基因表达调控

1、第五节第五节 基因概念和基因作用基因概念和基因作用 的调控的调控一一、基因的概念和基因作用的调控基因的概念和基因作用的调控紫外灯下的紫外灯下的DNA孟德尔：孟德尔： 把控制性状的因子称为遗传因子 如：豌豆红花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。约翰生：约翰生： 提出基因(gene)这个名词，取代遗传因子。摩尔根：摩尔根： 对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因 和染色体为主体的经典遗传学。 基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。1 1经典遗传关于基因的概念经典遗传关于基因的概念：基因的基因的共性（共性（按照经典遗传学对基因的概念）：）： 功能单位：功能单位：控制性状，自我复制

2、能力和相对稳定性， 在分裂时有规律地进行分配。 突变单位：突变单位：一个基因能突变为另一个基因。 交换单位：交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。 经典遗传学认为：经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割。揭示遗传密码的秘密：基因 具体物质。 具体内容： 一个基因 DNA分子上一定区段，携带有特殊的 遗传信息 转录成RNA 翻译成多肽链，或或对其它 基因的活动起调控作用 ( 如调节基因、启动基因、 操 纵基因)。基因不是最小遗传单位 更复杂的遗传和变异单位 例如：例如：在一个基因区域内，仍然可以划分出若干 起作用的小单位。2 2分子遗传学关于基因的概念分子遗传学关于基因的概念：

3、现代遗传学上认为：现代遗传学上认为： 突变子：突变子：是在性状突变时，产生突变的最小单位。 一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。 重组子：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：顺反子：表示一个作用的单位，基本上符合通常所描的基因大小或略小。 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。基因概念：基因概念： 为一个多链编码； 功能上被顺反测验或互补测验所规定。 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。 基因：基因：相当于一个顺反子，包含许多突变子和 重组子。重叠基因：重叠基因：指在

4、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。3 3分子遗传学对基因概念的新发展分子遗传学对基因概念的新发展：ABCDEF隔裂基因：隔裂基因：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。 内含子内含子：在DNA序列中，不出现在成熟mRNA中的片段； 外显子：外显子：在DNA序列中，出现在成熟mRNA中的片段。跳跃基因：跳跃基因：即转座因子转座因子，指染色体组上可以转移的基因。 实质实质：能够转移位置的DNA片断。 功能功能：可从这条然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)。突变的结果很易通过表现型变异

5、得到鉴别。 遗传工程常用遗传工程常用：转座子标签法。 . 玉米转座子系统玉米转座子系统 存在三种主要转座子系统主要转座子系统：自主因子自主因子 / 受控因子（受控因子（Ac/Ds）、）、突变子（突变子（Mu）系统）系统和突变抑制子（突变抑制子（spm/dspm）系统）系统。 Ac为自主型转座子为自主型转座子，全长4.6kb，有一个11bp的插入重复对于转座作用于是必须的，非自主型转座子非自主型转座子Ds也有一个11bp的插入重复，但要比Ac的短。Ds只有在Ac的转座酶活性被激活后，才能发生的转座作用。Dsl转座子是第一个被序列分析的植物转座子。 Mu系统转座子系统转座子在玉米中被认为具很高的诱

6、导突变率。Mu1转座子从Adb1等位基因中被测序，长度1.4kb。 spm长度8.3kb。spm转座子的移动性受制于spm的TrpA蛋白。dspm转座子要比spm转座子更短。金鱼草中的转座子系统金鱼草中的转座子系统 金鱼草中最少含有四种转座子四种转座子，它们被定义为Tam。 Tam转座子含有12或13bp的插入重复顺序。 Tam1, Tam2和Tam3转座子分别为15kb、5kb和3.6kb长度。 Tam转座子转座子已被应用于控制花的生物合成基因研究。因为突变的结果很突易通过表现型变异加以鉴定。 Tam、Ac 和spm转座子具有很高的序列的相似性，它们切割和转座可能具有相似的机理。 基因：一个

7、基因是编码一条多肽链的一个片段，包括启动子、终止子、外显子、内含子二二、基因的微细结构：基因的微细结构： 设设有两个独立起源的隐性突变，具有类似的表现型。 判断判断是属于同一个基因突变，还是属于两个基因的突变？即判断是否属于等位基因？即判断是否属于等位基因？ 建立双突变杂合二倍体； 测定突变间有无互补作用； 由此来判断是否属于等位基因。1 1互补作用互补作用：无互补作用：无互补作用：则个体表现为突变型，突变来自同一个基 因，只能产生突变的mRNA，形成突变酶 和突变的表现型突变的表现型。 有互补作用：有互补作用：个体表现为野生型。 突变来自同一个基因，则每个突变的相对位点上都 有一个正常的野生

8、型基因，因而最终可以产生正常mRNA， 其个体表现型为野生型个体表现型为野生型。 本泽尔本泽尔：提出顺反子顺反子， 表示功能的最小 单位和顺反的位置效 应。互补测验（顺反测验）：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：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的染色体上），不进行测试，其表现型 野生型。 实质上是实质上是进行进行反式测验反式测验（反式排列：是两个突变座位位于不同的染色体上）。 .反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点； .反式排列为突变型：突变分属于同一基因位点。2 2基

9、因的微细结构：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：原理： r r+ + 野生型野生型T T4 4噬菌体：噬菌体：侵染E. coli B株和K12株 rr突变型突变型T T4 4噬菌体：噬菌体：只能侵染B株，不能侵染K12()株。利用上述特点: 让两个r突变型杂交 K12()株选择重组体r+ 计算出两个r+ 突变座位间的重组频率。方法方法两种r突变类型： rx、ry r+ rx ryr+ 混合感染混合感染 E.coli B株 接种 B株 K12()株 计数r+ ry、rxr+ r+ r+r+ r+、rxry 仅生长一四种基因型 种

