遺傳學(xué)幻燈14課件

第十四章基因表達(dá)的調(diào)控

每個(gè)細(xì)胞都含有整套遺傳密碼，只是這本密碼在每個(gè)細(xì)胞中并不全部譯出應(yīng)用，而是不同細(xì)胞選用其中各自需要的密碼子加以轉(zhuǎn)錄和翻譯。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，才呈現(xiàn)活化狀態(tài)，而在它不應(yīng)該發(fā)揮作用的時(shí)間和細(xì)胞內(nèi)，則處于不活化的狀態(tài)呢？這種控制特定基因產(chǎn)物合成的機(jī)制稱為基因調(diào)控。

第一節(jié)基因的概念與發(fā)展一、經(jīng)典遺傳學(xué)

→孟德爾稱控制性狀的因子為遺傳因子

→1909年約翰生提出了基因這個(gè)名詞，取代孟德爾的遺傳因子→摩爾根等人對(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)

二、現(xiàn)代遺傳學(xué)基因是DNA分子上的一定區(qū)段,攜帶有特殊的遺傳信息，可轉(zhuǎn)錄、翻譯，可對(duì)其他基因起調(diào)節(jié)作用

突變子：突變的最小單位基因重組子：交換的最小單位順反子（作用子）：功能單位

根據(jù)基因結(jié)構(gòu)和功能將基因分為：

(1)結(jié)構(gòu)基因：可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列

(2)調(diào)控基因：其產(chǎn)物參與調(diào)控其他結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因

(3)重疊基因：指同一段DNA的編碼順序，由于閱讀框架(ORF)的不同或終止早晚的不同，同時(shí)編碼兩個(gè)或兩個(gè)以上多肽鏈的現(xiàn)象(4)隔裂基因：指一個(gè)結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部為一個(gè)或更多的不翻譯的編碼順序，如內(nèi)含子所隔裂的現(xiàn)象(5)跳躍基因：可作為插入因子和轉(zhuǎn)座因子移動(dòng)的DNA序列，有人將它作為轉(zhuǎn)座子的同義詞(6)假基因：同已知的基因相似，但位于不同位點(diǎn)，因缺失或突變而不能轉(zhuǎn)錄或翻譯，是沒有功能的基因需要建立一個(gè)雙突變雜合二倍體，測(cè)定這兩個(gè)突變間有無互補(bǔ)作用順反測(cè)驗(yàn)基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)50年代的生化技術(shù)還無法進(jìn)行DNA的序列測(cè)定，本澤爾利用經(jīng)典的噬菌體突變和重組技術(shù)，對(duì)T4噬菌體rⅡ區(qū)基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析第二節(jié)原核生物的基因調(diào)控DNA元件:DNA上一段順序，作為一種原位順序具有特殊的功能。由于它只能作用同一條DNA，故稱順式作用元件。順式作用位點(diǎn)通?？偸窃诎谢虻纳嫌畏词阶饔靡蜃樱赫{(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物可以自由地結(jié)合到其相應(yīng)的靶上負(fù)調(diào)控：存在細(xì)胞中的阻遏物阻止轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)控

正調(diào)控：調(diào)節(jié)蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互作用來幫助起始。誘導(dǎo)物通常與另一蛋白質(zhì)結(jié)合形成一種激活子復(fù)合物，與基因啟動(dòng)子DNA序列結(jié)合，激活基因起始轉(zhuǎn)錄原核生物中基因表達(dá)以負(fù)調(diào)控為主,真核生物中則主要是正調(diào)控機(jī)制

圖14-5正調(diào)控和負(fù)調(diào)控

1、乳糖操縱元模型

大腸桿菌的乳糖降解代謝途徑：Monod等（1946）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大腸桿菌生長(zhǎng)在含有乳糖的培養(yǎng)基上時(shí)，乳糖代謝酶濃度急劇增加；當(dāng)培養(yǎng)基中沒有乳糖時(shí)，乳糖代謝基因不表達(dá)，乳糖代謝酶合成停止。Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操縱元模型，用來闡述乳糖代謝中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制

圖14－6乳糖操縱元模型通過遺傳分析證明lac操縱元的存在；已經(jīng)分離出阻遏蛋白，并成功地測(cè)定了阻遏蛋白的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，以及阻遏蛋白與誘導(dǎo)物及操縱子序列結(jié)合的結(jié)構(gòu)

