分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)-基因的表達(dá)與調(diào)控（普通遺傳學(xué)課件）

《遺傳學(xué)》基因的現(xiàn)代概念內(nèi)容一二三四五移動(dòng)基因假基因斷裂基因重復(fù)基因重疊基因一、移動(dòng)基因又稱為轉(zhuǎn)位因子，由于它可以從染色體基因組上的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，甚至在不同的染色體之間躍遷，因此又叫做跳躍基因，最早在玉米中發(fā)現(xiàn)。它又分為插入序列、轉(zhuǎn)位子、逆轉(zhuǎn)座子。二、斷裂基因是指編碼序列不連續(xù)的間斷基因，最初在腺病毒中發(fā)現(xiàn)。三、假基因類似于基因但不表達(dá)的DNA序列。假基因又分為兩種：重復(fù)的假基因：許多假基因都是同親本基因連鎖的，而且同其編碼區(qū)及側(cè)翼序列的DNA具有很高的同源性。加工的假基因：這類假基因沒有與“親本基因”連鎖，而且其結(jié)構(gòu)是同轉(zhuǎn)錄本而非“親本基因”類似。加工的假基因與轉(zhuǎn)錄本都沒有啟動(dòng)子和內(nèi)含子，3’端都有poly（A）尾巴。人的α－及β－珠蛋白基因簇，Ψ表示假基因四、重復(fù)基因不重復(fù)的唯一序列（只有一個(gè)拷貝）：包括大多數(shù)編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因和基因間間隔序列；低度重復(fù)序列（＜10個(gè)拷貝）；中度重復(fù)序列（10到幾百個(gè)拷貝）；高度重復(fù)序列（幾百個(gè)拷貝到幾百萬個(gè)拷貝）。四、重復(fù)基因五、重疊基因類型：一個(gè)基因的核苷酸序列完全包含在另一個(gè)核苷酸序列中。由于它們的讀碼結(jié)構(gòu)互不相同，因此編碼著不同的蛋白質(zhì)。兩個(gè)基因的核苷酸序列之末端密碼子相互重疊?！哆z傳學(xué)》基因研究的主要發(fā)展過程內(nèi)容一二四五基因的定義基因研究發(fā)展的過程一、基因研究發(fā)展的過程一段可以編碼具有某種生物學(xué)功能物質(zhì)的核苷酸序列。（一）定義：一、基因研究的主要發(fā)展過程（二）基因研究的主要發(fā)展過程：1、1866年，孟德爾提出了遺傳因子的概念。他將控制豌豆性狀的遺傳因素稱之為遺傳因子形成了基因的雛形。一、基因研究的主要發(fā)展過程（二）基因研究的主要發(fā)展過程：2、1910年，美國(guó)遺傳學(xué)家摩爾根，以果蠅為研究材料，發(fā)現(xiàn)了連鎖交換定律并提出遺傳粒子學(xué)說，第一次將代表某一特定性狀的基因與某一特定的染色體聯(lián)系起來，即基因位于染色體上。觸須長(zhǎng)/短身體灰/黑眼睛紅/紫翅長(zhǎng)/短一、基因研究的主要發(fā)展過程（二）基因研究的主要發(fā)展過程：3、1944年，美國(guó)微生物學(xué)家O.T.Avery首次證實(shí)遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)是DNA，基因位于DNA上。35S標(biāo)記外殼蛋白質(zhì),感染后放射標(biāo)記不進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞32P標(biāo)記DNA,感染后放射標(biāo)記進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞一、基因研究的主要發(fā)展過程（二）基因研究的主要發(fā)展過程：4、1953年，J.Watson和F.Crike創(chuàng)立DNA雙螺旋模型，證實(shí)基因是具有一定遺傳效應(yīng)的DNA片段。ABZDNA雙螺旋模型說明DNA分子能夠充當(dāng)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。按照雙螺旋模型，在細(xì)胞分裂時(shí)，DNA的合成應(yīng)是“半保留復(fù)制”的模式。半保留復(fù)制一、基因研究的主要發(fā)展過程（二）基因研究的主要發(fā)展過程：5、1955年，Benzer在T4噬菌體的順反互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中，正式使用“順反子”這個(gè)術(shù)語，并將順反子與基因在意義上和功能上統(tǒng)一起來。同時(shí)證實(shí)了基因不是最小單位。它仍然是可分的；并非所有的DNA序列都是基因，只有其中某一特定的核苷酸區(qū)段才是基因的編碼區(qū)。一、基因研究的主要發(fā)展過程（二）基因研究的主要發(fā)展過程：6、1960年，F(xiàn).Jacob和J.Monmd提出了操縱元（操縱子）的概念，揭示了原核生物基因表達(dá)調(diào)控的重要規(guī)律。

