南京农大-第八章--基因表达与调控.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 基因的概念,经典遗传学：遗传物质的传递规律,分子遗传学（1953，Watson&Crick）：,基因的本质化学、结构,基因的功能基因表达、调控与性状表现,基因的变化基因突变等,一、经典遗传学中基因的概念,功能单位：控制一个或者几个性状。,结构单位：染色体片段基因位点（locus）与,染色体一起有丝分裂和减数分裂。,是突变最小单位：A,a,是交换最小单位：AB,经典遗传学认为：基因是遗传上最小的结构与功,能单位，不能分割。是结构与,功能的统一体,二、分子遗传学中基因的概念,基因的本质：,（,1,）基因是特定,长度,和,碱基序列,的,DNA,片段,（,2,）核苷酸序列中蕴藏着遗传信息：,mRNA,多肽,DNA,tRNA,rRNA,调节基因,无翻译产物,翻 译,转 录,无转录产物,结构基因,Oliver的两个学生设计了一个更巧妙的实验，证明了同,一个基因内部的不同座位之间可以发生交换,，而且排除了突变的可能性：,yy aprapr splspl w Y,（黄身、杏黄眼、分叉刚毛）（灰身、白眼、直刚毛）,F,1,X染色体,y,+,apr +,+w,spl,+,0 1.5 3.0,y apr +spl,由于apr 和 w都位于X的1.5位点，是等位基因。让该F1自交，F2不应该有,红眼,个体出现。但结果却是出现了0.1%的红眼：,如果是回复突变：红眼果蝇应该是黄身、,分叉刚毛，或者灰身、直刚毛。,如果是在图示位置发生交换：,红眼都是灰,身、分叉刚毛。,实验证明：红眼都是灰身、分叉刚毛，所以是基因位点内部两个座位之间交换的结果。,（2）顺反测验,基因既然可以划分为不同的遗传单位，那么基因的界限在哪儿？,顺反测验,概念,：,顺式（cis）同侧，像“相引相”,反式（trans）不同侧，像“相斥相”,步骤：,创建双突变杂合二倍体：,注意：,a,1,、,a,2,是基因产物相同或者相似的突变基因,有无互补作用？,A B,a b,A b,a B,+,a,1,a,2,+a,2,a,1 +,顺式 反式,a,1、,a,2,a1、a2,等位基因 非等位基因,+,a,1,a,2,+a,2,a,1 +,野生型,gene1 gene2,野生型,突变型,gene1 gene2,野生型 突变型,顺式：,反式：,DNA 转录 mRNA mRNA,顺式：无论a1、a2 是否等位，都表现为野生型，因此在顺,反测验中只能起对照作用。,反式：顺反测验如果没有互补作用,a1、a2 等位基因,顺反测验如果有互补作用,a1、a2 非等位基因,顺反子,（,citron,）,：在顺反测验中没有互补作用的所有座位的突变。是功能的最小单位。实际上相当于一个基因。,（,3,）基因的细微结构,T4,噬菌体,rII,区的细微结构,T4噬菌体染色体上有三个区段，决定三种快速溶菌类型：,rI,，,rII,，,rIII,(,注意：第七章噬菌体作图时的,r,是,T2,的基因,),Benzer,（,1950,）对,rII,深入研究：,首先：,获得了,2000,多个独立的突变株，估计有,400500,个,突变位点。,其后：,双重感染,E.coli,B,（同时），形成双突变杂合二倍,体，进行互补测验。发现突变体可以分为,rIIA,和,rIIB,二组：其中只有分别属于,rIIA,和,rIIB,的突变,体之间可以互补，而,rIIA,或者,rIIB,内部的突变体之,间没有互补效应,rII,区有,A,、,B,二个顺反子。