基因表達(dá)調(diào)控

1、第五節(jié)第五節(jié) 基因概念和基因作用基因概念和基因作用 的調(diào)控的調(diào)控一一、基因的概念和基因作用的調(diào)控基因的概念和基因作用的調(diào)控紫外燈下的紫外燈下的DNA孟德爾：孟德爾： 把控制性狀的因子稱為遺傳因子 如：豌豆紅花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。約翰生：約翰生： 提出基因(gene)這個(gè)名詞，取代遺傳因子。摩爾根：摩爾根： 對(duì)果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因 和染色體為主體的經(jīng)典遺傳學(xué)。 基因是化學(xué)實(shí)體，以念珠狀直線排列在染色體上。1 1經(jīng)典遺傳關(guān)于基因的概念經(jīng)典遺傳關(guān)于基因的概念：基因的基因的共性（共性（按照經(jīng)典遺傳學(xué)對(duì)基因的概念）：）： 功能單位：功能單位：控制性狀，自我復(fù)制

2、能力和相對(duì)穩(wěn)定性， 在分裂時(shí)有規(guī)律地進(jìn)行分配。 突變單位：突變單位：一個(gè)基因能突變?yōu)榱硪粋€(gè)基因。 交換單位：交換單位：基因間能進(jìn)重組，而且是交換的最小單位。 經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為：經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為：基因是一個(gè)最小的單位，不能分割。揭示遺傳密碼的秘密：基因 具體物質(zhì)。 具體內(nèi)容： 一個(gè)基因 DNA分子上一定區(qū)段，攜帶有特殊的 遺傳信息 轉(zhuǎn)錄成RNA 翻譯成多肽鏈，或或?qū)ζ渌?基因的活動(dòng)起調(diào)控作用 ( 如調(diào)節(jié)基因、啟動(dòng)基因、 操 縱基因)?；虿皇亲钚∵z傳單位 更復(fù)雜的遺傳和變異單位 例如：例如：在一個(gè)基因區(qū)域內(nèi)，仍然可以劃分出若干 起作用的小單位。2 2分子遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念分子遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念：

3、現(xiàn)代遺傳學(xué)上認(rèn)為：現(xiàn)代遺傳學(xué)上認(rèn)為： 突變子：突變子：是在性狀突變時(shí)，產(chǎn)生突變的最小單位。 一個(gè)突變子可以小到只有一個(gè)堿基對(duì)；如移碼突變。 重組子：重組子：在性狀重組時(shí)，可交換的最小單位稱為重組子。一個(gè)交換子只包含一個(gè)堿基對(duì)。 順?lè)醋樱喉樂(lè)醋樱罕硎疽粋€(gè)作用的單位，基本上符合通常所描的基因大小或略小。 所包括的一段DNA與一個(gè)多肽鏈的合成相對(duì)應(yīng)，平均大小為5001500個(gè)堿基對(duì)?；蚋拍睿夯蚋拍睿?為一個(gè)多鏈編碼； 功能上被順?lè)礈y(cè)驗(yàn)或互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)所規(guī)定。 分子遺傳學(xué)保留了功能單位的解釋， 而拋棄 了最小結(jié)構(gòu)單位說(shuō)法。 基因：基因：相當(dāng)于一個(gè)順?lè)醋?，包含許多突變子和 重組子。重疊基因：重疊基因：指在

4、同一段DNA順序上，由于閱讀框架 不同或終止早晚不同，同時(shí)編碼兩個(gè)以 上基因的現(xiàn)象。3 3分子遺傳學(xué)對(duì)基因概念的新發(fā)展分子遺傳學(xué)對(duì)基因概念的新發(fā)展：ABCDEF隔裂基因：隔裂基因：指一個(gè)基因內(nèi)部被一個(gè)或更多不翻譯的編碼 順序即內(nèi)含子所隔裂。 內(nèi)含子內(nèi)含子：在DNA序列中，不出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段； 外顯子：外顯子：在DNA序列中，出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段。跳躍基因：跳躍基因：即轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座因子，指染色體組上可以轉(zhuǎn)移的基因。 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：能夠轉(zhuǎn)移位置的DNA片斷。 功能功能：可從這條然色體整合到另一條染色體上 引起插入突變、DNA結(jié)構(gòu)變異(如重復(fù)、缺失、畸 變)。突變的結(jié)果很易通過(guò)表現(xiàn)型變異

