遗传学幻灯14PPT学习教案

1、会计学1 遗传学幻灯遗传学幻灯14 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 应用，而是不同细胞选用其中各自需应用，而是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，才呈现活化和应该发挥作用的时间，才呈现活化 状态，而在它不应该发挥作用的时间状态，而在它不应该发挥作用的时间 和细胞内，则处于不活化的状态呢？和细胞内，则处于不活化的状态呢？ 这种控制特定基因产物合成的机制称这种

2、控制特定基因产物合成的机制称 为基因调控。为基因调控。 第1页/共52页 第一节第一节 基因的概念与发展基因的概念与发展 一、经典遗传学一、经典遗传学 孟德尔称控制性状的因子为孟德尔称控制性状的因子为遗传因遗传因 子子 19091909年约翰生提出了年约翰生提出了基因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、玉米等的大量摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量 遗遗 传研究，传研究，建立了以基因和染色体为建立了以基因和染色体为 主主 体的经典遗传学体的经典遗传学 第2页/共52页 结构单位结构单位 重组单位重组单位 基因基因 突变单位突变单位 功能单位功能单位

3、 第3页/共52页 二、现代遗传学二、现代遗传学 基因基因是是DNADNA分子上的一定区段分子上的一定区段, ,携带携带 有特殊的遗传信息，可转录、翻译有特殊的遗传信息，可转录、翻译 ，可对其他基因起调节作用，可对其他基因起调节作用 突变子：突变的最小单位突变子：突变的最小单位 基因基因 重组子：交换的最小单位重组子：交换的最小单位 顺反子（作用子）：功能单顺反子（作用子）：功能单 位位 第4页/共52页 根据基因结构和功能将基因分为：根据基因结构和功能将基因分为： (1)(1)结构基因结构基因：可编码：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

4、调控基因：其产物参与调控其他：其产物参与调控其他 结结 构基因表达的基因构基因表达的基因 (3)(3)重叠基因重叠基因：指同一段：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，同时编码两个终止早晚的不同，同时编码两个 或或 两个以上多肽链的现象两个以上多肽链的现象 第5页/共52页 (4)(4)隔裂基因隔裂基因：指一个结构基因内部：指一个结构基因内部 为为 一个或更多的不翻译的编码顺序一个或更多的不翻译的编码顺序 ， 如内含子所隔裂的现象如内含子所隔裂的现象 (5)(5)跳跃基因跳跃基因：可作为插入因子和转：可作为插

5、入因子和转 座座 因子移动的因子移动的DNADNA序列，有人将它作序列，有人将它作 为转座子的同义词为转座子的同义词 ( (6)6)假基因假基因：同已知的基因相似，但同已知的基因相似，但 位位 于不同位点，因缺失或突变而不于不同位点，因缺失或突变而不 能能 转录或翻译，是没有功能的基因转录或翻译，是没有功能的基因 第6页/共52页 三、顺反测验及基因的微细结构三、顺反测验及基因的微细结构 互补作用与互补测验互补作用与互补测验( (顺反测验顺反测验) ) 假定有两个独立起源的隐性突变假定有两个独立起源的隐性突变 如如a a1 1与与a a2 2，具有类似的表型，如，具有类似的表型，如 何判断它们

6、是属于同一个基因的何判断它们是属于同一个基因的 突变，还是分别属于两个基因的突变，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 ？ 第7页/共52页 需要建立一个需要建立一个双突变杂合二倍体双突变杂合二倍体， 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 第8页/共52页 顺反测验顺反测验 第9页/共52页 基因的微细结构基因的微细结构 20世纪50年代的生 化技术还无法进行 DNA的序列测定，本 泽尔利用经典的噬 菌体突变和重组技 术，对T4噬菌体r 区基因的微细结构 进行了详细分析 第10页/共52页 图图 14-3 14-3 突变噬菌体之间

7、的互补测验突变噬菌体之间的互补测验 rIIA rIIA rIIB rIIB rIIB 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（） 无噬菌体繁殖 无噬菌体繁殖 正常噬菌体繁殖。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 A B C 第11页/共52页 第二节第二节 原核生物的基因调控原核生物的基因调控 DNA元件元件: 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

