遗传学幻灯ppt课件

1、 第十四章 基因表达的调控 每个细胞都含有整套遗传密码，只是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这本密码在每个细胞中并不全部译出运用，而是不同细胞选用其中各自需运用，而是不同细胞选用其中各自需求的密码子加以转录和翻译。为什么求的密码子加以转录和翻译。为什么基因只需在它应该发扬作用的细胞内基因只需在它应该发扬作用的细胞内和应该发扬作用的时间，才呈现活化和应该发扬作用的时间，才呈现活化形状，而在它不应该发扬作用的时间形状，而在它不应该发扬作用的时间和细胞内，那么处于不活化的形状呢和细胞内，那么处于不活化的形状呢？这种控制特定基因产物合成的机制称这种控制特定基因产物合成的

2、机制称为基因调控。为基因调控。 第一节第一节 基因的概念与开展基因的概念与开展 一、经典遗传学一、经典遗传学 孟德尔称控制性状的因子孟德尔称控制性状的因子为遗传因子为遗传因子 19091909年约翰生提出了基因年约翰生提出了基因这个名词，这个名词， 取代孟德尔的遗传因子取代孟德尔的遗传因子摩尔根等人对果蝇、玉米摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗等的大量遗 传研讨，建立了以基因和传研讨，建立了以基因和染色体为主染色体为主 体的经典遗传学体的经典遗传学 构造单位 重组单位基因 突变单位 功能单位 二、现代遗传学基因是DNA分子上的一定区段,携带有特殊的遗传信息，可转录、翻译，可对其他基因起调理作用

3、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 根据基因构造和功能将基因分为：根据基因构造和功能将基因分为： (1)(1)构造基因：可编码构造基因：可编码RNARNA或蛋白质的或蛋白质的 一段一段DNADNA序列序列 (2)(2)调控基因：其产物参与调控其他结调控基因：其产物参与调控其他结 构基因表达的基因构基因表达的基因 (3)(3)重叠基因：指同一段重叠基因：指同一段DNADNA的编码顺的编码顺 序，由于阅读框架序，由于阅读框架(ORF)(ORF)的不同或的不同或 终止早晚的不同，同时编码两个或终止早晚的不同，同时编码两个或 两个以上多肽链的景象两个以上多肽链的

4、景象(4)隔裂基因：指一个构造基因内部为 一个或更多的不翻译的编码顺序， 如内含子所隔裂的景象(5)腾跃基因：可作为插入因子和转座 因子挪动的DNA序列，有人将它作 为转座子的同义词(6)假基因：同知的基因类似，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 三、顺反检验及基因的微细构造三、顺反检验及基因的微细构造 互补作用与互补检验互补作用与互补检验( (顺反检验顺反检验) )假定有两个独立来源的隐性突变假定有两个独立来源的隐性突变如如a1a1与与a2a2，具有类似的表型，如，具有类似的表型，如何判别它们是属于同一个基因的何判别它们是属于同一个基因的突变，还是分别属于两个

5、基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？即如何测知其是等位基因突变？即如何测知其是等位基因？需求建立一个双突变杂合二倍体，需求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测定这两个突变间有无互补作用 顺反检验顺反检验基因的微细构造基因的微细构造 2020世纪世纪5050年代的生年代的生化技术还无法进展化技术还无法进展DNADNA的序列测定，本的序列测定，本泽尔利用经典的噬泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技菌体突变和重组技术，对术，对T4T4噬菌体噬菌体rr区基因的微细构造区基因的微细构造进展了详细分析进展了详细分析 图图 14-3 14-3 突变噬菌体之间的互补检验突变噬菌体之间的互补