10、重组型均能生长结果：结果： .重组值计算：重组值计算： rxry的数量与r+r+ 相同，计算时r r+ +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区内二点杂交的结果，绘制出rr区座区座位间微细的遗传图位间微细的遗传图：r47 r104 r101 r106 r31 r107 1.3 1.0 1.6 1.9 1.6%100B)(K2%100rr212株上生长的噬菌斑总数株上生长的噬菌斑数总噬菌体数噬菌体数重组值. r r突变体类型： r rA、 r rB： 两个r rA 突变体 K12 无噬菌体繁殖 两个r rB 突变体 K12 无噬菌体繁殖 r rA

11、r rB突变体 K12 噬菌体繁殖 r rA与r rB区段可以互补，分属于不同基因座位。rRNArRNA 如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡tRNAtRNA 发生突变后， 多肽链改变。三三、基因的作用与性状的表达基因的作用与性状的表达：转录翻译蛋白质结构蛋白生物酶直接间接某段DNAmRNAmRNA性性状状1个基因，10个蛋白，10种修饰蛋白分子的不同状态 共价修饰：磷酸化，糖基化，脂化，亚硝基化，乙酰化，泛素化。 细胞中定位：一个或几个定位，细胞核，细胞质，原生质膜，线粒体，内质网。 配体的存在：小分子和离子对蛋白的结合改变蛋白的状态，影响活性 可变剪接，一种蛋白产生不同的形式蛋白分子的不

12、同状态 蛋白酶剪切：氨基和羧基剪切，产生蛋白的不同截断形式，性质改变。 寡聚状态：与其它蛋白形成复合体 蛋白构象改变：三级结构调控蛋白功能 基因的变异 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例如人的镰形红血球贫血症。 红血球碟形 HbA 突变突变 Hbs Hbc 红血球镰刀形 血红蛋白分子有四条多血红蛋白分子有四条多肽肽链：链： 两条链(141个氨基酸/条)、 两条链(146个氨基酸/条)。 HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差异在于链上第链上第6 6位上位上的的氨基酸氨基酸： HbA第6位为谷氨酸谷氨酸（GAA）； Hbs第6位为缬氨酸缬氨酸（GUA）； Hbc第6

13、位为赖氨酸赖氨酸（AAA）。 1.1.结构蛋白：结构蛋白：产生贫血症的原因：产生贫血症的原因： 仅由单个碱基的突变，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。 由正常的碟形红血球转变为镰刀形红血球， 缺氧时表现贫血症。HbHbA A Hb Hbs s HbHbc c2. 酶蛋白：酶蛋白：例如：例如：豌豆 高杆(TT) 矮杆(tt) F1 高杆(Tt) T基因酶蛋白质赤霉素合成细胞正常伸长t基因不合成酶无功能酶不产生赤霉素细胞不能正常伸长 产生多肽，有表型；基因 产生tRNA, rRNA，无表型； 不转录mRNA, 对其它基因起调控作用。 如果把一种生物的整套遗传密码比作一本密

14、码字典，则该种生物的每个细胞中都有这本字典。 为什么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呈现活化状态? 结论：结论： 必然有一个基因作用的调控系统调控系统在发挥作用。* * 四四、基因作用的调控：基因作用的调控：基因调控主要在三个水平上进行：. DNA水平上调控。. 转录水平上调控。. 翻译水平上调控。1 1基因作用调控的类型基因作用调控的类型：操纵子操纵子：细菌的主要基因调控单位，也就是转录单位。 如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加：. - -半乳糖酶：半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；. 渗透酶：渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖；.

15、 转乙转乙酰酰酶：酶： -半乳糖转变成乙酰半乳糖。 大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟内达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加； 乳糖用完：这三种酶的合成也即同时停止。2 2原核生物的基因调控：原核生物的基因调控： 基因调控多数发生在转录水平上。3219611961年，年，Jacob F.Jacob F.和和Monod J.Monod J.的的操纵子模型操纵子模型：IP OzyAIP OzyAI mRNA阻遏物结合在O基因上阻碍ZYA基因的转录I mRNAlac mRNA-半乳糖酶 渗透酶半乳糖结构基因: z：-半乳糖酶基因；y：渗透酶基因 a：转乙酶基因O：操纵基因 i：调节基

16、因3 3真核生物的基因调控真核生物的基因调控： 缺少比较成熟的理论。 .基因丢失：基因丢失：发育过程中，一些组织的细胞丢失了某些基因，决定细胞分化。 如：原生动物（马蛔虫）、昆虫、甲壳纲动物.基因扩增：基因扩增： 某一组织细胞在短期内某一基因的拷贝数大量扩增的现象。 如：非洲爪蟾的卵母细胞rRNA 基因，原有500个拷贝,到粗线期有200万个，扩增近4000倍。灯刷染色体灯刷染色体上大量扩增rRNA基因. 激素诱导激素诱导 在 真 核 生物内，调控信号来自体内激素，这些可扩散的物质称为反式作用因子。. 增强子：增强子： 指能使与它连锁的基因转录频率明显增强的DNA序列。 例如兔子兔子SV40SV40基因基因（猿猴病毒）。 SV40DNA-血红蛋白基因, 嵌合基因（-血红蛋白基因）大量表达，SV40 DNA中的140bp 序列具有增强子功能。 .异染色质化和染色质的活化：异染色质化和染色质的活化： 真核生物可以改变染色体某一区域的异染色质化程度可以改变染色体某一区域的异染色质化程度而控制基因的表达。 异染色质化异染色质化：染色质处于固缩的状态,基因关闭； 染色质活化染色质活化也能控制基因的活化。 高等生物核内染色体上的基因活性在很大程度上