分子遗传学基础-基因的表达与调控（普通遗传学课件）

《遗传学》基因的现代概念内容一二三四五移动基因假基因断裂基因重复基因重叠基因一、移动基因又称为转位因子，由于它可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置，甚至在不同的染色体之间跃迁，因此又叫做跳跃基因，最早在玉米中发现。它又分为插入序列、转位子、逆转座子。二、断裂基因是指编码序列不连续的间断基因，最初在腺病毒中发现。三、假基因类似于基因但不表达的DNA序列。假基因又分为两种：重复的假基因：许多假基因都是同亲本基因连锁的，而且同其编码区及侧翼序列的DNA具有很高的同源性。加工的假基因：这类假基因没有与“亲本基因”连锁，而且其结构是同转录本而非“亲本基因”类似。加工的假基因与转录本都没有启动子和内含子，3’端都有poly（A）尾巴。人的α－及β－珠蛋白基因簇，Ψ表示假基因四、重复基因不重复的唯一序列（只有一个拷贝）：包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列；低度重复序列（＜10个拷贝）；中度重复序列（10到几百个拷贝）；高度重复序列（几百个拷贝到几百万个拷贝）。四、重复基因五、重叠基因类型：一个基因的核苷酸序列完全包含在另一个核苷酸序列中。由于它们的读码结构互不相同，因此编码着不同的蛋白质。两个基因的核苷酸序列之末端密码子相互重叠。《遗传学》基因研究的主要发展过程内容一二四五基因的定义基因研究发展的过程一、基因研究发展的过程一段可以编码具有某种生物学功能物质的核苷酸序列。（一）定义：一、基因研究的主要发展过程（二）基因研究的主要发展过程：1、1866年，孟德尔提出了遗传因子的概念。他将控制豌豆性状的遗传因素称之为遗传因子形成了基因的雏形。一、基因研究的主要发展过程（二）基因研究的主要发展过程：2、1910年，美国遗传学家摩尔根，以果蝇为研究材料，发现了连锁交换定律并提出遗传粒子学说，第一次将代表某一特定性状的基因与某一特定的染色体联系起来，即基因位于染色体上。触须长/短身体灰/黑眼睛红/紫翅长/短一、基因研究的主要发展过程（二）基因研究的主要发展过程：3、1944年，美国微生物学家O.T.Avery首次证实遗传物质的基础是DNA，基因位于DNA上。35S标记外壳蛋白质,感染后放射标记不进入大肠杆菌细胞32P标记DNA,感染后放射标记进入大肠杆菌细胞一、基因研究的主要发展过程（二）基因研究的主要发展过程：4、1953年，J.Watson和F.Crike创立DNA双螺旋模型，证实基因是具有一定遗传效应的DNA片段。ABZDNA双螺旋模型说明DNA分子能够充当遗传的物质基础。按照双螺旋模型，在细胞分裂时，DNA的合成应是“半保留复制”的模式。半保留复制一、基因研究的主要发展过程（二）基因研究的主要发展过程：5、1955年，Benzer在T4噬菌体的顺反互补实验中，正式使用“顺反子”这个术语，并将顺反子与基因在意义上和功能上统一起来。同时证实了基因不是最小单位。它仍然是可分的；并非所有的DNA序列都是基因，只有其中某一特定的核苷酸区段才是基因的编码区。一、基因研究的主要发展过程（二）基因研究的主要发展过程：6、1960年，F.Jacob和J.Monmd提出了操纵元（操纵子）的概念，揭示了原核生物基因表达调控的重要规律。

调节基因

启动子操纵基因结构基因组《遗传学》乳糖操纵元内容一二三四乳糖操纵元的结构乳糖操纵元乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的调控机理一、乳糖操纵元1、1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不断完善。获1965年诺贝尔生理学和医学奖。2、1940年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。3、1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。4、Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。

5、Jacob：结构基因旁有开关基因（操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。二、乳糖操纵元的结构调节基因操纵元是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括调节基因，操纵位点，结构基因，组成一个控制单元。结构基因：产生mRNA,合成蛋白质。操纵位点：promotor,operator：启动子结合位点调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）→结构基因不转录诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合→结构基因转录三、乳糖操纵元的调控机理阻遏状态体外结合竞争实验:

阻遏物先结合到RNA聚合酶位点上,基因不表达

RNA聚合酶先结合到位点上，基因表达四、乳糖操纵元的调控机理诱导状态诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入对基因表达有调节作用的小分子后，开启基因的转录活性。四、乳糖操纵元的正调控(一)实验在乳糖和葡萄糖的培养基上，E.coli只利用葡萄糖，只有葡糖糖耗尽时，才会利用乳糖。（二）原因：葡萄糖抑制乳糖

mRNA的转录：可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应，仅去掉阻遏物并不能启动乳糖基因表达,有其它因素参与，葡萄糖的降解是通过cAMP与CAP结合起作用的。《遗传学》色氨酸操纵元内容一二三基因的组成色氨酸操纵元的阻遏系统色氨酸操纵元一、色氨酸操纵元生物细胞中的氨基酸合成，也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。一、色氨酸操纵元不产生色氨酸代谢相关的酶产生色氨酸代谢相关的五个酶二、基因组成trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162结构基因三、色氨酸操纵元的阻遏调控无活性的阻遏物有活性的阻遏物Trp有活性的阻遏物结合在启动子上，基因不表达。RNA聚合酶不能结合在启动子上阻遏蛋白＋色氨酸