,最后：,作连锁图：,r,x,r,y,重组值,双重感染,E.Coli B,+r,x,r,y,+,+r,y,r,x,+,+r,y,r,x,+,r,x,r,y,+,E.Coli B,E.Coli K12(,),所有基因型噬菌斑,野生型噬菌斑,2,E.Coli K12(,)噬菌斑数,E.Coli B噬菌斑数,100%,顺反子（citron）是功能的基本单位，但是一个顺反子内部,同的区段可以发生基因突变,突变子（muton）：突变的最小单位。,重组子（recon）：重组的最小单位。重组子作图。,i.e.基因不是最小的（遗传）结构单位。,高等动植物的复等位基因,a1,A a2,基因突变的多方向性：即同一个,a3,基因内部不同座位发生突变。,a4,如何判断是否是复等位基因？顺反测验,等位性测验,3.,基因概念的发展：,移动基因（跳跃基因）：转座子,断裂基因：内含子、外显子,重叠基因：同一段DNA不同的读码或终止方式，产生不,同的表达产物。一般常见于原核生物。,假基因：与正常基因序列高度同源，但是不表达。,4.基因与性状表达,基因（DNA）,mRNA 蛋白质,tRNA,rRNA,A,B,A,B,结构蛋白,酶蛋白,性状表现,代谢,例1：,人的镰形红血球贫血症,S,(G,T,A,Val,),A,(GAA,Glu),C,(,A,AA,Lys),豌豆：圆粒皱粒,R淀粉分支酶（SBE）基因正常，淀粉粒形成,圆,粒豌豆。,r SBE基因插入失活（0.8kb），蔗糖积累,皱粒。,Beadle,G W&Tatum,E L：“一个基因一个酶”,“一个基因一个多肽”,一个多肽或多个多肽 生物性状。,局限性,例2 豌豆的圆粒与皱粒,第二节 基因表达的调控,基因表达的调控：,细胞、组织功能的分化,细胞的全能性与 不同发育阶段的分化。,不同环境,基因表达的时空调控。,一般表现两个层次：（1,）转录水平,（2）转录后水平,一、原核生物基因表达的调控,（一）主要在转录水平调控：,负调控：,gene ON OFF,正调控：,gene OFF ON,诱导：,活性阻遏蛋白,失活,诱导因子,非活性激活蛋白,活性,阻遏：,失活阻遏蛋白,活性,共阻遏蛋白,活性激活蛋白,失活,阻遏蛋白,激活蛋白,1.乳糖操纵元（lac operon）,（1）乳糖操纵元的结构,lac,I,lac,Z lacY lacA,P,lacI,P,lac,O,lac,RNA,DNA,lac,Z lacY lacA,lac,I,乳糖阻遏物（单体、四聚体）,-半乳糖苷酶,渗透酶 乙酰转移酶,Protein,乳糖 葡萄糖半乳糖,增加乳糖的吸收 功能未知,（2）乳糖操纵元转录调节,P,lac,lacZ,lacY,lacA,转录被阻滞,RNA,聚合酶,O,lac,被激活的乳糖阻抑物四聚体,乳糖,诱导物,（异乳糖）,失活的乳糖阻抑物-诱导物复合体,O,lac,Plac,lacZ,lacY,lacA,RNA,聚合酶,转录被诱导,lacZ lacY lacA,RNA,cAMP-CRP,Complex,Plac,弱启动子，当体内葡萄糖缺乏时，,cAMP,并与,cAMP,受体蛋白,(CRP),结合成复合物,再结合到图中的位置，可使,DNA,发生,90,0,弯曲，转录效率提高,50,倍,正调控,。,葡萄糖,cAMP,合成,lacZ,2.色氨酸操纵元,色氨酸操纵元的结构和色氨酸阻抑物的功能,弱化作用,前导序列可以组成性转录。,弱化子：,前导,RNA,结构,重要性：使色氨酸转录抑制,10,倍。,trpA,trpB,trpC,trpE,trpD,P,trp,O,trp,前导序列,a,前导肽,Trp 阻抑物 色氨酸,激活,RNA,trpE trpD trpC trpB trpA,色氨酸合成所需的酶,trpR,弱化子：缺失导致转录水平上升的不依赖于,因子的,DNA,序列，如果形成发夹结构就可以作为一个高效的转录终止子。