基因调控讲稿

1、关于基因调控第一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月重点与难点重点：原核生物的乳糖操纵子的结构、调控方式、作用机理、规律以及参与的各种元件；真核生物在DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平及翻译后水平各个层次上基因表达调控的机理和方式。难点：基因突变对操纵子活动的影响。第二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月第一节 原核生物基因表达调控基因表达(gene expression)-基因转录及翻译的过程。中心法则(the central dogma)：第三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月一、原核生物基因调控简述：操纵子学说操纵子模型的提出 莫洛(Monod)和雅各布(Ja

2、cob)获1965年诺贝尔生理学和医学奖第四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月（一）大肠杆菌乳糖操纵子模型1.乳糖操纵元模型的提出：1961年，雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.）的操纵元（operon）模型：操纵元：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：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；. 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖；. 转乙酰酶： -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，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加；乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止。第五张，P

3、PT共五十八页，创作于2022年6月2. 乳糖操纵子的结构和功能 结构基因(structural gene)：编码酶或结构蛋白的基因，如lacZ、lacY、lacA基因。 操纵基因(operator，O)：指能被调控蛋白特异性结合的一段非编码的DNA序列，是调节基因产物的结合位点，是结构基因表达活动的开关。 启动基因(promoter，P)：位于操纵基因上游的一段非编码的DNA序列，是RNA聚合酶识别和结合的位点。 阻遏物基因(inhibitor，i)：编码能与操纵基因序列结合的调控蛋白的基因。第六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月第七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月3.乳糖

4、操纵子的负调控负调控：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。阻遏物与DNA分子结合阻碍RNA聚合酶转录使基因处于关闭状态；正调控：经诱导物诱导转录的调控机制。诱导物通常与蛋白质结合 形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 使基因处于表达的状态。第八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。第九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月乳糖操纵元

5、的负调控：. 乳糖操纵元组成部分；. 野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）, 无乳糖时，基因不表达；. 野生型基因型（I+O+Z+Y+A+）, 有乳糖时，基因表达；. 抑制基因突变（IO+Z+Y+A+）, 无乳糖时，基因组成型表达；. 操纵基因突变型（IOcZ+Y+A+）, 无乳糖时，基因组成型表达。阻遏蛋白乳糖RNA聚合酶第十张，PPT共五十八页，创作于2022年6月乳糖操纵子(lac operon)的调控方式第十一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月4. 乳糖操纵子的正调控当有乳糖存在时，操纵子开启，基因进行表达。当既有大量半乳糖又有葡萄糖时，基因表达将会怎样？基因不表达，存在新的调

6、节因子来控制乳糖操纵子开启，这个因子的活性与葡萄糖有关。葡萄糖可使腺苷酸环化酶活性降低；而腺苷酸环化酶能将ATP转变成cAmP。第十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 cAmP又与代谢激活蛋白（catabolite activating protein,CAP）结合形成cAmP-CAP复合物，作为lac操纵子正调控因子。当cAmP-CAP复合物二聚体插入到lac特异启动子序列时使DNA构型发生变化，而RNA聚酶与该新构型的DNA结合紧密，转录效率高。葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低 ATP无法转变成cAmP 不能形成CAP-cAmP复合蛋白 RNA酶无法结合在DN

7、A上 基因不表达。第十三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月5. 乳糖操纵子的突变型 Oc 操纵基因的组成型突变 I- 阻遏蛋白不能和O结合 IS 阻遏蛋白失去诱导物结合位 点超阻遏变突第十四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月Oc仅使位于同一条染色体上的基因进行组成型表达，表现出位置效应。 Oc基因与结构基因呈现顺式显性。第十五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 不诱导 诱导 Z Y Z YO+Z+Y+ OcZ+Y+ O+Z+Y+/F OcZ+Y+O+Z+Y+/F OcZ+YO+Z+Y/F OcZY+ 在O+/Oc菌株中O+只能控制处于同一染色体上的结构基因，而与Oc相连

8、的结构基因并不受其他DNA分子上的O+基因的影响。第十六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月基因型为I/I时， I编码正常的阻遏蛋白并与操纵基因结合，表现为诱导型。即I对 I为显性。第十七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月基因型为I s /I时， I编码的正常阻遏蛋白lac+不影响lacs与操纵基因的结合，表现为阻遏型。即I对 I s为隐性。第十八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月基因型有乳糖没乳糖I-O+Z+/FI+I+OcZ+/FO+ + +I+O+Z+/FI- I+O+Z+/FOc + IsO+Z+/FI+IsO+Z+/FI+ OcZ+如果一个基因所编码的蛋白质能结