8、它只能作用同一条由于它只能作用同一条DNA， 故称故称顺式作用元件顺式作用元件。顺式作用。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：反式作用因子：调节基因的产物调节基因的产物 可可 以自由地结合到其相应的靶上以自由地结合到其相应的靶上 第12页/共52页 负调控负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转：存在细胞中的阻遏物阻止转 录过程的调控录过程的调控 正调控正调控：调节蛋白和：调节蛋白和DNA以及以及RNA 聚合酶相互作用来帮助起始。诱导物聚合酶相互作用来帮助起始。诱导物 通常与另一蛋白质结合形成一种激活通常与另一蛋白质结合形成一种激活 子复合物，与基因启动子子

9、复合物，与基因启动子DNA序列结序列结 合，激活基因起始转录合，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基因表达以负调控为主, 真核真核 生物中则主要是正调控机制生物中则主要是正调控机制 第13页/共52页 图图 14-5 14-5 正调控和负调控正调控和负调控 第14页/共52页 一、转录水平的调控一、转录水平的调控 原核生物基因表达的调控主原核生物基因表达的调控主 要发生在转录水平要发生在转录水平 当需要某一特定基因产物时当需要某一特定基因产物时 ， 合成这种合成这种mRNA。当不。当不 需需 要这种产物时，要这种产物时，mRNA转录转录 受到抑制受到抑制 第15页/共5

10、2页 1 1、乳糖操纵元模型、乳糖操纵元模型 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： Monod等（等（1946）发现，当大肠）发现，当大肠 杆菌生长在含有乳糖的培养基上时杆菌生长在含有乳糖的培养基上时 ，乳糖代谢酶浓度急剧增加；当培，乳糖代谢酶浓度急剧增加；当培 养基中没有乳糖时，乳糖代谢基因养基中没有乳糖时，乳糖代谢基因 不表达，乳糖代谢酶合成停止。不表达，乳糖代谢酶合成停止。 Jacob和和Monod（1961）提出了）提出了 乳糖操纵元模型乳糖操纵元模型，用来阐述乳糖代，用来阐述乳糖代 谢中基因表达的调控机制谢中基因表达的调控机制 第16页/共52页 图图 14146

11、 6 乳糖操纵元模型乳糖操纵元模型 第17页/共52页 通过遗传分析证明通过遗传分析证明lac操纵元的存在操纵元的存在 ；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测 定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏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蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结 构构 第18页/共52页 乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调控 除了阻遏蛋白能抑制除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外操纵元转录外 ，其他因子也能有效地抑制，其他因子也能有效地抑制lac mRNA 转录，这个因子的活性与葡萄糖有关转录，这个因子的活性与葡萄糖有关 ： 葡萄糖抑制腺苷

12、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 cAmp cAmp+代谢激活蛋白代谢激活蛋白(CAP) cAmp-CAP复合物，作为复合物，作为操纵元操纵元 的正调控因子的正调控因子 第19页/共52页 当当cAmp-CAP复合物复合物二聚体插入到二聚体插入到 lac启动子区域特异核苷酸序列时，启动子区域特异核苷酸序列时， 使启动子使启动子DNA弯曲形成新的构型，弯曲形成新的构型， RNA聚合酶与这种聚合酶与这种 DNA 新构型的结新构型的结 合更加牢固，因而合更加牢固，因而转录效率更高转录效率更高。 在葡萄糖存在时，不能形成在葡萄糖存在时，不能形成

13、cAmp ，也就无操纵元的正调控因子，也就无操纵元的正调控因子cAmp- CAP复合物，因此基因不表达。复合物，因此基因不表达。 第20页/共52页 乳糖操纵元的正调控乳糖操纵元的正调控 第21页/共52页 2 2、色氨酸操纵元、色氨酸操纵元 大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途 径中基因调控的典型例子：径中基因调控的典型例子： 色氨酸操纵元包括色氨酸合成中色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶种酶 的结构基因。的结构基因。当培养基中有色氨酸时当培养基中有色氨酸时 ，色氨酸操纵元，色氨酸操纵元5种酶的转录同时受到种酶的转录同时受到 抑制；色氨酸供应不足时，发生转录抑制；

14、色氨酸供应不足时，发生转录 色氨酸直接作为阻遏物色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物而不是诱导物 参与调控色氨酸参与调控色氨酸mRNA的转录。因此的转录。因此 trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元操纵元是一个典型的可阻遏操纵元 第22页/共52页 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，与操纵子酸复合物，与操纵子 结合，阻止转录结合，阻止转录 2）色氨酸不足时，色氨酸不足时， 无辅基阻遏物的三维无辅基阻遏物的三维 空间结构发生改变，空间结构发生改变， 不能与操纵子结合，

