第十四章基因的表达与调控ppt课件

1、 第十四章 基因的表达与调控 第一节 基因的概念 一、基因的概念及其开展 1、经典遗传学孟德尔称控制性状的因子为遗传因子 1909年约翰生提出了基因这个名词， 取代孟德尔的遗传因子摩尔根等人对果蝇、玉米等的大量遗 传研讨，建立了以基因和染色体为主 体的经典遗传学 经典遗传学关于基因的概念有如下几个要点： 1、基因是不延续的颗粒状因子，在染色体上有固定的位置，并且呈直线陈列，具有相对的稳定性。2、基因作为一个功能单位控制有机体的性状表达。3、基因以整体进展突变，是突变的最小单位。4、基因在交换中不再被分割，是重组的最小单位，。5、基因能自我复制，在有机体内经过有丝分裂有规律地传送，在上下代之间能

2、经过减数分裂和受精作用有规律地传送。 构造单位 重组单位基因 突变单位 功能单位2、分子遗传学基因是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 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 基因基因可进一步分为不同类型：(1)构造基因：可编码RNA或蛋白质的一 段DNA序列 (2)调控基因：其产物参与调控其他结 构基因表达的基因 (3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序 ，由于阅读框架(ORF)的不同或终止 早晚的不同，同时编码两个或两个 以上多肽链的景象(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，

3、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 转座因子的同义词(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 二、基因的微细构造 1、互补作用与互补检验(顺反检验)假定有两个独立来源的隐性突变如a1与a2，它们具有类似的表型，如何判别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？即如何测知它们是等位基因？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 图图 82 顺反检验顺反检验 2 2、顺式与反式调控、顺式与反式调控 假设某一基因的表达受一种调控假设某一基因的表达受一种调控

4、 蛋白质控制，只需在调控蛋白质蛋白质控制，只需在调控蛋白质 与该基因的启动子位点结合时，与该基因的启动子位点结合时， 这个基因才干表达。这个基因才干表达。假设这个基因的启动子位点发生假设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突变，调控蛋白不能识别这个位 点，也就不能转录构成点，也就不能转录构成RNARNA，基因，基因 就不能表达。就不能表达。 顺式调控：突变只影响到与其临近顺式调控：突变只影响到与其临近 的编码序列，即基因本身不能表的编码序列，即基因本身不能表 达，并不影响其它等位基因。这达，并不影响其它等位基因。这 种突变称为顺式调控种突变称为顺式调控反式调控：假设是调控蛋白

5、质发生反式调控：假设是调控蛋白质发生 突变，构成的蛋白质不能与这个突变，构成的蛋白质不能与这个 基因的启动子结合，这将会影响基因的启动子结合，这将会影响 到与这个蛋白质结合的一切等位到与这个蛋白质结合的一切等位 基因位点，导致这些基因不能表基因位点，导致这些基因不能表 达，这种突变称为反式调控达，这种突变称为反式调控 图图8 83 3 顺式调控与反式调控顺式调控与反式调控P P为启动子，为启动子，R R为调控蛋白，两个正常的等位基因表达产生为调控蛋白，两个正常的等位基因表达产生RNARNA。2.2.启动子突变启动子突变(P-)(P-)后，调控蛋白不能与其结合，顺式调控后，调控蛋白不能与其结合，

6、顺式调控突变的基因不表达，另一个等位基因正常表达。突变的基因不表达，另一个等位基因正常表达。3.3.调控蛋白突变调控蛋白突变(R-)(R-)后，不能与启动子结合，这种反式调后，不能与启动子结合，这种反式调控蛋白质突变，使受其控制的一切基因不表达。控蛋白质突变，使受其控制的一切基因不表达。RNANo RNANo RNANo RNARpRNARNA123pR-3 3、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

7、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 8 86 6 突变座位与互补图解突变座位与互补图解 三、基因的作用与性状的表达 构造蛋白/功能蛋白直接性状 表达。人类的镰形红血球贫血 症：正常血红蛋白基因(A)的基因 两个不同的突变(S或C)，即 A S或A C导致镰形 红血球 酶间接地影响生物性状的表达 作 用 子ADNAGTACATCATGTACTTGAAACTTGACCTGGAGAACTTGAACTTAAATTTmRNA密码子GUACAUCUUACUCCUGAAGAAAAA氨基酸缬组亮苏脯谷谷赖SDNA GTACAT mRNA密码子 GUA 氨基酸 缬 CD

8、NA AAATTT mMRNA密码子 AAA 氨基酸 赖 第二节 基因调控 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？这种控制特定基因产物合成的机制称为基因调控。 一、原核生物的基因调控 1、转录程度的调控 原核生物基因表达的调控主要 发生在转录程度当需求某一特定基因产物时， 合成这种mRNA。当不需求这种 产物时，mRNA转录遭到抑制 正调控：是经诱导物诱导转录的调控机制，即诱导

