基因的表达与调控.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。,第六章基因的表达与调控第一节基因的表达,（一）经典遗传关于基因的概念：,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。,（二）分子遗传学关于基因的概念：,（1）揭示遗传密码的秘密：基因具体物质。,（2）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：,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。,或用分子遗传学的解释：基因的本质：（1）基因是特定长度和碱基序列的DNA片段（2）核苷酸序列中蕴藏着遗传信息：mRNA多肽DNAtRNArRNA调节基因,无翻译产物,翻译,转录,无转录产物,结构基因,（3）现代遗传学上认为：,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。,（4）基因概念：,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。,（三）分子遗传学对基因概念的新发展,将基因分为不同类型：,（2）调控基因(regulatorgene)：,指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。,（3）重叠基因(overlappinggene)：,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。,（4）隔裂基因(splitgene)：,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。,（5）跳跃基因(jumpinggene)：,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,（6）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,基因概念的发展（总结）：移动基因（跳跃基因）：转座子断裂基因：内含子、外显子重叠基因：同一段DNA不同的读码或终止方式，产生不同的表达产物。一般常见于原核生物。假基因：与正常基因序列高度同源，但是不表达。（四）基因与性状表达基因（DNA）mRNA蛋白质tRNArRNA,A,B,A,B,结构蛋白,酶蛋白,性状表现,代谢,（一）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。,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，则每个突变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）。,（二）顺式与反式调控：,假设某一基因的表达受一种调控蛋白质(regulatorprotein)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。,（三）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.coliB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。,基因的精细结构和顺反测验,五十年代中期本泽（Benzer）首先把“分子”基因的新概念引入了遗传学（1）拟等位基因（pseudoallele）的提出（2）Benzer于1953年发现T-偶数噬菌体rII,Benzer顺反子概念和基因内重组DiscoveryofRecombinationWithintheGene,Benzer以T4噬菌体为材料进行了研究工作，正式提出“顺反子”这个术语,Benzer顺反子概念和基因内重组DiscoveryofRecombinationWithintheGene,Benzer将两个rIIA突变型对B株进行混合感染，再让释放的子代噬菌体感染K株。出现了野生型噬菌体。,方法：,两种r突变类型：rx、ry,r+rxryr+,混合感染,E.coliB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,2重组型噬菌体数总噬菌体数2K菌台上的噬菌斑数B菌台上的噬菌斑数,Rf=,100%,Rf=,100%,（3）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,rArB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,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,HbsHbc,红血球镰刀形,红血球碟形,血红蛋白,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。,HbAHbsHbc,例如：豌豆,圆粒(RR)皱粒(rr)F1圆粒(Rr)F21/4皱粒,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。,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：,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。,（一）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。,负调控：geneONOFF正调控：geneOFFON诱导：活性阻遏蛋白失活诱导因子非活性激活蛋白活性阻遏：失活阻遏蛋白活性共阻遏蛋白活性激活蛋白失活,阻遏蛋白,激活蛋白,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；,乳糖操纵子模型的建立(JacobandMonod,1961),获1965年诺奖,（二）乳糖操纵元：1961年由莫诺（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。获1965年诺贝尔奖。,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（JacobF）.和莫诺（MonodJ.）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。,乳糖操纵元模型,i,o,z,y,a,i,o,z,y,a,阻遏物,诱导物,关闭状态,开放状态,半乳糖苷酶,渗透酶,转乙酰酶,R酶,调节基因,操纵基因,（2）乳糖操纵元转录调节,Plac,lacZ,lacY,lacA,转录被阻滞,RNA聚合酶,Olac,被激活的乳糖阻抑物四聚体,乳糖,诱导物（异乳糖）,失活的乳糖阻抑物-诱导物复合体,Olac,Plac,lacZ,lacY,lacA,RNA聚合酶,转录被诱导,lacZlacYlacA,RNA,cAMP-CRPComplex,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。,（1）乳糖操纵元的结构,lacI,lacZlacYlacA,PlacIPlacOlac,RNA,DNA,lacZlacYlacA,lacI,乳糖阻遏物（单体、四聚体）-半乳糖苷酶渗透酶乙酰转移酶,Protein,乳糖葡萄糖半乳糖,增加乳糖的吸收功能未知,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。,Lac.Operon,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