,前导,RNA,序列,5,trp,mRNA,trp,L,1 2,3 4,寡聚U区,trpE,(a)正常,(b)高 Trp,1,2,转录终止,3 4,(C)低Trp,1,2 3,4,转录延伸,（二）翻译水平的调控,1.E.coli 核糖体合成反馈抑制：,核糖体合成过量,核糖体与本身mRNA的,（1）UTR（5非翻译区）结合或者,（2）Shine-dalgarno 序列（AGGAGGU与rRNA互,补配对）结合。,2.反义RNA：,与UTR或者,Shine-dalgarno结合,翻译,（一）真核生物基因表达的调控机制要复杂得多,1.基因组大得多：,重复序列,多个调节基因调控一个或多个结构基因,2.基因分布在不同染色体,3.复杂的染色质结构,（二）几种调控机制,1.DNA的改变,二、真核生物基因表达的调控,（1）基因剂量与基因扩增：,蟾蜍（昆虫、鱼、两栖）：卵母细胞发育,rDNA 600,210,6,，临时扩增 4000,倍。,癌细胞中的致癌基因。,（2）DNA重排,基因从远离启动子的位置移到距离启动子近的,位置，从而启动转录。,（3）DNA甲基化（去甲基化）,5-mC,CpG岛,N,6,-mA,7-mG,2.转录水平的调控,5,A,B,3,CAAT box,TATA box,翻译起始,翻译停止,TAA/TAG/TGA,加 Poly(A)信号,加帽，转录起始,信号肽序列,UTR,1,3,2,1,、2、3：外显子,A、B：内含子边界,真核基因的结构示意图,（1）顺式作用元件（DNA）调控作用：,a.,启动子,：基因转录起始位点（+1）到上游100-200bp以内,一组具有独立功能的DNA序列，每个元件,720bp，决定转录起始点和转录频率。,b.,增强子,：位于转录起始点上游（多数）、下游、内含子，,有的相距达 1 kb 的,DNA 序列,，长度,20bp，,与转录激活子结合，在合适转录因子存在时,表达某一基因，或通过竞争转录不同的基因。,c.,选择性启动子,：有些真核生物的基因具有两个或两个以上,的启动子，用于不同细胞中表达。,（2）反式作用因子（蛋白质）调控作用：,a.,转录因子,:可与 RNA 聚合酶和/或启动子/增强子结合的,蛋白质,，启动转录或转录延伸。包括,转录激活子。,反式作用因子的功能结构域：,I.DNA结合结构域（DNA Binding Domain）,螺旋转角螺旋（HTH）锌指（zinc finger）：,碱性亮氨酸拉链（bZIP）,II.转录活激活结构域（Transactivating domain）：,与RNA聚合酶或者其它转录因子结合，激活转录。,DBD：螺旋转角螺旋（HTH）,DBD：锌指（Zinc Finger）,DBD：碱性亮氨酸拉链（bZIAP）,（3）其它 调控途径：,a.,mRNA 的降解,：,3 非编码区 5-UUUA-3 是 RNA 快速降解的标志。,b.,选择mRNA切割,同一初级转录产物在不同细胞中以不同的方式切割,加工，形成不同的成熟mRNA,c,.,激素的调控作用,激素,双翅目昆虫唾腺染色体变化（唾腺染色体,疏松图式变化）,激素+受体转录因子磷酸化,d.,染色质的结构,3.翻译水平的调控,（1）mRNA 加尾:20 PolyA handreds of Poly A。,种子中mRNA加尾后才翻译。,（2）阻抑蛋白与 mRNA 结合 翻译受阻。,（3）蛋白质翻译后加工：,a.蛋白质折叠：蛋白质分子伴侣折叠,b.蛋白酶切割：,末端切割：原蜂毒（无毒）,蜂毒（有毒）,胰岛素的切割,信号肽的切割,胰岛素的切割,前体胰岛素,胰岛素原,胰岛素,信号肽：,N-端疏水性强的氨基酸组成，与膜脂容易结合，,内质网膜运输。切除后蛋白质有活性。,多聚蛋白质的切割：,一个多肽链切割成多个功能蛋白质，如动物激素。,c.,蛋白质化学修饰：,乙酰基、甲基、磷酸基、糖基,N,端、,C,端 或者侧链。,磷酸化：,糖基化：,Ser,、,Thr,O,糖基化,Asn,N,联糖基化,d.蛋白质内含子,Intein Extein Intein,成熟蛋白质,有核酸内切酶活性,