6、检验rIIArIIArIIBrIIBrIIB用含有不同rIIA突变体的噬菌体混和感染大肠杆菌K12用含有不同rIIB突变体的噬菌体混和感染大肠杆菌K12用含有不同rIIA和rIIB突变体的噬菌体混和感染大肠杆菌K12无噬菌体繁衍无噬菌体繁衍正常噬菌体繁衍。大部分是亲本rIIA和rIIB突变体，少数是野生型和双突变体重组型ABC第二节第二节 原核生物的基因调控原核生物的基因调控DNADNA元件元件: DNA: DNA上一段顺序，作为上一段顺序，作为 一种原位顺序具有特殊的功能一种原位顺序具有特殊的功能。 由于它只能作用同一条由于它只能作用同一条DNADNA， 故称顺式作用元件。顺式作用故称顺式作

7、用元件。顺式作用位位 点通常总是在靶基因的上游点通常总是在靶基因的上游反式作用因子：调理基因的产物可反式作用因子：调理基因的产物可 以自在地结合到其相应的靶上以自在地结合到其相应的靶上负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的调控录过程的调控 正调控：调理蛋白和正调控：调理蛋白和DNA以及以及RNA聚聚合酶相互作用来协助起始。诱导物通合酶相互作用来协助起始。诱导物通常与另一蛋白质结合构成一种激活子常与另一蛋白质结合构成一种激活子复合物，与基因启动子复合物，与基因启动子DNA序列结合序列结合，激活基因起始转录，激活基因起始转录原核生物中基因表达以负调控为主原核生物中

8、基因表达以负调控为主, 真核生物中那么主要是正调控机制真核生物中那么主要是正调控机制 图图 14-5 14-5 正调控和负调控正调控和负调控 一、转录程度的调控一、转录程度的调控 原核生物基因表达的调控主原核生物基因表达的调控主 要发生在转录程度要发生在转录程度当需求某一特定基因产物时当需求某一特定基因产物时 ， 合成这种合成这种mRNA。当不需。当不需 要这种产物时，要这种产物时，mRNA转录转录 遭到抑制遭到抑制 1 1、乳糖支配元模型、乳糖支配元模型 大肠杆菌的乳糖降解代谢途径：大肠杆菌的乳糖降解代谢途径：MonodMonod等等19461946发现，当大肠杆发现，当大肠杆菌生长在含有乳

9、糖的培育基上时，菌生长在含有乳糖的培育基上时，乳糖代谢酶浓度急剧添加；当培育乳糖代谢酶浓度急剧添加；当培育基中没有乳糖时，乳糖代谢基因不基中没有乳糖时，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停顿。表达，乳糖代谢酶合成停顿。JacobJacob和和MonodMonod19611961提出了乳糖提出了乳糖支配元模型，用来论述乳糖代谢中支配元模型，用来论述乳糖代谢中基因表达的调控机制基因表达的调控机制 图图 14146 6 乳糖支配元模型乳糖支配元模型经过遗传分析证明经过遗传分析证明lac支配元的存在；支配元的存在；曾经分别出阻遏蛋白，并胜利地测定曾经分别出阻遏蛋白，并胜利地测定了阻遏蛋白的结晶构造，以

10、及阻遏蛋了阻遏蛋白的结晶构造，以及阻遏蛋白与诱导物及支配子序列结合的构造白与诱导物及支配子序列结合的构造 乳糖支配元的正调控乳糖支配元的正调控 除了阻遏蛋白能抑制除了阻遏蛋白能抑制lac支配元转录支配元转录外，其他因子也能有效地抑制外，其他因子也能有效地抑制lac mRNA转录，这个因子的活性与葡转录，这个因子的活性与葡萄糖有关：萄糖有关：葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性腺苷酸环化酶催化腺苷酸环化酶催化ATP前体前体 cAmpcAmp+代谢激活蛋白代谢激活蛋白(CAP) cAmp-CAP复合物，作为支配元复合物，作为支配元 的正调控因子的正调控因子 当cAmp-CAP复