5、得到鑒別。 遺傳工程常用遺傳工程常用：轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法。 . 玉米轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)玉米轉(zhuǎn)座子系統(tǒng) 存在三種主要轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)主要轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)：自主因子自主因子 / 受控因子（受控因子（Ac/Ds）、）、突變子（突變子（Mu）系統(tǒng)）系統(tǒng)和突變抑制子（突變抑制子（spm/dspm）系統(tǒng)）系統(tǒng)。 Ac為自主型轉(zhuǎn)座子為自主型轉(zhuǎn)座子，全長(zhǎng)4.6kb，有一個(gè)11bp的插入重復(fù)對(duì)于轉(zhuǎn)座作用于是必須的，非自主型轉(zhuǎn)座子非自主型轉(zhuǎn)座子Ds也有一個(gè)11bp的插入重復(fù)，但要比Ac的短。Ds只有在Ac的轉(zhuǎn)座酶活性被激活后，才能發(fā)生的轉(zhuǎn)座作用。Dsl轉(zhuǎn)座子是第一個(gè)被序列分析的植物轉(zhuǎn)座子。 Mu系統(tǒng)轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)轉(zhuǎn)座子在玉米中被認(rèn)為具很高的誘

6、導(dǎo)突變率。Mu1轉(zhuǎn)座子從Adb1等位基因中被測(cè)序，長(zhǎng)度1.4kb。 spm長(zhǎng)度8.3kb。spm轉(zhuǎn)座子的移動(dòng)性受制于spm的TrpA蛋白。dspm轉(zhuǎn)座子要比spm轉(zhuǎn)座子更短。金魚草中的轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)金魚草中的轉(zhuǎn)座子系統(tǒng) 金魚草中最少含有四種轉(zhuǎn)座子四種轉(zhuǎn)座子，它們被定義為Tam。 Tam轉(zhuǎn)座子含有12或13bp的插入重復(fù)順序。 Tam1, Tam2和Tam3轉(zhuǎn)座子分別為15kb、5kb和3.6kb長(zhǎng)度。 Tam轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子已被應(yīng)用于控制花的生物合成基因研究。因?yàn)橥蛔兊慕Y(jié)果很突易通過(guò)表現(xiàn)型變異加以鑒定。 Tam、Ac 和spm轉(zhuǎn)座子具有很高的序列的相似性，它們切割和轉(zhuǎn)座可能具有相似的機(jī)理。 基因：一個(gè)

7、基因是編碼一條多肽鏈的一個(gè)片段，包括啟動(dòng)子、終止子、外顯子、內(nèi)含子二二、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)：基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)： 設(shè)設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立起源的隱性突變，具有類似的表現(xiàn)型。 判斷判斷是屬于同一個(gè)基因突變，還是屬于兩個(gè)基因的突變？即判斷是否屬于等位基因？即判斷是否屬于等位基因？ 建立雙突變雜合二倍體； 測(cè)定突變間有無(wú)互補(bǔ)作用； 由此來(lái)判斷是否屬于等位基因。1 1互補(bǔ)作用互補(bǔ)作用：無(wú)互補(bǔ)作用：無(wú)互補(bǔ)作用：則個(gè)體表現(xiàn)為突變型，突變來(lái)自同一個(gè)基 因，只能產(chǎn)生突變的mRNA，形成突變酶 和突變的表現(xiàn)型突變的表現(xiàn)型。 有互補(bǔ)作用：有互補(bǔ)作用：個(gè)體表現(xiàn)為野生型。 突變來(lái)自同一個(gè)基因，則每個(gè)突變的相對(duì)位點(diǎn)上都 有一個(gè)正常的野生

8、型基因，因而最終可以產(chǎn)生正常mRNA， 其個(gè)體表現(xiàn)型為野生型個(gè)體表現(xiàn)型為野生型。 本澤爾本澤爾：提出順?lè)醋禹樂(lè)醋樱?表示功能的最小 單位和順?lè)吹奈恢眯?應(yīng)?；パa(bǔ)測(cè)驗(yàn)（順?lè)礈y(cè)驗(yàn)）：互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)（順?lè)礈y(cè)驗(yàn)）：根據(jù)功能確定等位基因的測(cè)驗(yàn)。 順?lè)礈y(cè)驗(yàn)：順?lè)礈y(cè)驗(yàn)：根據(jù)順式表現(xiàn)型和反式表現(xiàn)型來(lái)確定兩個(gè)突變體 是否屬于同一個(gè)基因（順?lè)醋樱?順式排列為對(duì)照（是兩個(gè)突變座位位于同一條的染色體上），不進(jìn)行測(cè)試，其表現(xiàn)型 野生型。 實(shí)質(zhì)上是實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行進(jìn)行反式測(cè)驗(yàn)反式測(cè)驗(yàn)（反式排列：是兩個(gè)突變座位位于不同的染色體上）。 .反式排列為野生型：突變分屬于兩個(gè)基因位點(diǎn)； .反式排列為突變型：突變分屬于同一基因位點(diǎn)。2 2基

