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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
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
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)
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
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。
(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。