→當(dāng)cAmp-CAP復(fù)合物二聚體插入到lac啟動(dòng)子區(qū)域特異核苷酸序列時(shí)，使啟動(dòng)子DNA彎曲形成新的構(gòu)型，RNA聚合酶與這種DNA新構(gòu)型的結(jié)合更加牢固，因而轉(zhuǎn)錄效率更高?！谄咸烟谴嬖跁r(shí)，不能形成cAmp，也就無操縱元的正調(diào)控因子cAmp-CAP復(fù)合物，因此基因不表達(dá)。

乳糖操縱元的正調(diào)控2、色氨酸操縱元

大腸桿菌色氨酸操縱元是合成代謝途徑中基因調(diào)控的典型例子：色氨酸操縱元包括色氨酸合成中5種酶的結(jié)構(gòu)基因。當(dāng)培養(yǎng)基中有色氨酸時(shí)，色氨酸操縱元5種酶的轉(zhuǎn)錄同時(shí)受到抑制；色氨酸供應(yīng)不足時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)錄色氨酸直接作為阻遏物而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控色氨酸mRNA的轉(zhuǎn)錄。因此trp操縱元是一個(gè)典型的可阻遏操縱元

活性的阻遏物與操縱子結(jié)合并不足以抑制轉(zhuǎn)錄的起始衰減子與衰減作用：1）在高濃度色氨酸存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄的前導(dǎo)序列mRNA只含有140個(gè)核苷酸，其中有一段28bp的衰減子區(qū)域，它在轉(zhuǎn)錄后可迅速形成發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄時(shí)不能通過這種發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)。所以衰減子是一種:內(nèi)部終止子2）無色氨酸時(shí)，由于前導(dǎo)肽中色氨酸密碼子的作用，使衰減子不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)而成為單鏈，繼續(xù)向前轉(zhuǎn)錄

二、翻譯水平的調(diào)控

1、反饋調(diào)控機(jī)制如果某種蛋白質(zhì)過量積累，將與其自身的mRNA結(jié)合，阻止進(jìn)一步翻譯這種結(jié)合位點(diǎn)通常包括mRNA5’端非翻譯區(qū)，也包括啟動(dòng)子區(qū)域的Shine-Dalgarno(SD)序列

調(diào)控發(fā)生在:DNA水平轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后修飾翻譯水平翻譯后修飾等多種層次多數(shù)基因表達(dá)調(diào)控發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平一、染色質(zhì)水平調(diào)控

1、異染色質(zhì)化常染色質(zhì)變成異染色質(zhì)也是真核生物的一種表達(dá)調(diào)控的途經(jīng)

2、組蛋白質(zhì)修飾和非組蛋白的作用組蛋白:若被組蛋白覆蓋的基因要表達(dá)，組蛋白必須被修飾，使其和DNA的結(jié)合由緊變松，這樣DNA鏈才能和RNA聚合酶或調(diào)節(jié)蛋白相互作用。組蛋白的作用本質(zhì)上是真核基因調(diào)節(jié)的負(fù)控制因子，即它們是基因表達(dá)的抑制物非組蛋白:打開特異基因的分子，具有組織特異性，在基因表達(dá)調(diào)節(jié)、細(xì)胞分化控制以及生物的發(fā)育中起著很重要的作用

3、DNA酶的敏感區(qū)域

超敏感區(qū)域(位點(diǎn)):具有轉(zhuǎn)錄活性基因周圍的DNA區(qū)域有一個(gè)中心區(qū)域，對(duì)DNA聚合酶Ⅰ高敏感這些位點(diǎn)或區(qū)域?qū)⑹紫仁艿紻NA聚合酶Ⅰ的剪切，DNA暴露區(qū)域（轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近）

4、核基質(zhì)蛋白

染色質(zhì)并不漂浮在核內(nèi)，而是結(jié)合在核基質(zhì)（骨架蛋白）上這種結(jié)合是特異性的，這種特異性的結(jié)合對(duì)于控制基因的活性是有用的

二、DNA水平的調(diào)控1、基因擴(kuò)增

基因擴(kuò)增：細(xì)胞內(nèi)特定基因拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象

