基因的表达与调控精选PPT.ppt

关于基因的表达与调控第1页，讲稿共89张，创作于星期日、经典遗传关于基因的概念：、经典遗传关于基因的概念：孟德尔：孟德尔：把控制性状的因子称为遗传因子。把控制性状的因子称为遗传因子。如：豌豆红花如：豌豆红花(C)、白花、白花(c)、植株高、植株高(H)、矮、矮(h)。约翰生：约翰生：提出基因提出基因(gene)这个名词，取代遗传因子。这个名词，取代遗传因子。摩尔根：摩尔根：对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基对果蝇、玉米等的大量遗传研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。因和染色体为主体的经典遗传学。基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。基因是化学实体，以念珠状直线排列在染色体上。第一基因的概念第一基因的概念一、基因的概念及其发展：一、基因的概念及其发展：第2页，讲稿共89张，创作于星期日基因的共性（基因的共性（按照经典遗传学对基因的概念）：按照经典遗传学对基因的概念）：染色体特性染色体特性：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时：自我复制能力和相对稳定性，在分裂时有规律地进行分配。有规律地进行分配。交换单位交换单位：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。：基因间能进重组，而且是交换的最小单位。突变单位突变单位：一个基因能突变为另一个基因。：一个基因能突变为另一个基因。功能单位功能单位：控制有机体的性状。：控制有机体的性状。经典遗传学认为经典遗传学认为：基因是一个最小的单位，不能分割；：基因是一个最小的单位，不能分割；既是结构单位，又是功能单位。既是结构单位，又是功能单位。第3页，讲稿共89张，创作于星期日、分子遗传学关于基因的概念：、分子遗传学关于基因的概念：揭示遗传密码的秘密：基因揭示遗传密码的秘密：基因具体物质。具体物质。基因不是最小遗传单位基因不是最小遗传单位更复杂的遗传和变异单位：更复杂的遗传和变异单位：具体内容：具体内容：一个基因一个基因DNA分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息分子上一定区段，携带有特殊的遗传信息或对其它基因的活动起调控作用或对其它基因的活动起调控作用(如调节基因、启动基因、操纵如调节基因、启动基因、操纵基因基因)。例如例如：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小单位。：在一个基因区域内，仍可以划分出若干起作用的小单位。转录成转录成RNA(包括包括mRNA、tRNA、rRNA)翻译成多肽链，翻译成多肽链，第4页，讲稿共89张，创作于星期日.现代遗传学上认为：现代遗传学上认为：突变子突变子：是在性状突变时，产生突变的最小单位。：是在性状突变时，产生突变的最小单位。一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。一个突变子可以小到只有一个碱基对；如移码突变。重组子重组子：在性状重组时，可交换的最小单位称为重组子。：在性状重组时，可交换的最小单位称为重组子。一个交换子只包含一个碱基对。一个交换子只包含一个碱基对。顺反子顺反子：表示一个作用的单位，基本上符合通常所述基：表示一个作用的单位，基本上符合通常所述基因的大小或略小。所包括的一段因的大小或略小。所包括的一段DNA与一个多肽链的合成与一个多肽链的合成相对应；平均大小为相对应；平均大小为5001500个碱基对。个碱基对。第5页，讲稿共89张，创作于星期日基因概念：基因概念：可转录一条完整的可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽链；分子或编码一个多肽链；功能上被顺反测验或互补测验所规定。功能上被顺反测验或互补测验所规定。基因基因：相当于一个顺反子，：相当于一个顺反子，包含许多突变子和包含许多突变子和重组子。重组子。分子遗传学保留了分子遗传学保留了功能单位功能单位的解释，而抛弃了最小结构单位说的解释，而抛弃了最小结构单位说法。法。第6页，讲稿共89张，创作于星期日、分子遗传学对基因概念的新发展、分子遗传学对基因概念的新发展结构基因结构基因(structuralgene)：指可编码指可编码RNA或蛋白质的一段或蛋白质的一段DNA序列。序列。将基因分为不同类型：将基因分为不同类型：第7页，讲稿共89张，创作于星期日调控基因调控基因(regulatorgene)：指其指其表达产物表达产物参与参与调控调控其它基因表达的基因。