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第十二章 基因的表达与调控 第一节 基因的概念 第二节 基因调控

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第十二章 基因的表达与调控

第一节 基因的概念

第二节 基因调控

第一节 基因的概念

一、基因的概念及其发展

(一)经典遗传学关于基因的概念

遗传因子假说 (Hypothesis of the inherited

factor)

生物性状由遗传因子控制

亲代传给子代的是遗传因子(A,a….)

遗传因子在体细胞内成双(AA,aa),在生殖细

胞内为单(A,a)

杂合子后代体细胞内具有成双的遗传因子

(Aa)

等位的遗传因子独立分离, 非等位遗传因子

间自由组合地分配到配子中 Mendel G J,1866

第一节 基因的概念

(一)经典遗传学关于基因的概念

基因理论(Theory of the gene)

基因是染色体上的实体

基因象链珠(bead)一样,孤立地呈线状地排列

在染色体上

基因具有染色体的主要特性,能自我复制,

有相对的稳定性,在有丝和减数分裂时有规

律地进行分配

交换单位:基因间能进行重组,并且是交换

的最小单位。

突变单位:

功能单位:控制有机体的性状

三位一体Morgan T H,1926

第一节 基因的概念

(二)分子遗传学关于基因的概念

1、揭示了遗传密码的秘密,证明DNA是主要的遗传物质。

2、基因不是不可分割的最小遗传单位,而是更为复杂的遗传和变

异单位。

3、现代遗传学上认为:

突变子(muton):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核苷酸。

重组子(recon):性状重组时,可交换的最小单位。一个交换

子可只包含一对核苷酸。

顺反子(作用子)(cistron):表示一个起作用的单位,基本

符合通常指的基因。一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽

链的合成相对应。

第一节 基因的概念

(二)分子遗传学关于基因的概念

4、基因概念

(1)可转录一条完整的RNA分子,或编码一个多肽链;

(2)功能上被顺反测验(cis-trans test)或互补测验

(complementary test)所规定。分子遗传学保留功能

单位的解释,而抛弃最小结构单位说法。

第一节 基因的概念

(二)分子遗传学关于基因的概念

5、基因概念的发展

结构基因(structural gene):指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。

调控基因(regulator gene):指其表达产物参与调控其它基因表达的基

因。

重叠基因(overlapping gene):指在同一段DNA顺序上,由于阅读框架

不同或终止早晚不同,同时编码两个以上多肽链的基因。

隔裂基因(split gene):指一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编

码顺序,如内含子所隔裂的现象。

跳跃基因(jumping gene):即转座因子,指可作为插入因子和转座因子

移动的DNA序列。

假基因(pseudogene):同已知的基因相似,处于不同位点,因缺失或突

变而不能转录或翻译,是没有功能的基因。

二、基因的微细结构

设有两个独立起源的隐性突变,具有类似的表现型。判断它们是

属于同一个基因突变,还是属于两个基因突变?即判断是否属于等位

基因?

1、建立双突变杂合二倍体;

2、测定突变间有无互补作用。

结果:

1、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,形成突变酶和个体,显示突变的表现型。

2、有互补作用:突变来自不同的基因,则每个突变的相对位点上

都有一个正常野生型基因,最终可产生正常mRNA,其个体表现型为

野生型。

(一)互补作用

A b1

A b2

a1 B

A b2

相依为命!

依据: One gene one enzyme

MutantWild type

无能为力!