9、合到细胞内任何DNA分子的靶位点，那么只要该基因的任何一等位基因为显性，它就能抑制细胞内该基因的其他等位基因。第十九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月6. 色氨酸操纵子（1）色氨酸操纵子模型：由雅各布（JacobF.）和莫诺（MonodJ.）提出，具有合成代谢途径典型的操纵元模型。操纵元：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；色氨酸不足时：这种酶的基因开始转录；色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元模型（repressible operon）。第二十张，PPT共五十八页，创作于2022年

10、6月色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；阻遏物trpR基因：与trp操纵元相距较远；第二十一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月（2）色氨酸操纵子的负调控： 阻遏调控：trpR基因编码无辅基阻遏物与色氨酸结合形成有活性的色氨酸阻遏物与操纵子结合阻止转录；色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化 ，不能与操纵子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操纵子结合，阻止转录。第二十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月二、真核生物基因表达的调控DNA水平的调控转录水平的调控转录后水

11、平的调控翻译水平的调控翻译后水平的调控第二十三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月真核生物与原核生物的调控差异第二十四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月基因表达的多水平调控 第二十五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月一、DNA水平的调控第二十六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月1、基因丢失（gene elimination）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。受精卵（成体早期）只有一个着丝粒行使功能染色体破碎细胞分裂第二十七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月2、基因扩增基因扩增（gene amp

12、lification） ：就是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加的现象。例如：rRNA和多线染色体两栖类卵细胞前体同体细胞一样具有600个rRNA基因，基因扩增后rRNA基因拷贝数达2106组装大量的核糖体，满足卵细胞大量合成蛋白质需要。第二十八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月果蝇唾腺染色体第二十九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月3、基因重排基因重排（gene rearrangement）：DNA分子核苷酸序列的重新排列，这些序列的重新排列可以形成新的基因，也可以调节基因的表达。第三十张，PPT共五十八页，创作于2022年6月 . 酵母交配型转变酵母有两种交配类型

13、 a 和，单倍体孢子 a 和之间交配才产生 a/ 二倍体，经减数分裂及产孢过程形成 4 个单倍体孢子；相同交配型的单倍体孢子之间不能发生交配。但酵母存在一种同宗配合类型（homothallism），其细胞可转换成对应交配类型，使细胞间发生配合。第三十一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月交配型转换的遗传基础：控制交配型的 MAT基因位于第3染色体上，MATa基因表现为a交配型，MAT基因表现为交配型；两基因互为等位基因；在MAT基因两端有同源序列HML和HMRa，由于两基因上游存在沉默子，故不表达，但可分别与 MAT、MATa基因序列相同。第三十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6

14、月. 动物抗体基因重排：哺乳动物一般可产生108个抗体分子，比整个基因组基因数目还多（人类为105 个基因），人类的抗体基因约有 300个，为什么？抗体分子结构：重链H：440个氨基酸；轻链L：220个氨基酸；N端：110个氨基酸。重链和轻链：由变异区V和非变异区C组成；均由二硫键连接。第三十三张，PPT共五十八页，创作于2022年6月抗体基因的结构：重链包括4个片段：（人类第14号染色体上）86个重链变异区段（VH）；30个多样区片段（D）；9个连接区片段（J）；11个恒定区片段（C）；轻链有3个片段：（第2号和第22号染色体上） 轻链变异区（VL）；连接区（J）；恒定区（C）。第三十四张，

15、PPT共五十八页，创作于2022年6月所有的抗体并不是由一个完整的基因来编码，而是由不同的基因片段经重排连接而成的。随着B淋巴细胞发育，基因组中抗体基因在DNA水平发生重排，形成编码抗体的完整基因，一个淋巴细胞只有一种组合的抗体基因。由于抗体基因重排中各个片段间的随机组合，因此300个抗体基因产生108 个抗体。第三十五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月图：限制性内切酶 MspI 可以切所有的 CCGG 序列，但是当第二个C被甲基化后就不能切开,但是HpaII 仅仅能切开非甲基化的 CCGG 序列。这两个限制性内切酶称为同切点酶。 4、DNA甲基化MspIHpaII5-mCPG-33-

