一种作用极强的诱导剂 不能被细菌代谢 因此被实验室广泛应用 2 在lac操纵子中 rna聚合酶与lac启动子结合的能力很弱 只有cap结合到启动子上游的cap结合位点后 促进rna聚合酶与启动子结合 才能有效转录 乳糖操纵子的转录起始是由cap和阻遏蛋白两种调控因子来控制的 在这种调控作用中 cap起正调控作用 cap和阻遏蛋白这两种因素 可因葡萄糖和乳糖存在与否而有4种不同的组合 葡萄糖存在 乳糖不存在 此时无诱导剂存在 阻遏蛋白与dna结合 而且由于葡萄糖的存在 cap也不能发挥正调控作用 基因处于关闭状态 葡萄糖和乳糖都不存在 在没有葡萄糖存在的情况下 cap可以发挥正调控作用 但由于没有诱导剂 阻遏蛋白负调控作用使基因仍然处于关闭状态 葡萄糖和乳糖都存在 乳糖的存在对基因的转录产生诱导作用 但由于葡萄糖的存在使细胞内camp水平降低 camp cap复合物不能形成 cap不能结合到cap结合位点上 转录仍不能启动 基因处于关闭状态 葡萄糖不存在 乳糖存在 此时cap可以发挥正调控作用 阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用 基因被打开 启动转录 3 协调调节 阻遏蛋白负性调节与cap正性调节两种机制协调合作 当乳糖操纵子的强的诱导作用即需要乳糖存在 又需要缺乏葡萄糖 4 原核特异基因除操纵子转录起始调节尚有其他特异调节机制 1 转录衰减 如色氨酸操纵子的调控机制e coli的色氨酸操纵子 trpoperon 有五个结构基因 e d c b a基因编码三种酶 用于合成色氨酸 上游调控区由启动子 p 和操纵基因 o 组成 r基因是调节基因 编码阻遏蛋白 trp操纵子是一阻遏型操纵子 无色氨酸时 阻遏蛋白不能与操纵基因结合 对转录无抑制作用 细胞内有较大量的色氨酸时 阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后能与操纵基因结合 抑制转录 trp操纵子的另一个调控方式是衰减 attenuation 机制调节 衰减子位于结构基因e和操纵基因 o 之间的l基因中 大肠杆菌在无色氨酸的环境下 l基因和结构基因能转录产生具有6700个核苷酸的全长多顺反子mrna 当细胞内色氨酸增多时 结构基因转录受到抑制 但l基因转录的前导mrna 140个核苷酸 并没有减少 这部分转录物称为衰减子转录物 衰减子转录物中具有4段特殊的序列 片段1和2 2和3 3和4能配对形成的发夹结构 而形成发夹能力的强弱依次为片段1 2 片段2 3 片段3 4 片段3和4所形成的发夹结构之后紧接着寡尿嘧啶 是不依赖于 因子的转录终止信号 这4个片段形成何种发夹结构 是由l基因转录物的翻译过程所控制的l基因的部分转录产物 含片段1 编码14个氨基酸 其中含有两个相邻的色氨酸密码子 这两个相邻的色氨酸码子以原核生物中转录与翻译的偶联是产生衰减作用的基础 l基因转录不久核糖体就与mrna结合 并翻译l短肽序列 细胞内有色氨酸时 形成色氨酸 trna 核糖体翻译可通过片段1 并通过片段2 因遇到翻译终止密码 核糖体在到达片段3之前便从mrna上脱落 在这种情况下 片段1 2和片段2 3之间都不能形成发夹结构 而只有片段3 4形成发夹结构 即形成转录终止信号 从而导致rna聚合酶作用停止 如果细胞内没有色氨酸时 色氨酰 trna缺乏 核糖体就停止在两个相邻的色氨酸密码的位置上 片段1和2之间不能形成发夹结构 片段2和3之间可形成发夹结构 则片段3 4就不能形成转录终止信号 后面的基因得以转录 色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可发起双重负调节作用 衰减子可能比操纵基因更灵敏 只要色氨酸一增多 即使不足以诱导阻遏蛋白结合操纵基因 就足可以使大量的mrna提前终止 反之 当色氨酸减少时 即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作用 但只要还可以维持前导肽的合成 仍继续阻止转录 这样可以保证尽可能充分地消耗色氨酸 使其合成维持在满足需要的水平 防止色氨酸堆积和过多地消耗能量 同时 