→有活性的阻遏物结合在trpO上→不转录1、

阻遏调控三、色氨酸操纵元的阻遏调控2、

阻遏蛋白的结合位点trpO

-21~+1，反向重复序列trpP

-40~+18活性阻遏物与trpO的结合与RNApol与启动子的结合发生竞争三、色氨酸操纵元的阻遏调控3、阻遏系统主管转录是否启动，在缺乏Trp时，mRNA起始合成，但不能自动延伸，一般在trpE之前终止转录。《遗传学》色氨酸操纵元的弱化作用内容一二阻遏作用与弱化作用的协调弱化作用一、弱化作用1、弱化子一、弱化作用一、弱化作用区3与区4结合，形成终止子结构区2与区3结合，不形成终止子结构一、弱化作用2、前导肽一、弱化作用2、前导肽一、弱化作用3、弱化作用低色氨酸时核糖体停在区1区2和区3形成发夹结构trpE等基因进行转录一、弱化作用3、弱化作用大量色氨酸时核糖体停在区1、2区3和区4形成终止子发夹结构trpE等基因不进行转录二、阻遏作用与弱化作用的协调阻遏效率:启动子的转录起始频率在R+和R-相差70倍弱化作用:

trp存在时，约有10％的RNApol侥幸转录

-trp

活性阻遏物－－－－→

无活性阻遏物

←－－－－

+trptrp操纵子具有双重调节体系？二、阻遏作用与弱化作用的协调为什么需要阻遏体系？当大量Trp

存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导mRNA合成。经济二、阻遏作用与弱化作用的协调为什么需要弱化系统？当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发trp

合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的trp水平。《遗传学》真核生物DNA水平上的基因表达调控内容一二三五基因扩增基因重排基因丢失一、基因丢失（一）定义在细胞分化过程中，通过丢掉某些基因而去除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。例如：在蛔虫胚胎发育过程中，有27％DNA丢失。在高等动植物中，尚未发现类似现象。许多生物各类不同的细胞或细胞核都具有全能性。二、基因扩增（一）定义在没有发生细胞分裂，整条染色体几乎没有复制的情况下，细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加的现象。二、基因扩增1、为满足正常的生长发育需要如两栖类和昆虫卵母细胞rRNA基因的扩增:卵母细胞中的rDNA拷贝数比体细胞中增加了4000倍，用于转录合成卵裂期所需要的1012个核糖体。

在果蝇滤泡细胞中，编码卵壳蛋白的卵壳基因的扩增。（二）原因二、基因扩增2、外界环境因素引起基因扩增基因扩增与肿瘤形成及细胞衰老有关。在原发性的视网膜细胞瘤中，含myc

原癌基因的DNA区段扩增10－200倍。许多致癌剂可诱导DNA扩增。（二）原因三、基因重排DNA水平基因表达调控的另一个途径是在真核细胞分化过程中发生基因重排。基因重排是由特定基因组的遗传信息决定的，重排后的基因序列转录成mRNA，翻译成蛋白质，在真核生物细胞生长发育中起关键作用。因此，尽管基因组中的DNA序列重排并不是一种普遍方式，但它对某些基因的表达调控而言是重要机制。三、基因重排1、特异性调节发生在特殊的细胞类型。例如：酿酒酵母接合型;哺乳动物免疫球蛋白编码区的连接。2、无序的发生在肿瘤细胞基因组中。特点三、基因重排酿酒酵母接合型的决定：1、单倍体细胞,aor

接合型不同接合型的细胞可以接合；相同接合型的细胞不能接合。2、MATa,MAT

接合型可互变a←→

3、需要HO基因，编码内切酶。《遗传学》真核生物转录水平的调控元件内容一二真核生物基因调控的反式作用元件真核生物基因调控的顺式作用元件真核生物转录水平的调控：真核生物细胞中有成千上万个基因表达，不同类型细胞由不同组合的基因表达。那么，每种细胞如何保证正确的基因组合表达？一种途径是基因重复：基因有多个拷贝，不同类型细胞表达不同的拷贝，不同拷贝的表达处于不同调控系统。另一种途径是复合控制系统：真核生物单拷贝基因转录调控系统。一、基因转录的顺式调控元件由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反式作用因子结合，实现对基因转录的调控。按照功能分为启动子、增强子、沉默子。按照调控水平分为基础转录水平的顺式调控元件，如启动子；特异诱导高效表达的顺式调控元件，如增强子。（一）启动子（二）增强子——SV40增强子的特点促进转录，不具有启动子专一性；功能与方向，位置无关；远距离发挥作用(100~500bp，10Kb)；组织或细胞特异性；必须有两个(以上)增强子成份紧密相连。(三)沉默子负调控元件,不受距离和方向限制，可对异源基因的表达起作用；对真核生物成簇基因的选择性表达起重要作用；例如：酵母，matingtype

ß-珠蛋白ε基因簇对细胞亚型成熟过程中特异性的选择表达。二、基因转录的