15、不能与操纵子结合， 进行转录进行转录 第23页/共52页 活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制 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）在在高浓度色氨酸存在高浓度色氨酸存在 时，转录的前导序列时，转录的前导序列mRNA只含有只含有140个核苷酸，其中个核苷酸，其中 有一段有一段28bp的衰减子区域，它在转录后可迅速形成发的衰减子区域，它在转录后可迅速形成发 夹环结构，夹环结构，RNA聚合酶转录时不能通过这种发夹环结构聚合酶转录时不能通过这种发夹环结构 。所以衰减子是一种。所以衰减子是一种: 内部终止子内部终止子 2）无色氨酸无色氨酸时，

16、由时，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 衰减子不能形成发衰减子不能形成发 夹结构而成为单链，夹结构而成为单链， 继续向前转录继续向前转录 第24页/共52页 二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控 1 1、反馈调控机制、反馈调控机制 如果某种如果某种蛋白质过量积累，将与蛋白质过量积累，将与 其自身的其自身的mRNA结合，阻止进一结合，阻止进一 步翻译步翻译 这种结合位点通常包括这种结合位点通常包括mRNA 5 端非翻译区，也包括启动子区域端非翻译区，也包括启动子区域 的的 Shine-Dalgarno (SD) 序列序列 第25页/共52页 2 2、反义、反

17、义RNARNA调控调控 反义反义RNA可与目的基因的可与目的基因的5UTR互补互补 配对，配对的区域通常也包括启动子配对，配对的区域通常也包括启动子 的的SD序列，使序列，使mRNA不能与核糖体不能与核糖体 有效结合，从而阻止蛋白质的合成有效结合，从而阻止蛋白质的合成 反义反义RNA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，制真核生物基因表达。例如，将乙烯将乙烯 形成酶基因的反义形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大导入蕃茄，大 大延长了蕃茄常温贮藏期大延长了蕃茄常温贮藏期。 第26页/共52页 第三节第三节 真核生物的基因调控真核生物的基因调控 真核生物基因调控

18、比原核生物复杂：真核生物基因调控比原核生物复杂： 1 1）高等真核生物的基因组远比细菌）高等真核生物的基因组远比细菌 的基因组大得多的基因组大得多 2 2）很多重复序列与调控作用有关）很多重复序列与调控作用有关 3 3）染色质结构的变化可以调控基因）染色质结构的变化可以调控基因 表达表达 4 4）存在同一染色体上不同基因间的）存在同一染色体上不同基因间的 调控，也存在不同染色体之间的调控，也存在不同染色体之间的 基因调控基因调控 第27页/共52页 第28页/共52页 调控发生在调控发生在: : DNA DNA水平水平 转录水平转录水平 转录后修饰转录后修饰 翻译水平翻译水平 翻译后修饰等多种

19、层次翻译后修饰等多种层次 多数基因表达调控发生在转录水平多数基因表达调控发生在转录水平 第29页/共52页 一、染色质水平调控一、染色质水平调控 1 1、异染色质化、异染色质化 常染色质变成异染色质也是真核常染色质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 第30页/共52页 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: 若被组蛋白覆盖的基因要表达，若被组蛋白覆盖的基因要表达， 组蛋白必须被修饰，使其和组蛋白必须被修饰，使其和DNA的结合的结合 由紧变松，这样由紧变松，这样DNA链才能和链才能和RNA聚合聚合 酶或调节蛋白相互作

20、用。酶或调节蛋白相互作用。 组蛋白的作用本质上是真核基因调节的负组蛋白的作用本质上是真核基因调节的负 控制因子，即它们是基因表达的抑制物控制因子，即它们是基因表达的抑制物 非组蛋白非组蛋白: 打开特异基因的分子，具有组打开特异基因的分子，具有组 织特异性，在基因表达调节、细胞分化控织特异性，在基因表达调节、细胞分化控 制以及生物的发育中起着很重要的作用制以及生物的发育中起着很重要的作用 第31页/共52页 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):具有转录活性基具有转录活性基 因周围的因周围的DNA区域有一个中心区域区域有一个中心区域 ，对，对DNA聚合酶

21、聚合酶高敏感高敏感 这些位点或区域将首先受到这些位点或区域将首先受到DNA聚聚 合酶合酶的剪切，的剪切，DNA暴露区域（转暴露区域（转 录起始点附近）录起始点附近） 第32页/共52页 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 第33页/共52页 二、二、DNADNA水平的调控水平的调控 1 1、基因扩增、基因扩增 基因扩增：基因扩增：细胞内特定基因拷贝数细胞内特定基因