9、因的微細(xì)結(jié)構(gòu)：基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)： 本澤爾利用經(jīng)典的噬菌體突變和重組技術(shù) 詳細(xì)分析T4 噬菌體r區(qū)基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)。原理：原理： r r+ + 野生型野生型T T4 4噬菌體：噬菌體：侵染E. coli B株和K12株 rr突變型突變型T T4 4噬菌體：噬菌體：只能侵染B株，不能侵染K12()株。利用上述特點(diǎn): 讓兩個(gè)r突變型雜交 K12()株選擇重組體r+ 計(jì)算出兩個(gè)r+ 突變座位間的重組頻率。方法方法兩種r突變類型： rx、ry r+ rx ryr+ 混合感染混合感染 E.coli B株 接種 B株 K12()株 計(jì)數(shù)r+ ry、rxr+ r+ r+r+ r+、rxry 僅生長(zhǎng)一四種基因型 種

10、重組型均能生長(zhǎng)結(jié)果：結(jié)果： .重組值計(jì)算：重組值計(jì)算： rxry的數(shù)量與r+r+ 相同，計(jì)算時(shí)r r+ +r r+ + 噬菌體數(shù)2?？梢垣@得小到0.001，即十萬(wàn)分之一的重組值。 利用大量r區(qū)內(nèi)二點(diǎn)雜交的結(jié)果，繪制出rr區(qū)座區(qū)座位間微細(xì)的遺傳圖位間微細(xì)的遺傳圖：r47 r104 r101 r106 r31 r107 1.3 1.0 1.6 1.9 1.6%100B)(K2%100rr212株上生長(zhǎng)的噬菌斑總數(shù)株上生長(zhǎng)的噬菌斑數(shù)總噬菌體數(shù)噬菌體數(shù)重組值. r r突變體類型： r rA、 r rB： 兩個(gè)r rA 突變體 K12 無(wú)噬菌體繁殖 兩個(gè)r rB 突變體 K12 無(wú)噬菌體繁殖 r rA

11、r rB突變體 K12 噬菌體繁殖 r rA與r rB區(qū)段可以互補(bǔ)，分屬于不同基因座位。rRNArRNA 如發(fā)生致死突變，不能形成核糖體，易死亡tRNAtRNA 發(fā)生突變后， 多肽鏈改變。三三、基因的作用與性狀的表達(dá)基因的作用與性狀的表達(dá)：轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白生物酶直接間接某段DNAmRNAmRNA性性狀狀1個(gè)基因，10個(gè)蛋白，10種修飾蛋白分子的不同狀態(tài) 共價(jià)修飾：磷酸化，糖基化，脂化，亞硝基化，乙?；?，泛素化。 細(xì)胞中定位：一個(gè)或幾個(gè)定位，細(xì)胞核，細(xì)胞質(zhì)，原生質(zhì)膜，線粒體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。 配體的存在：小分子和離子對(duì)蛋白的結(jié)合改變蛋白的狀態(tài)，影響活性 可變剪接，一種蛋白產(chǎn)生不同的形式蛋白分子的不

12、同狀態(tài) 蛋白酶剪切：氨基和羧基剪切，產(chǎn)生蛋白的不同截?cái)嘈问?，性質(zhì)改變。 寡聚狀態(tài)：與其它蛋白形成復(fù)合體 蛋白構(gòu)象改變：三級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)控蛋白功能 基因的變異 直接影響蛋白質(zhì)特性，表現(xiàn)出不同遺傳性狀。例如人的鐮形紅血球貧血癥例如人的鐮形紅血球貧血癥。 紅血球碟形 HbA 突變突變 Hbs Hbc 紅血球鐮刀形 血紅蛋白分子有四條多血紅蛋白分子有四條多肽肽鏈：鏈： 兩條鏈(141個(gè)氨基酸/條)、 兩條鏈(146個(gè)氨基酸/條)。 HbA、Hbs、Hbc氨基酸組成的差異在于鏈上第鏈上第6 6位上位上的的氨基酸氨基酸： HbA第6位為谷氨酸谷氨酸（GAA）； Hbs第6位為纈氨酸纈氨酸（GUA）； Hbc第6