其它基因表达的基因。第8页，讲稿共89张，创作于星期日重叠基因重叠基因(overlappinggene)：指在同一段指在同一段DNA顺序上，由于阅读框架不同或终止顺序上，由于阅读框架不同或终止早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。早晚不同，同时编码两个以上基因的现象。AEBCFD第9页，讲稿共89张，创作于星期日隔裂基因隔裂基因(splitgene)：内含子内含子：在：在DNA序列中，不出现在成熟序列中，不出现在成熟mRNA中的片段；中的片段；外显子外显子：在：在DNA序列中，出现在成熟序列中，出现在成熟mRNA中的片段。中的片段。指一个指一个基因内部基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子内含子所隔裂。所隔裂。第10页，讲稿共89张，创作于星期日跳跃基因跳跃基因(jumpinggene)：即即转座因子转座因子，指染色体组上可以转移的基因。，指染色体组上可以转移的基因。实质：能够实质：能够转移位置的转移位置的DNA片断片断。功能：可从这条染色体功能：可从这条染色体整合整合到另一条染色体上到另一条染色体上引起引起插入插入突变、突变、DNA结构变异结构变异(如重复、缺失、畸变如重复、缺失、畸变)。突变的结果很容易。突变的结果很容易通过表现型变异得到鉴别。通过表现型变异得到鉴别。遗传工程常用：转座子标签法。遗传工程常用：转座子标签法。第11页，讲稿共89张，创作于星期日第12页，讲稿共89张，创作于星期日金鱼草转座子系统：金鱼草转座子系统：金鱼草中最少含有四种转座子（金鱼草中最少含有四种转座子（Tam），含有），含有12或或13bp的插入重复顺序。其中的插入重复顺序。其中Tam1、Tam2和和Tam3转座子分别为转座子分别为15kb、5kb和和3.6kb长度。长度。Tam转座子转座子用于控制花的生物合成基因研究。用于控制花的生物合成基因研究。突变结果很容易通过表现型变异加以鉴定。突变结果很容易通过表现型变异加以鉴定。第13页，讲稿共89张，创作于星期日.假基因假基因(pseudogene):同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转同已知的基因相似，处于不同的位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是录或翻译，是没有功能的基因没有功能的基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因。真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因。第14页，讲稿共89张，创作于星期日、互补作用：、互补作用：设设有两个独立起源的有两个独立起源的隐性突变隐性突变，具有类似的表现型。，具有类似的表现型。判断判断是属于同一个基因突变，还是属于两个基因的突变？是属于同一个基因突变，还是属于两个基因的突变？即判断是否属于等位基因？即判断是否属于等位基因？建立双突变杂合二倍体；建立双突变杂合二倍体；测定突变间有无互补作用。测定突变间有无互补作用。由此可判断由此可判断是否属于等位基因。是否属于等位基因。二、基因的微细结构二、基因的微细结构第15页，讲稿共89张，创作于星期日2有互补作用有互补作用：突变来自不同的突变来自不同的基因基因，则每个突的相对位点上都有，则每个突的相对位点上都有一个正常野生型基因一个正常野生型基因最终可产生最终可产生正常正常mRNA，其，其个体表现型为野生个体表现型为野生型型。1无互补作用无互补作用：突变来自同一个基因：突变来自同一个基因只能只能产生突变的产生突变的mRNA形成突变酶形成突变酶和个体，显示和个体，显示突变的表现型突变的表现型。则个体。则个体表现为突变型。表现为突变型。第16页，讲稿共89张，创作于星期日3互补测验（顺反测验）互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。：根据功能确定等位基因的测验。顺反测验：顺反测验：根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是根据顺式表现型和反式表现型来确定两个突变体是否属于同一个基因（顺反子）。否属于同一个基因（顺反子）。顺式排列为对照顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色体上），（是两个突变座位位于同一条染色体上），不进行测试，其表现型不进行测试，其表现型野生型。野生型。实质上是进行反式测验实质上是进行反式测验（反式排列：两个突变座位位于不（反式排列：两个突变座位位于不同的染色体上）。