这种机制也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完 然后开始自身合成 色氨酸操纵子l基因的翻译产物中具有相邻的色氨酸残基这一现象 在具有衰减调节作用的phea his leu thr等操纵子中也存在 特别是在his操纵子中 衰减子是唯一的控制机构 2 基因重组 沙门菌鞭毛素基因h2启动序列同时启动h2及一种阻遏蛋白的表达 阻遏蛋白可阻遏h1的表达 hin基因编码一种重组酶可催化h2启动序列与hin基因倒位 发生基因重组 结果使启动序列方向改变 h2及阻遏蛋白表达关闭 h1表达 3 通常sos基因处于阻遏状态 有紫外线照射时 sos基因去阻遏 修复酶及相关蛋白质表达 急救修复损伤的dna 真核基因转录调节真核生物基因表达的调控环节较多 在dna水平可通过染色质丢失 基因扩增 基因重排 dna甲基化以及染色质结构改变影响基因表达 在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与tata盒的结合 rna聚合酶与转录因子 dna复合物的结合以及转录起始复合物的形成 在转录后水平主要通过rna修饰 剪接及mrna运输的控制来影响基因表达 影响翻译水平的因素有影响翻译起始的阻遏蛋白 5 aug 5 端非编码区的长度等 有mrna的稳定性调节 另外还存在小分子反义rna对翻译的调控 翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节 这里仅对真核基因调控特点及mrna转录激活调节加以介绍 真核基因调控同原核一样 转录起始仍是真核基因表达调控的最基本环节 而且某些机制是一样的 但在下述方面与原核存在明显差别 1 rna聚合酶 真核rna聚合酶有三种 即rna pol 及 分别负责三种rna转录 细菌的rna pol识别的是一段dna序列 而真核生物的rna pol识别的不是单纯的dna序列 而是一个由通用转录因子与dna形成的蛋白质 dna复后物 真核细胞的rna pol 不能训别纯化的dna上的启动子 只有当一个或多个转录因子 transcriptionfactor tf 结合到dna上形成功能性的启动子 才能被rna pol识别与结合 真核生物的rna pol 识别不同的启动子 需要不同的tf tf tf tf 2 活性染色体结构变化当基因被激活时 可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化 1 对核酸酶敏感活化基因一个明显特性是对核酸酶极度敏感 当用dnase 处理时染色质dna会也现一些dnase 超敏位点 hypersnsitivesite 超敏位点常发生在基因的5 侧翼区 5 flankingregion 3 侧翼区 3 flankingregion 甚至可转录区内 具体也现在调节蛋白结合位点附近 对dnase 敏感状态的出现是转录所必需的 但它并不是只在转录进行时才存在 所以可以认为 dnase 敏感状态是转录的必要条件而不是充分条件 2 dna拓扑结构变化 当基因活化时 rna聚合酶前方的转录区dna拓扑结构为正性超螺旋构象 而在其后面的dna则为负性超螺旋构象 负性超螺旋构象有利于核小体结构的再形成 而正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成 而且促进组蛋白h2a h2b二聚体的释放 使rna聚合酶有可能向前移动 进行转录 3 dna甲基化修饰在真核生物基因表达调控中 甲基化起着重要作用 一般认为 dna甲基化范围与基因表达程度呈反比关系 甲基化程度高 基因的表达则降低 去甲基化 又可使基因表达增加 这种甲基化最常发生在某些基因的5 侧翼区的cpg序列 又称 cpg岛 处于转录活化状态的基因cpg序列一般是低甲基化的 4 组蛋白变化其中包括 富含lys组蛋白水平降低 亦即h1样组蛋白减少 并伴有dna形成30nm纤维束能力降低 h2a h2b二聚体不稳定性增加 易于从核心组蛋白中被置换出来 组蛋白修饰 最常见的修饰有乙酰化 泛素化 修饰后使核小体结构变得不稳定 h3组蛋白巯基暴露 系核小体结构变化引起 3 正性调节占主导 真核基因组结构庞大 在不适当位点出现特异结合序列机会增多 