基因表达和调控现代生物学导论

10基因表达和调控10.1基因突变10.2原核生物基因的表达与调控10.3真核生物基因的表达与调控10.4基因与人类疾病10.5HIV的结构与分子遗传机制细胞中核酸序列的改变通过基因表达有可能导致生物遗传特征的变化。这种核酸序列的变化称为基因突变(mutation)。10.1基因突变基因突变可以是DNA序列中单个核苷酸或碱基发生改变，也可以是一段核酸序列的改变。DNA序列中涉及单个核苷酸或碱基的变化称为点突变。在一个基因内发生的点突变通常有两种情况：一是一种碱基或核苷酸被另一种碱基或核苷酸所替换；二是一个碱基的插入和缺失一种碱基被另一种替换点突变——替换同义突变错义突变点突变——替换错义突变的例子——镰状细胞贫血症编码血红蛋白b肽链上一个决定谷氨酸的密码子GAA变成了GUA，使得b肽链上的谷氨酸变成了缬氨酸，引起了血红蛋白的结构和功能发生了根本的改变点突变——插入或缺失会造成翻译过程中其下游的三联密码子都被错读，产生完全错误的肽链或肽链合成提前终止。基因突变的原因多种多样：DNA复制错误造成碱基的替换、插入或缺失等自发突变外界因素如某些化学物质［诱变剂］、紫外线、电离辐射等也可能诱导基因突变的发生DNA损伤或突变的修复机制基因突变改变了蛋白质（酶）的结构与功能，可能使生物体的形态、结构、代谢过程和生理功能等特征发生改变，严重的突变则影响生物体的生活力或导致生物个体的死亡。DNA转录和RNA翻译，即遗传信息从基因流向RNA又流向蛋白质的过程总称为基因表达基因表达可以在不同的水平上进行调控，如控制基因的开启、关闭和活性的大小，影响和控制转录和翻译等都属于基因表达的调控在高度复杂的生物细胞及其多种多样的代谢过程中，基因的表达是高度有序的。10.2原核生物基因的表达和调控乳糖操纵子学说乳糖进入肠道后，大肠杆菌会立刻制造出一些特殊的酶，其中最主要的为b-半乳糖苷酶，来吸收和利用作为细胞能源的乳糖。法国科学家Monod和Jacob发现，大肠杆菌在不含乳糖的葡萄糖培养基中不会分泌b-半乳糖苷酶；相反，含有乳糖时，会合成b-半乳糖苷酶，使乳糖水解。经过一系列的实验后，他们又发现，大肠杆菌在没有乳糖的环境中不产生编码b-半乳糖苷酶的mRNA。1961年，他们提出了一种模型即乳糖操纵子学说。乳糖操纵子学说结构基因：编码b-半乳糖苷酶（Z）、透性酶（Y）和硫半乳糖苷乙酰转移酶（A）的基因。操纵子：包括启动子、操纵基因和结构基因调节基因、阻遏蛋白乳糖+阻遏蛋白，改变阻遏蛋白的形状原核生物———操纵子，真真核生物———？10.3真真核生物基因因的表达和调调控真核生物基因因表达与调控控的复杂性：：（1）真核生生物具有由核核膜包被的细细胞核，其基基因的转录发发生在细胞核核中，而翻译译则发生在细细胞质中（2）真核生生物基因数目目比原核生物物多，大多数数基因除了有有不起表达作作用的内含子子，另外还有有更多调节基基因表达的非非编码序列，，真核生物所所转录的前体体mRNA必必须经过加工工成熟后才进进入表达阶段段。真核生物基因因表达与调控控的复杂性真核生物基因因表达与调控控的复杂性：：(3)真核核生物染色质质由DNA与与5种组蛋白白结合组成，，它们折叠和和缠绕形成核核小体，核小小体及染色质质进一步折叠叠缠绕形成超超级结构状态态的细胞分裂裂中期染色体体。染色质的的结构对基因因的表达起总总体控制作用用。（4）化学学信号包括某某些激素的诱诱导控制作用用。