11、合物二聚体插入到lac启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯曲构成新的构型，RNA聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加结实，因此转录效率更高。在葡萄糖存在时，不能构成cAmp，也就无支配元的正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达。 乳糖支配元的正调控乳糖支配元的正调控2 2、色氨酸支配元、色氨酸支配元 大肠杆菌色氨酸支配元是合成代谢大肠杆菌色氨酸支配元是合成代谢途径中基因调控的典型例子：途径中基因调控的典型例子：色氨酸支配元包括色氨酸合成中色氨酸支配元包括色氨酸合成中5 5种酶的构造基因。当培育基中有色种酶的构造基因。当培育基中有色氨酸时，色氨酸支配元氨酸时，色氨酸支配元5

12、5种酶的转种酶的转录同时遭到抑制；色氨酸供应缺乏录同时遭到抑制；色氨酸供应缺乏时，发生转录时，发生转录色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控色氨酸物参与调控色氨酸mRNAmRNA的转录。因的转录。因此此trptrp支配元是一个典型的可阻遏支配元是一个典型的可阻遏支配元支配元 1阻遏物阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基由相距较远的阻遏物基因编码因编码无辅基阻遏物无辅基阻遏物 + trp活性无活性无辅基阻遏物辅基阻遏物色氨色氨酸复合物，与支配子酸复合物，与支配子结合，阻止转录结合，阻止转录2色氨酸缺乏时，色氨酸缺乏时，无辅基阻遏物的三维无辅基阻遏物的三维空间构造发

13、生改动，空间构造发生改动，不能与支配子结合，不能与支配子结合，进展转录进展转录 活性的阻遏物与支配子结合并缺乏以抑制活性的阻遏物与支配子结合并缺乏以抑制转录的起始转录的起始衰减子与衰减作用：衰减子与衰减作用：1 1在高浓度色氨酸存在高浓度色氨酸存在时，转录的前导序列在时，转录的前导序列mRNAmRNA只含有只含有140140个核个核苷酸，其中有一段苷酸，其中有一段28bp28bp的衰减子区域，它在的衰减子区域，它在转录后可迅速构成发夹环构造，转录后可迅速构成发夹环构造，RNARNA聚合酶聚合酶转录时不能经过这种发夹环构造。所以衰减转录时不能经过这种发夹环构造。所以衰减子是一种子是一种: :内部

14、终止子内部终止子2 2无色氨酸时，由无色氨酸时，由于前导肽中色氨酸于前导肽中色氨酸密码子的作用，使密码子的作用，使衰减子不能构成发衰减子不能构成发夹构造而成为单链，夹构造而成为单链，继续向前转录继续向前转录 二、翻译程度的调控二、翻译程度的调控 1 1、反响调控机制、反响调控机制假设某种蛋白质过量积累，将与假设某种蛋白质过量积累，将与其本身的其本身的mRNAmRNA结合，阻止进一步结合，阻止进一步翻译翻译这种结合位点通常包括这种结合位点通常包括mRNA 5mRNA 5端端非翻译区，也包括启动子区域的非翻译区，也包括启动子区域的 Shine-Dalgarno (SD) Shine-Dalgarn

15、o (SD) 序列序列 2 2、反义、反义RNARNA调控调控反义反义RNARNA可与目的基因的可与目的基因的5 5UTRUTR互补配互补配对，配对的区域通常也包括启动子的对，配对的区域通常也包括启动子的SDSD序列，使序列，使mRNAmRNA不能与核糖体有效结不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成合，从而阻止蛋白质的合成反义反义RNARNA基因已被导入真核细胞，控基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，将乙烯制真核生物基因表达。例如，将乙烯构成酶基因的反义构成酶基因的反义RNARNA导入蕃茄，大导入蕃茄，大大延伸了蕃茄常温贮藏期。大延伸了蕃茄常温贮藏期。 第三节第三节 真核生物