二、基因的微细结构

1. 顺式调控:如基因启动子发生突变,使调控蛋白不能识别启

动子结构,基因不能表达,这种只影响基因本身表达、不影响

其它等位基因调控的突变称顺式调控。

2. 反式调控:调控蛋白发生突变,不能与这个基因的启动子结

合,将可影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点表

达这种突变称为反式调控。

(二)顺式与反式调控

二、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,对T4噬菌体rⅡ区基

因的微细结构进行了详细分析。

1、原理:

r+ 野生型T4噬菌体:侵染E.coli B株和K12株;

rⅡ突变型T4噬菌体:只侵染B株,不能侵染K12(λ)株。

利用上述特点,让两个rⅡ突变型杂交侵染K12(λ)株,选择重组体

r+,计算出两个r+突变座位间的重组频率。

(三)基因的微细结构

2、方法:

见右图

(三)基因的微细结构

二、基因的微细结构

二、基因的微细结构

3、结果:

(三)基因的微细结构

两个rⅡA突变体混合→K12→无噬菌体繁殖

两个rⅡB突变体混合→K12→无噬菌体繁殖

rⅡA + rⅡB突变体→K12→噬菌体繁殖

rⅡA与rⅡB区段可以互补,分属于不同基因座位

三、基因的作用与性状的表达

基因 mRNA 蛋白质 性状

1、结构蛋白或功能蛋白:

基因变异可以直接影响蛋白质的特性,从而表现出不同遗传性状。

例如人的镰形红血球贫血症:

血红蛋白分子有四条多肽链:两条α链(141个氨基酸/条);两条β链(146个氨基酸/条)。

HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差异在于β链上第6位上氨基酸的不同:

HbA第6位为谷氨酸(GAA);HbS第6位为缬氨酸(GUA);HbC第6位为赖氨酸(AAA)

人的镰形红血球贫血症

三、基因的作用与性状的表达

2、基因通过酶的合成,间接的影响生物性状的表达。

第二节 基因调控

(一)转录水平的调控

多顺反子mRNA:把编码多个蛋白质的mRNA称为多顺反子mRNA。

单顺反子mRNA:把只编码一个蛋白质的mRNA称为单顺反子mRNA。

负调控(negative regulation):细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控

机制。

正调控(positive regulation):经诱导物诱导转录的调控机制。

原核生物以负调控为主,真核生物以正调控为主。

一、原核生物的基因调控

Negative & Positive regulation

I gene

Neg.

Pos.

i- or 不加入I基因产物 operon on

I+ or 加入I基因产物 operon off

i- or 不加入I基因产物 operon off

I+ or 加入I基因产物 operon on

repressor Negative

Positiveexpressor (apoinducer)

无辅基诱导物

一、原核生物的基因调控

1961年,Jacob F.和Monod J提出操纵元模型

操纵元(operon):控制某一代谢途径的相关基因,紧密连锁

地排列在一起, 受同一操纵子控制。

(二)乳糖操纵元

Lac operon I p o Z Y A

各结构基因按一定比例协调翻译 ( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 )

one gene → one function (Ribozyme, Abzyme, rDNA, tDNA..)

• one gene → one enzyme

Lac. Operon

Lactose

操纵子理论 (Lactose operon, Jacob F.and Monod J,1961

• 某一基因功能的表现是若干基因组成的信息表达的整体行为

I P O Z Y A

z

one gene → one peptide

y a

一、原核生物的基因调控

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(A、B、C、D、E)的转录

同时受到抑制;

色氨酸不足时:5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。

(三)色氨酸(trptophan)操纵元

trpR P O E D C B A

trpR P O E D C B A

tryptophan

调控机理

Operator

operon off

operon on

repressor + trp

active repressor

Repressor (inactive )

can not bind

on the O site

(trp absent)

(三)色氨酸(trptophan)操纵元

色氨酸高浓度存在时,转录的前导序列mRNA只含有140 核苷酸,

其中有一段28 bp的弱化子区域,可形成发夹结构,为内部终止

子,RNA酶从DNA上脱落;

色氨酸低浓度或不存在时,RNA聚合酶能通过弱化子区域,转

录完整的多顺反子mRNA序列;