13、位為賴氨酸賴氨酸（AAA）。 1.1.結(jié)構(gòu)蛋白：結(jié)構(gòu)蛋白：產(chǎn)生貧血癥的原因：產(chǎn)生貧血癥的原因： 僅由單個(gè)堿基的突變，引起氨基酸的改變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化，直接產(chǎn)生性狀變化。 由正常的碟形紅血球轉(zhuǎn)變?yōu)殓牭缎渭t血球， 缺氧時(shí)表現(xiàn)貧血癥。HbHbA A Hb Hbs s HbHbc c2. 酶蛋白：酶蛋白：例如：例如：豌豆 高桿(TT) 矮桿(tt) F1 高桿(Tt) T基因酶蛋白質(zhì)赤霉素合成細(xì)胞正常伸長(zhǎng)t基因不合成酶無(wú)功能酶不產(chǎn)生赤霉素細(xì)胞不能正常伸長(zhǎng) 產(chǎn)生多肽，有表型；基因 產(chǎn)生tRNA, rRNA，無(wú)表型； 不轉(zhuǎn)錄mRNA, 對(duì)其它基因起調(diào)控作用。 如果把一種生物的整套遺傳密碼比作一本密

14、碼字典，則該種生物的每個(gè)細(xì)胞中都有這本字典。 為什么為什么基因只有在它應(yīng)該發(fā)揮作用的細(xì)胞內(nèi)和應(yīng)該發(fā)揮作用的時(shí)間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)呈現(xiàn)活化狀態(tài)? 結(jié)論：結(jié)論： 必然有一個(gè)基因作用的調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控系統(tǒng)在發(fā)揮作用。* * 四四、基因作用的調(diào)控：基因作用的調(diào)控：基因調(diào)控主要在三個(gè)水平上進(jìn)行：. DNA水平上調(diào)控。. 轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控。. 翻譯水平上調(diào)控。1 1基因作用調(diào)控的類型基因作用調(diào)控的類型：操縱子操縱子：細(xì)菌的主要基因調(diào)控單位，也就是轉(zhuǎn)錄單位。 如：大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)控需要三種酶參加：. - -半乳糖酶：半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；. 滲透酶：滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖；.

15、 轉(zhuǎn)乙轉(zhuǎn)乙酰酰酶：酶： -半乳糖轉(zhuǎn)變成乙酰半乳糖。 大量乳糖時(shí)：大腸桿菌三種酶的數(shù)量急劇增加，幾分鐘內(nèi)達(dá)到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加； 乳糖用完：這三種酶的合成也即同時(shí)停止。2 2原核生物的基因調(diào)控：原核生物的基因調(diào)控： 基因調(diào)控多數(shù)發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上。3219611961年，年，Jacob F.Jacob F.和和Monod J.Monod J.的的操縱子模型操縱子模型：IP OzyAIP OzyAI mRNA阻遏物結(jié)合在O基因上阻礙ZYA基因的轉(zhuǎn)錄I mRNAlac mRNA-半乳糖酶 滲透酶半乳糖結(jié)構(gòu)基因: z：-半乳糖酶基因；y：滲透酶基因 a：轉(zhuǎn)乙酶基因O：操縱基因 i：調(diào)節(jié)基

16、因3 3真核生物的基因調(diào)控真核生物的基因調(diào)控： 缺少比較成熟的理論。 .基因丟失：基因丟失：發(fā)育過(guò)程中，一些組織的細(xì)胞丟失了某些基因，決定細(xì)胞分化。 如：原生動(dòng)物（馬蛔蟲）、昆蟲、甲殼綱動(dòng)物.基因擴(kuò)增：基因擴(kuò)增： 某一組織細(xì)胞在短期內(nèi)某一基因的拷貝數(shù)大量擴(kuò)增的現(xiàn)象。 如：非洲爪蟾的卵母細(xì)胞rRNA 基因，原有500個(gè)拷貝,到粗線期有200萬(wàn)個(gè)，擴(kuò)增近4000倍。燈刷染色體燈刷染色體上大量擴(kuò)增rRNA基因. 激素誘導(dǎo)激素誘導(dǎo) 在 真 核 生物內(nèi)，調(diào)控信號(hào)來(lái)自體內(nèi)激素，這些可擴(kuò)散的物質(zhì)稱為反式作用因子。. 增強(qiáng)子：增強(qiáng)子： 指能使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增強(qiáng)的DNA序列。 例如兔子兔子SV40SV40基因基因（猿猴病毒）。 SV40DNA-血紅蛋白基因, 嵌合基因（-血紅蛋白基因）大量表達(dá)，SV40 DNA中的140bp 序列具有增強(qiáng)子功能。 .異染色質(zhì)化和染色質(zhì)的活化：異染色質(zhì)化和染色質(zhì)的活化： 真核生物可以改變?nèi)旧w某一區(qū)域的異染色質(zhì)化程度可以改變?nèi)旧w某一區(qū)域的異染色質(zhì)化程度而控制基因的表達(dá)。 異染色質(zhì)化異染色質(zhì)化：染色質(zhì)處于固縮的狀態(tài),基因關(guān)閉； 染色質(zhì)活化染色質(zhì)活化也能控制基因的活化。 高等生物核內(nèi)染色體上的基因活性在很大程度上