調(diào)節(jié)基因

啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因組《遺傳學(xué)》乳糖操縱元內(nèi)容一二三四乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)乳糖操縱元乳糖操縱元的正調(diào)控乳糖操縱元的調(diào)控機(jī)理一、乳糖操縱元1、1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不斷完善。獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2、1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生“二次生長(zhǎng)曲線”。3、1951年，Monod與Jacob合作，發(fā)現(xiàn)兩對(duì)基因：Z基因：與合成β-半乳糖苷酶有關(guān)；I基因：決定細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)物的反應(yīng)。4、Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當(dāng)阻遏物存在時(shí)，酶無法合成，只有有誘導(dǎo)物存在，才能去掉該阻遏物。

5、Jacob：結(jié)構(gòu)基因旁有開關(guān)基因（操縱基因），阻遏物通過與開關(guān)基因的結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。二、乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)基因操縱元是一種完整的具有特定功能的細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)節(jié)的單位，包括調(diào)節(jié)基因，操縱位點(diǎn)，結(jié)構(gòu)基因，組成一個(gè)控制單元。結(jié)構(gòu)基因：產(chǎn)生mRNA,合成蛋白質(zhì)。操縱位點(diǎn)：promotor,operator：?jiǎn)?dòng)子結(jié)合位點(diǎn)調(diào)節(jié)基因：產(chǎn)生調(diào)節(jié)蛋白（與操縱位點(diǎn)結(jié)合）→結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)物存在時(shí)，可與阻遏蛋白結(jié)合→結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄三、乳糖操縱元的調(diào)控機(jī)理阻遏狀態(tài)體外結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn):

阻遏物先結(jié)合到RNA聚合酶位點(diǎn)上,基因不表達(dá)

RNA聚合酶先結(jié)合到位點(diǎn)上，基因表達(dá)四、乳糖操縱元的調(diào)控機(jī)理誘導(dǎo)狀態(tài)誘導(dǎo)作用：在可誘導(dǎo)的操縱元中，加入對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)作用的小分子后，開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性。四、乳糖操縱元的正調(diào)控(一)實(shí)驗(yàn)在乳糖和葡萄糖的培養(yǎng)基上，E.coli只利用葡萄糖，只有葡糖糖耗盡時(shí)，才會(huì)利用乳糖。（二）原因：葡萄糖抑制乳糖

mRNA的轉(zhuǎn)錄：可阻止誘導(dǎo)物引起的阻遏物失活效應(yīng)，僅去掉阻遏物并不能啟動(dòng)乳糖基因表達(dá),有其它因素參與，葡萄糖的降解是通過cAMP與CAP結(jié)合起作用的?！哆z傳學(xué)》色氨酸操縱元內(nèi)容一二三基因的組成色氨酸操縱元的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱元一、色氨酸操縱元生物細(xì)胞中的氨基酸合成，也受操縱元的調(diào)節(jié)。細(xì)胞需要某種氨基酸時(shí)，其基因即表達(dá)，不需要時(shí)基因關(guān)閉，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的原則。一、色氨酸操縱元不產(chǎn)生色氨酸代謝相關(guān)的酶產(chǎn)生色氨酸代謝相關(guān)的五個(gè)酶二、基因組成trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162結(jié)構(gòu)基因三、色氨酸操縱元的阻遏調(diào)控?zé)o活性的阻遏物有活性的阻遏物Trp有活性的阻遏物結(jié)合在啟動(dòng)子上，基因不表達(dá)。RNA聚合酶不能結(jié)合在啟動(dòng)子上阻遏蛋白＋色氨酸