同的染色体上）。反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点；反式排列为野生型：突变分属于两个基因位点；反式排列为突变型：突变属于同一基因位点。反式排列为突变型：突变属于同一基因位点。本泽尔：本泽尔：提出顺反子，提出顺反子，表示功能的最小单位表示功能的最小单位和顺反的位置效应。和顺反的位置效应。第17页，讲稿共89张，创作于星期日第18页，讲稿共89张，创作于星期日、顺式与反式调控：、顺式与反式调控：假设某一基因的表达受一种假设某一基因的表达受一种调控蛋白质调控蛋白质(regulatorprotein)控制，只有在调控蛋控制，只有在调控蛋白质与该基因的白质与该基因的启动子位点启动子位点结合时，这个基因才能表达。如果这个基因的启动子结合时，这个基因才能表达。如果这个基因的启动子位点发生突变，调控蛋白不能识别这个位点，也就不能转录形成位点发生突变，调控蛋白不能识别这个位点，也就不能转录形成RNA，基因就，基因就不能表达不能表达(图图83)。1.顺式调控：顺式调控：如基因的如基因的启动子发生突变启动子发生突变，使得调控蛋白不能识别启动子结构，使得调控蛋白不能识别启动子结构，该基因就不能表达；该基因就不能表达；只影响基因本身只影响基因本身的表达，的表达，而不影响其它等而不影响其它等位基因的调控突变。位基因的调控突变。2.反式调控：反式调控：调控蛋白发生突变调控蛋白发生突变，不能与某基因的启动子结合，不能与某基因的启动子结合，还会还会影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点位点表达。表达。第19页，讲稿共89张，创作于星期日第20页，讲稿共89张，创作于星期日、基因的微细结构、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本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术详细分析详细分析T4噬菌体噬菌体r区基因的微细结构。区基因的微细结构。原理：原理：r+野生型野生型T4噬菌体噬菌体：侵染：侵染E.coli B株和株和K12株；形成小而边株；形成小而边缘模糊的噬菌斑。缘模糊的噬菌斑。r突变型突变型T4噬菌体噬菌体：只能侵染：只能侵染B株，不能侵染株，不能侵染K12()株。形成大株。形成大而边缘清楚的噬菌斑。而边缘清楚的噬菌斑。利用上述特点利用上述特点:让两个让两个r突变型杂交突变型杂交侵染侵染K12()株，选择重组体株，选择重组体r+r+计算计算两个两个r+突变座位间的重组频率。突变座位间的重组频率。第21页，讲稿共89张，创作于星期日方法：方法：两种两种r突变类型：突变类型：rx、ryr+rxryr+混合感染混合感染E.coli B株株接种接种K12()株株计数计数r+ry、rxr+r+r+、rxry四种基因型四种基因型均能生长均能生长r+r+仅生长仅生长一种重一种重组型组型B株株第22页，讲稿共89张，创作于星期日结果：结果：.重组值计算：重组值计算：rxry的数量与的数量与r+r+相同，计算时相同，计算时r+r+噬菌体数噬菌体数2。可以获得小到可以获得小到0.001，即十万分之一的重组值。，即十万分之一的重组值。利用大量利用大量r区内二点杂交结果，绘制出区内二点杂交结果，绘制出r区座位间区座位间微细的遗传图：微细的遗传图：第23页，讲稿共89张，创作于星期日.r突变体类型：突变体类型：rA、rB：两个两个rA突变体突变体K12无噬菌体繁殖无噬菌体繁殖两个两个rB突变体突变体K12无噬菌体繁殖无噬菌体繁殖rArB突变体突变体K12噬菌体繁殖噬菌体繁殖 rA与与rB区段可以互补，分属于不同基因座位。区段可以互补，分属于不同基因座位。第24页，讲稿共89张，创作于星期日三、基因的作用与性状的表达三、基因的作用与性状的表达 在生物的个体发育过程中，基因一旦处于在生物的个体发育过程中，基因一旦处于活化状态活化状态，就将它，就将它携带的遗传密码，通过携带的遗传密码，通过mRNAmRNA的转录与翻译，形成特异的蛋白质。的转录与翻译，形成特异的蛋白质。基因对于遗传性状表达的作用可分为基因对于遗传性状表达的作用可分为直接的与间接的直接的与间接的。基因的变异可以直接影响到蛋白质的特性，从而表现出不基因的变异可以直接影响到蛋白质的特性，从而表现出不同的遗传性状。同的遗传性状。但是在更普遍的情况下，基因是通过酶的合成，间接地影响生但是在更普遍的情况下，基因是通过酶的合成，间接地影响生物性状的表达。物性状的表达。第25页，讲稿共89张，创作于星期日某段某段DNA转录rRNA如发生致死突变，不能形成核糖体，如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。