（5）基因组组内DNA的的化学修饰（6）发育过过程中高度分分化的机制真核生物基因因表达的调控控可发生在不不同水平上10.4基基因与人类疾疾病精妙的基因表表达和调控机机制，保证了了细胞中DNA的复制、、转录、翻译译和各种代谢谢反应的高效效和有序性，，从而保证了了生命的健康康。由于环境因素素，或遗传因因素，或环境境与遗传因素素的相互作用用等，都可能能导致基因突突变的发生，，也可能导致致基因表达调调控的失常。。其结果便造造成了某些与与基因相关的的人类疾病的的发生。从分子水平来来解释某些与与基因表达相相关的人类重重大疾病为基基因诊断和治治疗提供了依依据。癌症癌是细胞生长长与分裂失控控引起的疾病病，其根源是是体细胞中调调节细胞生长长与分裂的基基因异常表达达。控制细胞生长长与分裂的基基因发生突变变可以是随机机自发的突变变，更多的是是一些环境因因子作用的结结果。例如，某些致致癌因子、化化学诱变剂、、X射线、放放射性辐射、、病毒感染等等都可能引起起基因发生突突变，使细胞胞生长与分裂裂失控，从而而引发癌症。。逆转录病毒癌癌基因病毒的的多种种复制制方式式病毒学学家Temin：逆逆转录录RNADNAVarmus和和Bishop：RSV中的的src基基因第第一个个癌基基因1987年诺诺贝尔尔奖癌基因因起源源于原原癌基基因原癌癌基基因因是是一一些些与与调调节节和和控控制制细细胞胞生生长长、、分分裂裂和和细细胞胞周周期期相相关关的的基基因因。。原癌癌基基因因的的结结构构变变化化或或者者失失控控就就会会演演变变成成癌癌基基因因。。4种种类类型型的的突突变变癌的的发发生生是是一一个个多多次次突突变变积积累累的的复复杂杂过过程程细胞胞凋凋亡亡发发生生异异常常10.5HIV的的结结构构与与分分子子遗遗传传机机制制艾滋滋病病的的英英文文缩缩写写AIDS的的全全称称为为获获得得性性免免疫疫缺缺陷陷综综合合症症（（acquiredimmunedeficiencysyndrome））。。引起起艾艾滋滋病病的的元元凶凶是是一一种种人人类类免免疫疫缺缺陷陷病病毒毒HIV的的结结构构HIV的的分分子子遗遗传传过过程程HIV基基因因组组（（RNA））进进入入T淋淋巴巴细细胞胞，，在在逆逆转转录录酶酶的的作作用用下下，，以以HIV的的RNA为为模模板板，，产产生生了了与与RNA互互补补的的DNA链链。。前病病毒毒DNA转转录录生生成成新新的的RNA片片段段，，同同时时合合成成衣衣壳壳蛋蛋白白等等，，在宿主细细胞中，，新合成成的RNA、逆逆转录酶酶及蛋白白质等又又装配生生成更多多的病毒毒颗粒，，它们以出出芽的方方式从宿宿主细胞胞中释放放出来，，又去攻攻击其他他的T淋淋巴细胞胞。细胞中核核酸序列列的改变变称为基基因突变变，它有有可能导导致生物物遗传特特征的变变化。DNA序序列中涉涉及单个个核苷酸酸或碱基基的变化化称为点点突变，，点突变变包括碱碱基或核核苷酸的的替换和和插入或或缺失。。乳乳糖操纵纵子学说说解释了了大肠杆杆菌细胞胞中编码码b-半半乳糖苷苷酶基因因表达的的调控原原理。绝绝大多数数真核生生物细胞胞不存在在类似于于原核生生物的操操纵子。。真核生生物细胞胞基因的的表达调调控要比比原核生生物复杂杂得多，，且可以以发生在在不同的的水平上上。癌癌是细细胞生长长与分裂裂失控引引起的疾疾病，其其根源是是体细胞胞中调节节细胞生生长与分分裂的基基因异常常表达。。引起艾艾滋病的的元凶是是一种人人类免疫疫缺陷病病毒HIV，HIV基基因组（（RNA）进入入T淋巴巴细胞，，逆转录录产生与与RNA互补的的DNA链。前前病毒DNA转转录生成成新的RNA片片段，同同时合成成衣壳蛋蛋白等，，在宿主主细胞中中装配生生成更多多的病毒毒颗粒，，以出芽芽的方式式从宿