9、物与另一蛋白质结合构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 负调控：阻遏物阻止转录过程的调控，即阻遏物与DNA分子结合，妨碍RNA聚合酶转录，使基因处于封锁形状。只需当阻遏物被除去之后，转录才干起动，产生mRNA分子 原核生物中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。图图 8 88 8 转录程度的负调控与正调控转录程度的负调控与正调控 2、乳糖支配元 大肠杆菌的乳糖降解代谢途径：Monod等发现，当大肠杆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。为此，Jacob和Monod1961

10、提出了乳糖支配元模型，用来论述乳糖代谢中基因表达的调控机制 图图 8 89 9 乳糖支配元模型及对有无乳糖的反响乳糖支配元模型及对有无乳糖的反响 AAIPOLZYba132BAIPOLZYCAIPOLZYmRNADAIPOLZYmRNAEAIPOLZYmRNAZYAZYAZYAMM两种组成型突变：两种组成型突变：IIII，OOc, OOc, 在有无在有无诱导物时均可大量组成诱导物时均可大量组成型表达型表达 乳糖支配元模型乳糖支配元模型乳糖支配元的负调控乳糖支配元的负调控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laclac支配元转支配元转录外，其它因子也能有效地

11、抑制录外，其它因子也能有效地抑制lac mRNAlac mRNA转录，这个因子的活性与转录，这个因子的活性与葡萄糖有关：葡萄糖有关：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ATPATP前体前体cAmpcAmpcAmp+cAmp+代谢激活蛋白代谢激活蛋白(CAP)(CAP) cAmp-CAP cAmp-CAP复合物，作为支配元的复合物，作为支配元的 正调控因子正调控因子 当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到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。在有葡萄

12、糖存在时，不能构成cAmp，也就没有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ACAP-cAMPRZ Y AcAMPabmRNAEnzymes+CAPPBGCAPRabPXZ Y A目前，经过遗传分析证明lac支配元的存在；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，以及阻遏蛋白与诱导物及支配子序列结合的构造 图图 8 814 14 乳糖支配元的不同调控位点乳糖支配元的不同调控位点a a：CAPCAP结合位点；结合位点；b b：RNARNA聚合酶结合位点；聚合酶结合位点；R R：构：构成抑制环的区域，下面的数字表示转录起始点上成抑

13、制环的区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数下游的碱基数 abO2O3O1la c Ip ro m o te rla c Ola c Z -8 2 -5 0 + 1 1 + 3 5+ 4 1 2R3、色氨酸支配元 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：色氨酸支配元包括色氨酸合成中5种酶的构造基因。当培育基中有色氨酸时，色氨酸支配元5种酶的转录同时遭到抑制；在色氨酸供应缺乏时，发生转录。色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控色氨酸mRNA的转录。因此trp支配元是一个典型的可阻遏支配元 图图 8 815 15 色氨酸支配元的组成色氨酸支配元的组成 1阻遏物trp R由相

14、距较远的阻遏物基因编码无辅基阻遏物 + trp活性无辅基阻遏物色氨酸复合物，与支配子结合，阻止转录2色氨酸缺乏时，无辅基阻遏物的三维空间构造发生改动，不能与支配子结合，进展转录 活性的阻遏物与支配子结合并缺乏以抑制转录的起始。弱化子3弱化作用：在高浓度色氨酸存在时，转录的前导序列mRNA只含有140个核苷酸，其中有一段28bp的弱化子区域，它在转录后可迅速构成发夹环构造，RNA聚合酶转录时不能经过这种发夹环构造。所以弱化子是一种内部终止子。4无色氨酸时，由于前导肽中色氨酸密码子的作用，使弱化子不能构成发夹构造而成为单链。RNA聚合酶那么经过弱化子，继续向前转录构造基因。 图图 8 816 16

15、 色氨酸前导序列经碱基配对构成几种二级构造色氨酸前导序列经碱基配对构成几种二级构造 4、阿拉伯糖支配元 阿拉伯糖支配元也是解释代谢途径的调控系统，它具有一些与lac支配元类似的特点，但与前述两种支配元系统的显著区别是它的同一种调控蛋白-Ara C调控蛋白既可起正调控,也可起负调控作用 A A、阿拉伯糖支、阿拉伯糖支配元的组成。配元的组成。R R：调控基因：调控基因araCaraC编码编码AraCAraC蛋白；蛋白；O O：支配子位点：支配子位点；I I：诱导位点：诱导位点，具有，具有CAPCAP结合结合位点。位点。ara CO2CAPara Bara Aara DAO IO1Rara CO2C

16、APara Bara Aara DO1BImRNACBADCCAPO1IO2DXAraCCAP-cAMPB B、有、有araara时，时，AraCAraC与与I I位点结合，位点结合，CAP-cAmpCAP-cAmp与与CAPCAP位点结合，诱导表达构造基因，为正调控。位点结合，诱导表达构造基因，为正调控。C C、无、无araara时，没有时，没有CAP-cAmpCAP-cAmp复合体与复合体与CAPCAP位点结位点结合，合，AraCAraC二聚体二聚体(D)(D)与与I I及及O2O2同时结合，构成抑同时结合，构成抑制环，抑制转录，表现为负调控。制环，抑制转录，表现为负调控。 5、翻译程度的