正性调节大多数基因不结合调节蛋白 只要细胞表达一组激活蛋白时 相关靶基因即可被激活 4 转录与翻译分隔进行真核细胞核及胞浆等区间分布 转录与翻译在不同亚细胞结构进行 5 转录后修饰 加工鉴于真核基因结构特点 转录后剪接及修饰等过程比原核复杂 真核基因转录激活调节1 顺式作用元件启动子 真核基因启动子是rna聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件 module 每一组件含7 20bp的dna序列 启动子包括至少一个转录起始点 以及一个以上的功能组件 在这些功能组件中最具有典型意义的就是tata盒 tata盒通常位于转录起点上游 25 30bp 控制转录起始的准确性及频率 典型的启动子则tata盒及上游的caat盒和 或 gc盒组成 这类启动子通常具有一个转录起点及较高的转录活性 然而 还有很多启动子并不含tata盒 这类启动子分为两类 一类这富含gc的启动子 最初发现于一类管家基因 这类启动子一个或上离的转录起始点 另一类启动子既不含tata盒 也没有gc富含区 这类启动子可有一个或多个转录起始点 但多数转录活性很低或根本没有转录活性 而是在胚胎发育 组织分化或再生过程中受调节 增强子 谓增强子就是远离转录起始点 决定基因的时间 空间特异表达 增强启动子转录活性的dna序列 其发挥作用的方式通常与方向 距离无关 从功能上讲 没有增强子存在 启动子通常不能表现活性 没有启动子时 增强子也无法发挥作用 沉默子 某些基因含有负性调节元件 沉默子 当其结合特异蛋白因子时 对其因转录起阻遏作用 2 反式作用因子 转录调节因子简称转录因子 按功能特性可将其分为两类 基本转录因子是rna聚合酶结合启动子所必须的一组蛋白因子 决定三种rna trna mrna rrna 转录的类别 特异转录因子为个别基因转录所必需 决定该基因的时间 空间特异性表达 故称特异转录因子 此类转录因子有的起转录激活作用 有的起转录抑制作用 所有转录因子至少包括两个不同的结构域 dna结合域和转录激活域 此外 很多转录因子还包含一个介导蛋白质 蛋白质相互作用的结构域 最常见的是二聚化结构域 dna结合域通常由60 100个氨基酸残基组成 最常见的dna结合域结构形式是锌指 类似的碱性dna结合域多见于碱性亮氨酸拉链和碱性螺旋 环 螺旋 转录激活域 由30 100氨基酸残基组成 根据氨基酸组成特点 转录激活域又有酸性激活域 谷氨酰胺富含区域及脯氨酸富含区域 二聚化结构域 二聚化作用与亮氨酸拉链 碱性螺旋 环 螺旋结构有关 mrna转录激活及其调节真核rna聚合酶 不能单独识别 结合启动子 而是先由基本转录子tfiid组成成分tata结合蛋白 tbp 识别tata盒或启动元件 并有tbp相关因子 tbp associatedfactors taf 参与结合 形成tfiid 启动子复合物 继而在tfiia f等参与下 rna聚合酶 与tfiid tfiib聚合 形成一个功能性的前起始复合物pic 在几种基本转录因子中 tfiid是唯一具有位点特异的dna结合能力的转录因子 在上述有序的组装过程起关键性指导作用 这样形成的前起始复合物尚不稳定 也不能有效地起动mrna转录 在迂回折叠的dna构象中 结合了增强子的转录激活因子与前起始复合物中的tfiid接近 或通过taf与tfiid联系 形成稳定的转录起始复合物 此时rna聚合酶ii才能真正启动mrna的转录 taf也是细胞特异的转录相应基因 与转录激活因子共同决定组织特异性转录 113 非组蛋白 转录前调控 组蛋白转位模型 二 rna聚合酶 mrna的转录激活及调节真核生物有3种rna聚合酶 rnapol 每种rna聚合酶有约10个亚基组成 其中tata盒结合蛋白 tbp 为3种酶共有 rnapol 对催化mrna的生成起主要作用 转录前rnapol 必须与tbp tf d等各种通用转录因子形成转录前复合体 pic 从而激活或抑制rna的转录 115 上游激活子顺序 增强子 近端启动子 tata框 转录起始点 真核细胞基因激活的新模型 rna聚合酶 rna聚合酶 增强子与沉默子 增强子 结合激活因子的dna序列 沉默子 结合阻遏因子 抑制基因转录的dna序列 