易死亡。tRNA发生突变后，发生突变后，多肽链改变。转录多肽链改变。转录mRNA翻译翻译蛋白质蛋白质结构蛋白结构蛋白直接生物酶生物酶间接性状性状第26页，讲稿共89张，创作于星期日1.结构蛋白结构蛋白基因变异基因变异直接影响蛋白质特性，表现出不同遗传性状。直接影响蛋白质特性，表现出不同遗传性状。例如人的镰形红血球贫血症。例如人的镰形红血球贫血症。HbA突变突变HbsHbc红血球镰刀形红血球镰刀形血红蛋白分子有四条多肽链：血红蛋白分子有四条多肽链：两条两条链链(141个氨基酸个氨基酸/条条)、两条两条链链(146个氨基酸个氨基酸/条条)。HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差氨基酸组成的差异在于异在于链上第链上第6位上氨基酸：位上氨基酸：HbA第第6位为位为谷氨酸谷氨酸（GAA)；Hbs第第6位为位为缬氨酸缬氨酸（GUA)；Hbc第第6位为位为赖氨酸赖氨酸（AAA）。）。红血球碟形红血球碟形第27页，讲稿共89张，创作于星期日产生贫血症的原因：产生贫血症的原因：单个碱基的突变单个碱基的突变引起氨基酸的改变引起氨基酸的改变导致蛋白质性质发导致蛋白质性质发生变化，直接产生性状变化。生变化，直接产生性状变化。正常碟形红血球转变为镰刀形红血球正常碟形红血球转变为镰刀形红血球缺氧时表现贫血症。缺氧时表现贫血症。HbAHbsHbc第28页，讲稿共89张，创作于星期日例如例如：豌豆：豌豆圆粒圆粒(RR)皱粒皱粒(rr)F1圆粒圆粒(Rr)F21/4皱粒皱粒2.酶蛋白酶蛋白表明：表明：R与与r基因控制豌豆籽粒的性状不是直接的，而是基因控制豌豆籽粒的性状不是直接的，而是通过指导淀粉分枝酶的合成通过指导淀粉分枝酶的合成间接间接实现的。实现的。同时揭示了同时揭示了基因控制性状表达基因控制性状表达的具体过程及分子基础。的具体过程及分子基础。第29页，讲稿共89张，创作于星期日产生产生tRNA,rRNA，无表型；，无表型；不转录不转录mRNA，但对其它基因起调控作用。，但对其它基因起调控作用。产生多肽，有表型；产生多肽，有表型；基因基因比德尔和塔特姆根据红色面包霉的研究所提出的比德尔和塔特姆根据红色面包霉的研究所提出的“一个基因一个基因一个酶一个酶”的假说的假说，亦即一个基因通过控制一个酶的合成来控制某个生，亦即一个基因通过控制一个酶的合成来控制某个生化过程，从而影响到某些遗传性状的表达。化过程，从而影响到某些遗传性状的表达。从分子遗传学的观点来看，该假说过分简单化了。从分子遗传学的观点来看，该假说过分简单化了。一个基因一个基因一个一个mRNA一个多肽一个多肽上图式仍不完善，上图式仍不完善，第30页，讲稿共89张，创作于星期日第二节基因的调控第二节基因的调控一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典该种生物的每个细胞中都有这本字典该种生物的每个细胞中都有这本字典不同细胞选用其中各自不同细胞选用其中各自需要的密码子加以转录和翻译。需要的密码子加以转录和翻译。为什么为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能发挥作用的时间才能呈现活化状态呈现活化状态?结论结论：必然有一个基因作用的：必然有一个基因作用的调控系统调控系统在发挥作用。在发挥作用。基因调控主要在三个水平上进行：基因调控主要在三个水平上进行：.DNA水平上调控。水平上调控。.转录水平上调控。转录水平上调控。.翻译水平上调控。翻译水平上调控。第31页，讲稿共89张，创作于星期日一、原核生物的基因调控：一、原核生物的基因调控：原核生物具有严格的基因表达调控机制。原核生物具有严格的基因表达调控机制。、转录水平的调控、转录水平的调控:原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平主要发生在转录水平。当需要某。当需要某一特定基因产物时，合成这种一特定基因产物时，合成这种mRNA。当不需要这种产物时，。当不需要这种产物时，mRNA转录受到抑制。转录受到抑制。不同调控机制差别很大，但通常可归为不同调控机制差别很大，但通常可归为正调控正调控和和负调控负调控两种。两种。第32页，讲稿共89张，创作于星期日1.负调控负调控：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。阻遏物与阻遏物与DNA分子结合分子结合阻碍阻碍RNA聚合酶转录聚合酶转录使基因处于关使基因处于关闭状态；闭状态；2.正调控正调控：经诱导物诱导转录的调控机制经诱导物诱导转录的调控机制。诱导物通常与蛋白质结合诱导物通常与蛋白质结合形成一种激活子复合物形成一种激活子复合物与基因启动子与基因启动子DNA序列结合序列结合激活基因起始转录激活基因起始转录使基因处于表达的状态。