17、调控 反响调控机制：大肠杆菌有7个支配元与核糖体蛋白质合成有关。从这些支配元转录的每一种mRNA，可以被同一支配元编码的核糖体蛋白质识别与结合。假设其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与其本身的mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点通常包括mRNA 5端非翻译区，也包括启动子区域的 Shine-Dalgarno 序列。 反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5UTR互补配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，将乙烯构成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大

18、大延伸了蕃茄常温贮藏期。 二、真核生物的基因调控 真核生物基因调控远比原核生物复杂：1高等真核生物的基因组远比细菌的基 因组大得多 2很多反复序列与调控作用有关 3染色质构造的变化可以调控基因表达 4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基因调控 调控发生在DNA程度，转录程度，转录后修饰，翻译程度和翻译后修饰等多种层次。多数基因表达调控发生在转录程度1、DNA的改动1基因剂量与基因扩增 组蛋白基因是基因剂量效应的一个典型例子。为了合成大量组蛋白用于构成染色质，多数细胞含有数百个组蛋白基因拷贝 基因剂量可经基因扩增暂时添加。人类癌细胞中的许多致癌基因，经大量扩增后高效表达，

19、导致细胞生长失控。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。 2DNA重排 真核生物基因组中的DNA序列可发生重排，这种重排是由特定基因组的遗传信息所决议的，是有些基因调控的重要机制。 酵母交配型转换 a 这种交配型转换的根底是遗传物质的重排。控制交配型的MAT基因位于酵母菌第三染色体上，MATa和MAT互为等位基因 图图 8 819 19 酵母菌交配型转换的遗传根底酵母菌交配型转换的遗传根底 HMLMATaHMRaHMRaHMRaMATHMLHMLRERERE图图 8 820 20 抗体分子的根本构造抗体分子的根本构造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

20、)( H )和两条轻和两条轻 ( L )( L )。氨基。氨基端端( N )( N )是变异区是变异区( V )( V )，羧基端，羧基端( C )( C )是恒定区是恒定区( C ) ( C ) NNCCVVCHL 动物抗体基因重排 图图 8 821 21 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组合，可从约300个抗体基因中产生108个抗体分子 3DNA甲基化真核生物中，少数胞嘧啶第5

21、碳上的氢被一个甲基取代，甲基化。甲基化C在DNA复制中可整合到正常DNA序列中。C甲基化在CG双核苷酸序列中发生频率最高。许多真核生物基因5端未翻译区富含CG序列，易甲基化。甲基化可降低转录效率。2、转录程度的调控(1)启动子与转录因子 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RNA聚合 酶识别位点，可以起始转录构成RNA 转录因子是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 必需与一系列转录因子结合，才干在 RNA聚合酶的作用下起始转录 图图8 823 23 真核生物基因真核生物基因(A)(A)与原核生物基因与原核生物基

22、因(B)(B)在在5 5端启动子的顺式调控元件端启动子的顺式调控元件转录方向用箭头表示，转录起始点用转录方向用箭头表示，转录起始点用+1+1表示表示 AG G G C G GG G C C A A T CT A T A A AG C B o xC A A T B o xT A T A B o x+ 1- 1 1 0- 7 0- 3 0BT T G A C AT A T A A T- 3 5- 1 5- 3 5 B o xT A T A B o x(2)(2)强化子强化子 转录强化子是真核生物基因转录中的另转录强化子是真核生物基因转录中的另一种顺式调控元件，通常位于启动子上一种顺式调控元件，通常

23、位于启动子上游游700-1000bp700-1000bp处，离转录起始点较远处，离转录起始点较远 强化子主要有两个功能:与转录激活子结合，改动染色 质的构型使DNA弯曲构成环状构造，使 强化子与启动子直接接触，以 便通用转录因子、转录激活子 、RNA聚合酶一同构成转录复 合体，从而提高mRNA合效果率 图图 8 825 DNA25 DNA环化与转录活性环化与转录活性 图图8 826 26 强化子竞争控制基因表达强化子竞争控制基因表达 (3)激活子 激活子是一种与强化子结合的蛋白质，也属于一种转录因子 正激活子 真激活子 促进转录 抗阻遏物激活子激活子 负激活子：抑制转录图图8 828 28 由

24、由Cys-HisCys-His与锌离子构成的具有三个手指的锌指与锌离子构成的具有三个手指的锌指构型构型(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 8 829 29 二聚体构成的拉链二聚体构成的拉链(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 (4)酵母菌乳糖代谢的正调控 酵母菌半乳糖酶基因的作用方式与细菌中的lac和ara支配元类似：无半乳糖时，基因不表达；参与半乳糖后，mRNA浓度迅速添加1000倍。804804804804g a l 1 0gal 1804804804804UASGg a l 1 0gal 1PPPPgalgalgalgalAB(5)选择性启动子 有些真核生物基因具有两个或两个以上的启动子，用于在不同细胞中表达。 果蝇的乙醇脱氢酶基因