前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽,在该短肽的第10、

11位置上是两个色氨酸密码子;两个密码子之后是一段mRNA

序列,该序列可分为四个区段,区段间可互补配对,形成不同

的二级结构。

弱化子调控

(三)色氨酸(trptophan)操纵元

当有色氨酸时,完整翻译短肽,核糖体停留在终止密码子处,

邻近区段2位置,阻碍了2,3配对,使3, 4区段配对形成发夹结

构终止子,RNA酶在弱化子处终止,不能向前移动。

如缺乏色氨酸,核糖体到达色氨酸密码子时,由于没有色氨酰

tRNA的供应,停留在该密码子位置,位于区段1,使区段2与

区段3配对,区段4无对应序列配对呈单链状态,RNA聚合酶

通过弱化子,继续向前移动,转录出完整的多顺反子序列。

弱化子调控

调控机制分析

调控机制分析

Trp(Arg)

starved

Non-starved

trp trp

55- - 58- - 65- -68- -

Arg

60- -70- -

UGA

69 - - 79 - -

2-3

3-4Rho-independent T.

一、原核生物的基因调控

反馈调控机制(feedback regulation):大肠杆菌核糖体蛋白合成

E.coli 有7个参与核糖体蛋白合成的操纵元结构,转录的各种

mRNA都可与同一操纵元编码的核糖体蛋白识别与结合;

如果其中有一种核糖体蛋白过量累积,它们将与其自身的

mRNA 结合,阻止进一步翻译;

结合位点:5‘ 端非翻译区(untranslated region,UTR),也包括

启动子Shine-Dalgarno 序列,为mRNA翻译起始信号上游的一

段5’-AGGAGGU-3’保守序列,与16S rRNA 3’端保守序列互补

配对。

(四)翻译水平的调控

一、原核生物的基因调控

反义RNA(antisense RNA)的调控

原核生物中mRNA的翻译也受反义RNA的调控;

反义RNA与mRNA 的5’端非翻译区UTR片段互补配对,使

mRNA不能有效地与核糖体结合阻止蛋白质的合成;

真核细胞中导入反义RNA基因控制真核生物基因表达。

(四)翻译水平的调控

二、真核生物的基因调控

真核生物与原核生物基因表达上的主要异同

以转录水平调控为主

真核生物染色质的状态对基因表达的调控

以positive control为主

m5C与基因表达的相关

转录后多种方式的加工调节

个体发育的阶段调控

Trans F + Cis F. Gene on /off

相异:

相似:

二、真核生物的基因调控

1、基因剂量与基因扩增:

拷贝数增加:如合成大量组蛋白用于形成染色质,多数细胞具有

数百个蛋白基因拷贝。

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: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2×106组装大量的核糖体,满足

卵细胞大量合成蛋白质需要。也发生在异常细胞中,如人类的癌

细胞中,由于癌基因的大量扩增,高效表达导致细胞生长失控,

诱发癌症。

(一)DNA的改变

二、真核生物的基因调控

2、DNA 重排:

酵母交配型转变:酵母有两种交配类型 a 和α,单倍体孢子 a 和

α之间交配才产生 a/α 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。

动物抗体基因重排:哺乳动物一般可产生108个抗体分子,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。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。

(一)DNA的改变

二、真核生物的基因调控

3、DNA甲基化:

m5C是真核生物 DNA中的主要修饰成分。

多发生在CpG序列中,不同细胞间m5C 相差甚大。

m5C对基因转录抑制的表现:

降低转录因子与DNA的结合;

m5C in major groove 影响与T.F.间氢键的形成;

m5C in major groove 导致空间拥挤,破坏构象

的平衡;

使B-DNA Z-DNA T.F.结合空间的改变。

(一)DNA的改变

(二)转录水平的调控

看家基因(house keeping gene) :一些基因在所有细

胞中都呈现活跃状态,这种组成型表达( constitutive

expression )的基因称为看家基因。

奢侈基因(luxury gene ):一些基因则在不同细胞或组

织中呈现高度表达,受到一定的调控,称为奢侈基因或特

异表达基因。

(二)转录水平的调控

1、启动子和转录因子:

启动子(promoter):转录因子和RNA聚合酶的结合位点,位于基

因上游某一固定位置,紧接转录起始点,是基因一个组成部分。

转录因子(transcription factor,TF) :是激活真核生物基因转录的

蛋白质。

真核生物的启动子结构:

TATA box:RNA酶识别并结合位点,位于-25~-30 bp处;

CAAT box:转录起始起重要作用,位于-70 bp处;

GC box:增强子作用,位于-110 bp处。

(二)转录水平的调控

2、增强子(转录强化子,transcriptional enhancer):

强化子:是真核生物基因转录中另一种顺式调控元件,常位于启动

子上游700-1000 bp处,离转录起始点较远,可提高转录效率。

在基因中的位置不固定。

强化子的作用没有方向性。

(二)转录水平的调控

3、激活子(transcription activator ):

激活子:是一种与强化子结合的蛋白质,属于一种转录因子。

分类:

(1)正激活子:

真激活子:与转录复合体接触激活转录。

抗阻遏物激活子:改变染色质结构(染色质重建)与转录

因子结合来提高转录效率。

(2)负激活子:抑制转录的因子。

α-螺旋-转角-α-螺旋的结构(a)以及与DNA的相互作用;(b)3个圆柱代表3个螺旋,线表示非螺旋区域

转录因子DNA结合域的三维构型

螺旋-环-螺旋的结构(a)以及与DNA的相互作用(b)

转录因子DNA结合域的三维构型

锌指结构(a)以及与DNA的相互作用(b)

转录因子DNA结合域的三维构型

亮氨酸拉链的结构(a)以及与DNA的相互作用(b)

转录因子DNA结合域的三维构型

(二)转录水平的调控

4、酵母菌乳糖代谢的正调控 :

在没有半乳糖时,基因不表达。

加入半乳糖后,mRNA浓度可迅速增加1000倍。但是只

有在低浓度葡萄糖存在时,才出现这种诱导表达,说明

酵母半乳糖基因表达也是受另一种方式调控的,即代谢

调控。

半乳糖基因是受GAL4调控蛋白调控,调控蛋白存在时激

活基因转录,因此酵母半乳糖基因表达是正调控。

(二)转录水平的调控

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

在不同的细胞中表达。不同的启动子可产生不同的初级

转录产物和相同的蛋白质编码序列。

如果蝇的乙醇脱氢酶基因分别具有幼虫和成虫启动子。

(二)转录水平的调控

6、 选择性mRNA切割 :

同一初级转录产物在不同的细胞中可以用不同方式切割加工,形成

不同的成熟mRNA分子,使翻译成的蛋白质在含量或组成上都可能

不同。

例如:老鼠的α-淀粉酶基因,肝脏和腺体中的不同切割,外显子S

和L分别成为腺体和肝脏mRNA的前导序列,形成不同mRNA以

不同速率翻译成蛋白质。

(二)转录水平的调控

7、激素的调控作用 :

双翅目昆虫幼虫唾腺细胞内有巨大的唾腺染色体,在幼虫发育

不同阶段,一个或几个横带发生疏松现象(puff),即染色丝高度

松散而不缠绕,疏松区出现大量新合成mRNA,疏松区出现的

时间和部位随着发育阶段而顺序消长。

在幼虫蜕皮时发生疏松与幼虫体内分泌蜕皮激素有关。

(三)翻译水平的调控

真核生物翻译多肽的过程是在细胞质中发生的,所以受细胞质

中调节机制的控制和影响。

阻遏蛋白与特异mRNA序列结合,导致蛋白质翻译受阻。

翻译形成的蛋白质还需要经过加工修饰后,才具有活性。

(1)蛋白质折叠

(2)蛋白酶切割:末端切割 、多聚蛋白质切割

(3)蛋白质的化学修饰:乙酰化、甲基化、磷酸化 、糖基化

(4)蛋白质内含子