22、拷贝数 专一性大量增加的现象专一性大量增加的现象 人类癌细胞中的许多致癌基因，经人类癌细胞中的许多致癌基因，经 大量扩增后高效表达，导致细胞生大量扩增后高效表达，导致细胞生 长失控。有些致癌基因扩增的速度长失控。有些致癌基因扩增的速度 与病症的发展及癌细胞扩散程度高与病症的发展及癌细胞扩散程度高 度相关。度相关。 第34页/共52页 2 2、基因重排、基因重排 基因重排：基因重排：DNA分子核苷酸序列分子核苷酸序列 的重新排列的重新排列 重排不仅可以形成新的基因，还重排不仅可以形成新的基因，还 可以调节基因表达可以调节基因表达。基因组中的。基因组中的 DNA序列重排并不是一种普遍方序列重排并不

23、是一种普遍方 式，但是一些基因调控的重要机式，但是一些基因调控的重要机 制制 第35页/共52页 图图14-14 抗体分子的基本结构抗体分子的基本结构 一个抗体分子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 V C 第36页/共52页 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) B V V VV D DDD C CC J JJJ A 86 V

24、9 J 30 D11 C 100 kb 抗体基因重排中各个抗体基因重排中各个片段片段之间的随机之间的随机 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 第37页/共52页 3 3、DNADNA甲基化甲基化 真核生物中，少数胞嘧啶第真核生物中，少数胞嘧啶第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 第38页/共52页 三、转录水平的调控三、转录水平的调控 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，同原核生物一样，真核生物基因真核生物

25、基因 启动子启动子包括所有顺式调控元件及包括所有顺式调控元件及 RNA聚合酶识别位点，可以起聚合酶识别位点，可以起 始转录形成始转录形成RNA 第39页/共52页 转录因子转录因子: 激活真核生物基因转录激活真核生物基因转录 的蛋白质的蛋白质 真核生物基因转录与原核生物的一个真核生物基因转录与原核生物的一个 重要区别是重要区别是：真核生物基因的启动子：真核生物基因的启动子 必须与一系列转录因子结合，才能在必须与一系列转录因子结合，才能在 RNA聚合酶的作用下起始转录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 第40页/共52页 (2

26、)(2)增强子增强子 转录增强子转录增强子: 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700-1000bp处，离转录起始处，离转录起始 点较远点较远 第41页/共52页 增强子主要有两个功能增强子主要有两个功能: : 与转录激活子结合，改变染色与转录激活子结合，改变染色 质的构型质的构型 使使DNA弯曲形成环状结构，使弯曲形成环状结构，使 增强子与启动子直接接触，以增强子与启动子直接接触，以 便通用转录因子、转录激活子便通用转录因子、转录激活子 、RNA聚合酶一起形成转录复聚合酶一起形成转录复 合体，从而提高合体，

27、从而提高mRNA合成效合成效 率率 第42页/共52页 图图14-18 14-18 转录复合体转录复合体 第43页/共52页 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类：类： （1）通用反式作用因子）通用反式作用因子 （2）特殊组织与细胞中的反式作用因子）特殊组织与细胞中的反式作用因子 （3）反应性元件相结合的反式作用因子）反应性元件相结合的反式作用因子 反式作用因子通过不同途经发挥调控作用反式作用因子通过不同途经发挥调控作用 ： （1）蛋白质和）蛋白质和DNA相互作用相互作用 （2）蛋白质和配基结合）蛋白质和配基结合 （3）蛋白质

28、之间的相互作用以及蛋白质的）蛋白质之间的相互作用以及蛋白质的 修饰等修饰等 第44页/共52页 图图14-19 -14-19 -螺旋螺旋- -转角转角-螺旋螺旋 第45页/共52页 图图14-20 14-20 由由Cys-HisCys-His与锌离子形成的具有三个手指的与锌离子形成的具有三个手指的 锌指构型锌指构型 (a)(a)模式图模式图 (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 第46页/共52页 图图 14-21 14-21 亮氨酸拉链二聚体亮氨酸拉链二聚体 (a)(a)模式图模式图 (b)(b)与与DNADNA结合时的剪刀状构型结合时的剪刀状构型 第47页/共52页 酵母菌半乳糖代谢的正调控酵母菌半乳糖