→有活性的阻遏物結(jié)合在trpO上→不轉(zhuǎn)錄1、

阻遏調(diào)控三、色氨酸操縱元的阻遏調(diào)控2、

阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)trpO

-21~+1，反向重復(fù)序列trpP

-40~+18活性阻遏物與trpO的結(jié)合與RNApol與啟動(dòng)子的結(jié)合發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)三、色氨酸操縱元的阻遏調(diào)控3、阻遏系統(tǒng)主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)，在缺乏Trp時(shí)，mRNA起始合成，但不能自動(dòng)延伸，一般在trpE之前終止轉(zhuǎn)錄?！哆z傳學(xué)》色氨酸操縱元的弱化作用內(nèi)容一二阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)弱化作用一、弱化作用1、弱化子一、弱化作用一、弱化作用區(qū)3與區(qū)4結(jié)合，形成終止子結(jié)構(gòu)區(qū)2與區(qū)3結(jié)合，不形成終止子結(jié)構(gòu)一、弱化作用2、前導(dǎo)肽一、弱化作用2、前導(dǎo)肽一、弱化作用3、弱化作用低色氨酸時(shí)核糖體停在區(qū)1區(qū)2和區(qū)3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)trpE等基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄一、弱化作用3、弱化作用大量色氨酸時(shí)核糖體停在區(qū)1、2區(qū)3和區(qū)4形成終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu)trpE等基因不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄二、阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)阻遏效率:啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄起始頻率在R+和R-相差70倍弱化作用:

trp存在時(shí)，約有10％的RNApol僥幸轉(zhuǎn)錄

-trp

活性阻遏物－－－－→

無活性阻遏物

←－－－－

+trptrp操縱子具有雙重調(diào)節(jié)體系？二、阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)為什么需要阻遏體系？當(dāng)大量Trp

存在時(shí)，阻遏系統(tǒng)起作用。阻遏物與之結(jié)合，阻止先導(dǎo)mRNA合成。經(jīng)濟(jì)二、阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)為什么需要弱化系統(tǒng)？當(dāng)trp濃度低時(shí)，阻遏物從有活性變?yōu)闊o活性，速度極慢，不能很快引發(fā)trp

合成。因此需要一個(gè)能快速作出反應(yīng)的系統(tǒng)，以保持培養(yǎng)基中適當(dāng)?shù)膖rp水平。《遺傳學(xué)》真核生物DNA水平上的基因表達(dá)調(diào)控內(nèi)容一二三五基因擴(kuò)增基因重排基因丟失一、基因丟失（一）定義在細(xì)胞分化過程中，通過丟掉某些基因而去除其活性。例如某些原生動(dòng)物，線蟲、昆蟲、甲殼類動(dòng)物，體細(xì)胞常丟掉部分或整條染色體，只保留將來分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那套染色體。例如：在蛔蟲胚胎發(fā)育過程中，有27％DNA丟失。在高等動(dòng)植物中，尚未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。許多生物各類不同的細(xì)胞或細(xì)胞核都具有全能性。二、基因擴(kuò)增（一）定義在沒有發(fā)生細(xì)胞分裂，整條染色體幾乎沒有復(fù)制的情況下，細(xì)胞內(nèi)某些特定基因的拷貝數(shù)專一性增加的現(xiàn)象。二、基因擴(kuò)增1、為滿足正常的生長(zhǎng)發(fā)育需要如兩棲類和昆蟲卵母細(xì)胞rRNA基因的擴(kuò)增:卵母細(xì)胞中的rDNA拷貝數(shù)比體細(xì)胞中增加了4000倍，用于轉(zhuǎn)錄合成卵裂期所需要的1012個(gè)核糖體。