16、GPCm-55-CPG-33-GPCm-5半甲基化第三十六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月二、转录水平的调控顺式作用元件反式作用因子第三十七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月1、顺式作用元件（cis-acting element ）DNA分子中对基因表达有调控作用的一段序列，其作用仅影响与其自身处于同一个DNA分子上的基因。非编码序列分：启动子（promoter）、增强子（enhancer）、沉默子（silencer ）第三十八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月启动子结构（真核生物）：TATA盒（TATA box）：RNA酶识别并结合位点；CAAT盒（CAAT box

17、）：转录起始起重要作用；GC盒（GC box）：增强子作用。第三十九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月增强子（enhancer）：远离转录起始点（130kb），增强启动子转录活性DNA序列，与方向、距离无关沉默子（silencer）：类似增强子但起负性调节元件，起阻遏作用第四十张，PPT共五十八页，创作于2022年6月2、反式作用因子(trans-acting factor)概念：指能直接或间接识别或结合诸顺式作用元件8-12bp的核心序列，从而调控靶基因转录效率的结合蛋白，它可以调控一对同源染色体中任何一条中的靶基因。第四十一张，PPT共五十八页，创作于2022年6月反式作用因子特点

18、三个功能结构域：DNA识别或识别结合结构域；激活基因转录的功能结构域；结合其他因子或调控蛋白的调节结构域能识别并结合顺式作用元件正调控与负调控第四十二张，PPT共五十八页，创作于2022年6月反式作用因子结构域的模式DNA结合域(DNA- banding domain)锌指结构(zinc finger motif)同源结构域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn-helix)亮氨酸拉链结构 (leucine zipper)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)碱性螺旋(alkaline -helix)第四十三张，PPT共五十八页，创作于202

19、2年6月不能单独折叠或与DNA 结合，只是 DNA结合蛋白的一部分，构型以外的氨基酸在控制和识别DNA具有重要的作用；许多控制真核生物发育的基因都具有HTH构型，几乎所有真核生物所具有的同型异位盒（homeobox）。 -螺旋-转角- -螺旋（HTH）：第四十四张，PPT共五十八页，创作于2022年6月锌指结构：基因调控的转录因子存在于致癌基因、果蝇控制发育的基因、受生长因子和分化信号诱导合成的蛋白质序列中；锌指区域：由二个Cys簇及二个His簇组成；保守序列 Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His；锌指蛋白：213个手指，各由23氨基酸组成，并由78个氨基酸连接；与 D

20、NA大沟结合并环绕DNA分子，大沟与特异DNA碱基互作。第四十五张，PPT共五十八页，创作于2022年6月碱性亮氨酸拉链（bZIP）：可形成蛋白质蛋白质二聚体的亮氨酸拉链（leucine zipper，LP）；具有35个氨基酸残基，其中有4个亮氨酸，每隔7个氨基酸出现一次，形成-螺旋时，每两圈伸出一个亮氨酸，由亮氨酸残基间的疏水作用力形成一条拉链，产生蛋白质二聚体；碱性-螺旋与DNA磷酸残基和碱基互作，二聚体 剪刀结构。第四十六张，PPT共五十八页，创作于2022年6月三、转录后水平的调控1、选择性剪接（alternative splicing）：同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式切割

21、加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译后的蛋白质在含量或组成上都不同2、RNA的编辑（RNA editing）：指对转录后的mRNA编码区进行碱基插入、删除或替换，以改变来源于DNA模板的遗传信息，翻译出不同于基因原编码氨基酸序列的蛋白质。3、反义RNA（antisense RNA）：指与mRNA互补的RNA分子，它能与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工和翻译，是原核细胞中基因表达调控的一种方式。 第四十七张，PPT共五十八页，创作于2022年6月1、选择性拼接（1）、拼接缺失外显子缺失（2）、拼接保留内含子内含子外显子第四十八张，PPT共五十八页，创作于2022年6月（3）、部分缺失外显子（4）、部分保留内含子第四十九张，PPT共五十八页，创作于2022年6月降钙素基因转录物的选择性拼接-AAA（A）n1 2 3 4 5 6外显子内含子Ploy（A）降钙素断裂和腺苷酸化Ploy（A）-AAA（A）n甲状腺拼接-AAA（A）n翻译翻译后加工降钙素脑拼接-AAA（A）n翻译翻译后加工CGRP（Calcitonin-Gene-Related Peptide）DNA序列mRNA序列第五十张，PP