人類癌細(xì)胞中的許多致癌基因，經(jīng)大量擴(kuò)增后高效表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)失控。有些致癌基因擴(kuò)增的速度與病癥的發(fā)展及癌細(xì)胞擴(kuò)散程度高度相關(guān)。

2、基因重排

基因重排：DNA分子核苷酸序列的重新排列重排不僅可以形成新的基因，還可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)。基因組中的DNA序列重排并不是一種普遍方式，但是一些基因調(diào)控的重要機(jī)制

圖14-14抗體分子的基本結(jié)構(gòu)一個(gè)抗體分子包括兩條重鏈(H)和兩條輕(L)。氨基端(N)是變異區(qū)(V)，羧基端(C)是恒定區(qū)(C)動(dòng)物抗體基因重排VC人類第14號(hào)染色體上抗體重鏈基因片段(A)和抗體重鏈基因的構(gòu)建(B)抗體基因重排中各個(gè)片段之間的隨機(jī)組合，可從約300個(gè)抗體基因中產(chǎn)生108個(gè)抗體分子

3、DNA甲基化真核生物中，少數(shù)胞嘧啶第5碳上的氫被一個(gè)甲基取代--甲基化。甲基化降低轉(zhuǎn)錄效率三、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控1、順式作用元件(1)啟動(dòng)子與轉(zhuǎn)錄因子

同原核生物一樣，真核生物基因啟動(dòng)子包括所有順式調(diào)控元件及RNA聚合酶識(shí)別位點(diǎn)，可以起始轉(zhuǎn)錄形成RNA轉(zhuǎn)錄因子:激活真核生物基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)真核生物基因轉(zhuǎn)錄與原核生物的一個(gè)重要區(qū)別是：真核生物基因的啟動(dòng)子必須與一系列轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，才能在RNA聚合酶的作用下起始轉(zhuǎn)錄

圖14-16真核生物5′端的順式調(diào)控元件(2)增強(qiáng)子

轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子:真核生物基因轉(zhuǎn)錄中的另一種順式調(diào)控元件，通常位于啟動(dòng)子上游700-1000bp處，離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)較遠(yuǎn)

增強(qiáng)子主要有兩個(gè)功能:①與轉(zhuǎn)錄激活子結(jié)合，改變?nèi)旧|(zhì)的構(gòu)型②使DNA彎曲形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使增強(qiáng)子與啟動(dòng)子直接接觸，以便通用轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄激活子、RNA聚合酶一起形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，從而提高mRNA合成效率

圖14-18轉(zhuǎn)錄復(fù)合體2、反式作用因子

根據(jù)靶位點(diǎn)的特點(diǎn)反式作用因子分為3類：（1）通用反式作用因子（2）特殊組織與細(xì)胞中的反式作用因子（3）反應(yīng)性元件相結(jié)合的反式作用因子

反式作用因子通過不同途經(jīng)發(fā)揮調(diào)控作用：（1）蛋白質(zhì)和DNA相互作用（2）蛋白質(zhì)和配基結(jié)合（3）蛋白質(zhì)之間的相互作用以及蛋白質(zhì)的修飾等

圖14-19α-螺旋-轉(zhuǎn)角-α-螺旋圖14-20由Cys-His與鋅離子形成的具有三個(gè)手指的鋅指構(gòu)型(a)模式圖(b)與DNA結(jié)合，一個(gè)手指與DNA大溝結(jié)合

圖14-21亮氨酸拉鏈二聚體(a)模式圖(b)與DNA結(jié)合時(shí)的剪刀狀構(gòu)型酵母菌半乳糖代謝的正調(diào)控

酵母菌半乳糖酶基因的作用方式與細(xì)菌中的lac操縱元相似：無半乳糖時(shí)，基因不表達(dá)；加入半乳糖后，mRNA濃度迅速增加1000倍四、翻譯水平的調(diào)控

真核生物中，如果翻譯過程被抑制，則已經(jīng)轉(zhuǎn)錄的mRNA也不能翻譯成多肽，被迫以失活的狀態(tài)貯存起來植物的種子可以貯存很多年，一旦條件合適，即可發(fā)芽

1、mRNA運(yùn)輸：運(yùn)輸控制是對(duì)轉(zhuǎn)錄本從細(xì)胞核運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。尚不清楚mRNA是需要一個(gè)特殊的輸出信號(hào)還是屬于無規(guī)則