特点 主要见于真核细胞和一些真核细胞病毒 序列较长 可长达数百个bp 与转录起始位点的距离可近可远 近的可以在基因内部的内含子中 远的可以距起始位点几十个kb发挥作用 按距离远近发挥作用 没有明显的方向性 既可以在基因的上游发挥作用 也可以在基因的下游发挥作用 一般没有种属和基因的特异性 部分有细胞和组织特异性 种类 细胞特异和诱导特异 聚合酶 转录前起始复合体的组装 真核细胞基因调控系统模型 激素 受体复合物 感受基因 整合基因 感受器 结构基因 第六节基因突变突变 mutation 是指遗传物质发生的可遗传的变异 1 染色体畸变 chromosomeaberration 染色体数目和结构的改变 2 基因突变 genemutation 狭义的突变 所指基因的核苷酸顺序或数目发生改变 一 基因突变的一般特征 1 重演性同种生物的某一突变在不同个体 不同时间 不同地点的重复出现 2 可逆性正向突变一般大于回复突变3 多向性 某一基因突变为不同的等位基因 a突变为a1 a2 a3 复等位基因 在群体的不同个体中 位于同一座位的多个基因 4 平行性亲缘相近物种基因突变的相似性 人 马 牛的白化基因 马 牛 猪的矮化基因 5 有利性和有害性有利性 创造新基因 增加多样性 提供育种素材 促进生物进化 有害性 破坏有机体的相对平衡和协调统一 生活力下降 甚至死亡 有利和有害的相对性 自然选择保留的突变 一般对生物是有利的 人工选择保留的突变 对生物不一定是有利的 很多是有害的 morphologicalmutation形态突变主要影响生物体的外在可见的形态结构 故又称visiblemutation biochemicalmutation生化突变影响生物的代谢过程 导致一个特定的生化功能的改变或丧失 loss of functionmutation丧失功能突变事件通常是破坏性的 删除或改变了基因的关键性的功能区 这种变化干扰了野生型对某种表型的活性功能 其结果是产生了一种丧失功能的突变 二 基因突变的表现 nullmutation无效突变完全丧失基因功能的突变 leakymutation渗漏突变野生型的功能仍在表型上有所反应 较之无效突变 其表型没有发生那么明显的改变 gain of functionmutation获得功能的突变突变事件引起的遗传随机变化有可能使之获得某种新的功能 在杂合体中 随机获得的新功能可以得到表达 因此获得功能的突变极有可能是显性的突变 并能产生新的突变 lethalmutation致死突变影响生物体的生活力 导致个体死亡的一类突变 可分为显性致死和隐性致死 conditionallethalmutation条件致死突变在某些条件下能存活 而在某些条件下是致死的 如t4噬菌体的温度敏感突变型在25 时能在e coli宿主细胞中正常生长 形成噬菌斑 但在42 时就不能生长 三 基因突变的分类 突变在个体发育的阶段 体细胞突变生殖细胞突变 体细胞突变是不能遗传给后代的 但是可以通过有性途径传递 生殖细胞突变发生在种系中 如果突变的性细胞参与受精过程 那么突变基因就会传给下一代 如 血友病突变在欧洲王室通过维多利亚女皇在其整个家系中遗传 引起突变的因素 诱发突变 inducedmutation 自发突变 spontaneousmutation 对外界环境的依赖 非条件型突变 nonconditionalmutation 条件型突变 conditionalmutation dna序列改变 多点突变 碱基序列的改变 点突变 碱基置换 转换 颠换 缺失 插入 突变的方向 正向突变 forwardmutation 负向突变 suppresormutation 四 基因突变的种类 一 碱基置换突变一个碱基被另一碱基取代而造成的突变称为碱基置换突变 转换 transition 嘌呤 嘌呤 嘧啶 嘧啶颠换 transversion 嘌呤 嘧啶 嘧啶 嘌呤 1 碱基异构式引起dna的错配突变 碱基异构式 c i c a anti 碱基异构式引起dna的错配突变 c i c a g k syn g k syn g k anti g k 5 溴尿嘧啶 5 bromouracil bu 是胸腺嘧啶的结构类似物 2 氨基嘌呤 2 aminopurine 可取代腺嘌呤