16、的基因调控真核生物的基因调控 真核生物基因调控比原核生物复真核生物基因调控比原核生物复杂：杂：1 1高等真核生物的基因组远比细高等真核生物的基因组远比细菌菌 的基因组大得多的基因组大得多 2 2很多反复序列与调控作用有关很多反复序列与调控作用有关 3 3染色质构造的变化可以调控基染色质构造的变化可以调控基因因 表达表达 4 4存在同一染色体上不同基因间存在同一染色体上不同基因间的的 调控，也存在不同染色体之间调控，也存在不同染色体之间的的 基因调控基因调控 调控发生在调控发生在: : DNA DNA程度程度 转录程度转录程度 转录后修饰转录后修饰 翻译程度翻译程度 翻译后修饰等多种层次翻译后修

17、饰等多种层次多数基因表达调控发生在转录程度多数基因表达调控发生在转录程度一、染色质程度调控一、染色质程度调控 1 1、异染色质化、异染色质化常染色量变成异染色质也是真核常染色量变成异染色质也是真核生物的一种表达调控的途经生物的一种表达调控的途经 2 2、组蛋白质修饰和非组蛋白的作用、组蛋白质修饰和非组蛋白的作用组蛋白组蛋白: : 假设被组蛋白覆盖的基因假设被组蛋白覆盖的基因要表达，组蛋白必需被修饰，使其和要表达，组蛋白必需被修饰，使其和DNADNA的结合由紧变松，这样的结合由紧变松，这样DNADNA链才干链才干和和RNARNA聚合酶或调理蛋白相互作用。聚合酶或调理蛋白相互作用。组蛋白的作用本质

18、上是真核基因调理组蛋白的作用本质上是真核基因调理的负控制因子，即它们是基因表达的的负控制因子，即它们是基因表达的抑制物抑制物非组蛋白非组蛋白: : 翻开特异基因的分子，具翻开特异基因的分子，具有组织特异性，在基因表达调理、细有组织特异性，在基因表达调理、细胞分化控制以及生物的发育中起着很胞分化控制以及生物的发育中起着很重要的作用重要的作用 3 3、DNADNA酶的敏感区域酶的敏感区域 超敏感区域超敏感区域( (位点位点):):具有转录活性具有转录活性基因周围的基因周围的DNADNA区域有一个中心区区域有一个中心区域，对域，对DNADNA聚合酶聚合酶高敏感高敏感这些位点或区域将首先遭到这些位点或

19、区域将首先遭到DNADNA聚聚合酶合酶的剪切，的剪切，DNADNA暴露区域转暴露区域转录起始点附近录起始点附近 4 4、核基质蛋白、核基质蛋白 染色质并不漂浮在核内，而是染色质并不漂浮在核内，而是结合在核基质骨架蛋白上结合在核基质骨架蛋白上这种结合是特异性的，这种特这种结合是特异性的，这种特异性的结合对于控制基因的活异性的结合对于控制基因的活性是有用的性是有用的 二、二、DNADNA程度的调控程度的调控1 1、基因扩增、基因扩增 基因扩增：细胞内特定基因拷贝数专基因扩增：细胞内特定基因拷贝数专注性大量添加的景象注性大量添加的景象 人类癌细胞中的许多致癌基因，经大人类癌细胞中的许多致癌基因，经大

20、量扩增后高效表达，导致细胞生长失量扩增后高效表达，导致细胞生长失控。有些致癌基因扩增的速度与病症控。有些致癌基因扩增的速度与病症的开展及癌细胞分散程度高度相关。的开展及癌细胞分散程度高度相关。 2 2、基因重排、基因重排 基因重排：基因重排：DNADNA分子核苷酸序列的分子核苷酸序列的重新陈列重新陈列重排不仅可以构成新的基因，还重排不仅可以构成新的基因，还可以调理基因表达。基因组中的可以调理基因表达。基因组中的DNADNA序列重排并不是一种普遍方式序列重排并不是一种普遍方式，但是一些基因调控的重要机制，但是一些基因调控的重要机制 图图14-14 抗体分子的根本构造抗体分子的根本构造一个抗体分子