在果蠅濾泡細(xì)胞中，編碼卵殼蛋白的卵殼基因的擴(kuò)增。（二）原因二、基因擴(kuò)增2、外界環(huán)境因素引起基因擴(kuò)增基因擴(kuò)增與腫瘤形成及細(xì)胞衰老有關(guān)。在原發(fā)性的視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤中，含myc

原癌基因的DNA區(qū)段擴(kuò)增10－200倍。許多致癌劑可誘導(dǎo)DNA擴(kuò)增。（二）原因三、基因重排DNA水平基因表達(dá)調(diào)控的另一個(gè)途徑是在真核細(xì)胞分化過程中發(fā)生基因重排。基因重排是由特定基因組的遺傳信息決定的，重排后的基因序列轉(zhuǎn)錄成mRNA，翻譯成蛋白質(zhì)，在真核生物細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育中起關(guān)鍵作用。因此，盡管基因組中的DNA序列重排并不是一種普遍方式，但它對(duì)某些基因的表達(dá)調(diào)控而言是重要機(jī)制。三、基因重排1、特異性調(diào)節(jié)發(fā)生在特殊的細(xì)胞類型。例如：釀酒酵母接合型;哺乳動(dòng)物免疫球蛋白編碼區(qū)的連接。2、無序的發(fā)生在腫瘤細(xì)胞基因組中。特點(diǎn)三、基因重排釀酒酵母接合型的決定：1、單倍體細(xì)胞,aor

接合型不同接合型的細(xì)胞可以接合；相同接合型的細(xì)胞不能接合。2、MATa,MAT

接合型可互變a←→

3、需要HO基因，編碼內(nèi)切酶?！哆z傳學(xué)》真核生物轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控元件內(nèi)容一二真核生物基因調(diào)控的反式作用元件真核生物基因調(diào)控的順式作用元件真核生物轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控：真核生物細(xì)胞中有成千上萬個(gè)基因表達(dá)，不同類型細(xì)胞由不同組合的基因表達(dá)。那么，每種細(xì)胞如何保證正確的基因組合表達(dá)？一種途徑是基因重復(fù)：基因有多個(gè)拷貝，不同類型細(xì)胞表達(dá)不同的拷貝，不同拷貝的表達(dá)處于不同調(diào)控系統(tǒng)。另一種途徑是復(fù)合控制系統(tǒng)：真核生物單拷貝基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)。一、基因轉(zhuǎn)錄的順式調(diào)控元件由若干可以區(qū)分的DNA序列組成，并與特定的功能基因相連，組成基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控區(qū)，通過與相應(yīng)的反式作用因子結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。按照功能分為啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子。按照調(diào)控水平分為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄水平的順式調(diào)控元件，如啟動(dòng)子；特異誘導(dǎo)高效表達(dá)的順式調(diào)控元件，如增強(qiáng)子。（一）啟動(dòng)子（二）增強(qiáng)子——SV40增強(qiáng)子的特點(diǎn)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，不具有啟動(dòng)子專一性；功能與方向，位置無關(guān)；遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用(100~500bp，10Kb)；組織或細(xì)胞特異性；必須有兩個(gè)(以上)增強(qiáng)子成份緊密相連。(三)沉默子負(fù)調(diào)控元件,不受距離和方向限制，可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用；對(duì)真核生物成簇基因的選擇性表達(dá)起重要作用；例如：酵母，matingtype

?-珠蛋白ε基因簇對(duì)細(xì)胞亞型成熟過程中特異性的選擇表達(dá)。二、基因轉(zhuǎn)錄的