21、包括两条重链一个抗体分子包括两条重链( H )和两条轻和两条轻 ( L )。氨基。氨基端端( N )是变异区是变异区( V )，羧基端，羧基端( C )是恒定区是恒定区( C )动物抗体基因重排 VC人类第人类第1414号染色体上抗体重链基因片段号染色体上抗体重链基因片段(A)(A)和抗体重链基因的构建和抗体重链基因的构建(B) (B) BVVVVDDDDCCCJJJJA86 V9 J30 D11 C100 kb抗体基因重排中各个片段之间的随机抗体基因重排中各个片段之间的随机组合，可从约组合，可从约300个抗体基因中产生个抗体基因中产生108个抗体分子个抗体分子 3 3、DNADNA甲基化甲基

22、化真核生物中，少数胞嘧啶第真核生物中，少数胞嘧啶第5 5碳上的碳上的氢被一个甲基取代氢被一个甲基取代-甲基化。甲基化。甲基化降低转录效率甲基化降低转录效率三、转录程度的调控三、转录程度的调控1 1、顺式作用元件、顺式作用元件 (1) (1) 启动子与转录因子启动子与转录因子 同原核生物一样，真核生物基因同原核生物一样，真核生物基因启动子包括一切顺式调控元件及启动子包括一切顺式调控元件及RNARNA聚合酶识别位点，可以起始聚合酶识别位点，可以起始转录构成转录构成RNA RNA 转录因子: 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需与一系列转

23、录因子结合，才干在RNA聚合酶的作用下起始转录 图图14-16 14-16 真核生物真核生物55端的顺式调控元件端的顺式调控元件 (2)(2)加强子加强子 转录加强子转录加强子: : 真核生物基因转录中的真核生物基因转录中的另一种顺式调控元件，通常位于启动另一种顺式调控元件，通常位于启动子上游子上游700-1000bp700-1000bp处，离转录起始点处，离转录起始点较远较远 加强子主要有两个功能加强子主要有两个功能: :与转录激活子结合，改动染色与转录激活子结合，改动染色 质的构型质的构型使使DNADNA弯曲构成环状构造，使弯曲构成环状构造，使 加强子与启动子直接接触，加强子与启动子直接接

24、触，以以 便通用转录因子、转录激活便通用转录因子、转录激活子子 、RNARNA聚合酶一同构成转录复聚合酶一同构成转录复 合体，从而提高合体，从而提高mRNAmRNA合效果率合效果率 图图14-18 14-18 转录复合体转录复合体 2 2、反式作用因子、反式作用因子 根据靶位点的特点反式作用因子分为根据靶位点的特点反式作用因子分为3 3类：类：1 1通用反式作用因子通用反式作用因子 2 2特殊组织与细胞中的反式作用因特殊组织与细胞中的反式作用因子子3 3反响性元件相结合的反式作用因反响性元件相结合的反式作用因子子 反式作用因子经过不同途经发扬调控作反式作用因子经过不同途经发扬调控作用：用：1

25、1蛋白质和蛋白质和DNADNA相互作用相互作用2 2蛋白质和配基结合蛋白质和配基结合3 3蛋白质之间的相互作用以及蛋白蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的质的 修饰等修饰等 图图14-19 -14-19 -螺旋螺旋- -转角转角-螺旋螺旋图图14-20 14-20 由由Cys-HisCys-His与锌离子构成的具有三个手指的与锌离子构成的具有三个手指的锌指构型锌指构型(a)(a)方式图方式图 (b)(b)与与DNADNA结合，一个手指与结合，一个手指与DNADNA大沟结合大沟结合 图图 14-21 14-21 亮氨酸拉链二聚体亮氨酸拉链二聚体 (a)(a)方式图方式图 (b)(b)与与DNADNA结合时的剪刀状构型结合时的剪刀状构型 酵母菌半乳糖代谢的正调控酵母菌半乳糖代谢的正调控 酵母菌半乳糖酶