使基因处于表达的状态。第33页，讲稿共89张，创作于星期日正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；的需要，有的系统既有正调控又有负调控；降解代谢降解代谢途径中既有正调控又有负调控；途径中既有正调控又有负调控；合成代谢合成代谢途径中途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。一般以负调控来控制产物自身的合成。原核生物以原核生物以负负调控为主，真核生物以调控为主，真核生物以正正调控为主；调控为主；第34页，讲稿共89张，创作于星期日、乳糖操纵元：、乳糖操纵元：对于基因作用调控的机理，研究得比较清楚的是关于大肠杆对于基因作用调控的机理，研究得比较清楚的是关于大肠杆菌菌乳糖代谢乳糖代谢的调控。的调控。在实验条件下，如果把大量的乳糖加入有大肠杆菌的培养基内，在实验条件下，如果把大量的乳糖加入有大肠杆菌的培养基内，可以产生使大肠杆菌发生乳糖代谢所需要的三种酶，可以产生使大肠杆菌发生乳糖代谢所需要的三种酶，半乳糖苷半乳糖苷酶，渗透酶，转乙酰酶酶，渗透酶，转乙酰酶的量急剧增加，培养基内的量急剧增加，培养基内乳糖用完时乳糖用完时，这三，这三种酶的种酶的合成合成同时同时停止停止。1.乳糖操纵元模型：乳糖操纵元模型：1961年雅各布年雅各布（JacobF）.和莫诺和莫诺（MonodJ.）根据上述事实提根据上述事实提出了一个出了一个操纵元（子）模型操纵元（子）模型，认为这三个酶的基因转录受一个开关，认为这三个酶的基因转录受一个开关单位的控制，这种开关单位即为单位的控制，这种开关单位即为操纵子操纵子。第35页，讲稿共89张，创作于星期日操纵元（子）：操纵元（子）：由操纵基因以及紧接着的若干结构基因所组成的功由操纵基因以及紧接着的若干结构基因所组成的功能单位，其中的结构基因的转录为操纵基因所控制。能单位，其中的结构基因的转录为操纵基因所控制。A、乳糖操纵元组成部分、乳糖操纵元组成部分I：编码阻遏蛋白的基因编码阻遏蛋白的基因P：启动子启动子O：操纵子：操纵子L：前导序列：前导序列Z、Y、A代表三种酶的结构基因代表三种酶的结构基因是是半乳糖苷酶基因半乳糖苷酶基因是渗透酶基因是渗透酶基因a是转乙酰酶基因是转乙酰酶基因o是开关位点，为操纵基因是开关位点，为操纵基因，起控制结构基因的转录和翻译的作用。，起控制结构基因的转录和翻译的作用。第36页，讲稿共89张，创作于星期日2.乳糖操纵元的负调控：乳糖操纵元的负调控：A.乳糖操纵元组成部分；乳糖操纵元组成部分；B.野生型基因型野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),无乳糖时，基因不表达；无乳糖时，基因不表达；C.野生型基因型野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),有乳糖时，基因表达；有乳糖时，基因表达；D.抑制基因突变抑制基因突变(IO+Z+Y+A+),无乳糖无乳糖时，基因组成型表达；时，基因组成型表达；E.操纵基因突变型操纵基因突变型(IOcZ+Y+A+),无乳无乳糖时，基因组成型表达。糖时，基因组成型表达。第37页，讲稿共89张，创作于星期日3.乳糖操纵元的正调控：乳糖操纵元的正调控：当有乳糖存在时，操纵子开启，基因进行表达。当有乳糖存在时，操纵子开启，基因进行表达。当既有大量半乳糖又有葡萄糖时，基因表达将会怎样？当既有大量半乳糖又有葡萄糖时，基因表达将会怎样？基因不表达，存在新的调节因子来控制乳糖操纵子开启，这个因基因不表达，存在新的调节因子来控制乳糖操纵子开启，这个因子的活性与葡萄糖有关。子的活性与葡萄糖有关。葡萄糖可使腺苷酸环化酶活性降低；葡萄糖可使腺苷酸环化酶活性降低；而腺苷酸环化酶能将而腺苷酸环化酶能将ATP转变成转变成cAMP。第38页，讲稿共89张，创作于星期日cAmP又与代谢激活蛋白又与代谢激活蛋白(cataboliteactivatingprotein，CAP)结合结合形成形成cAmP-CAP复合物，作为复合物，作为lac操纵子正调控因子。当操纵子正调控因子。当cAmP-CAP复合物二聚体插入到复合物二聚体插入到lac特异启动子序列特异启动子序列时时使使DNA构型发生变化，而构型发生变化，而RNA聚酶与该新构型的聚酶与该新构型的DNA结合紧密，转录效率高。结合紧密，转录效率高。葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖葡萄糖腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低ATP无法转变成无法转变成cAmP不能形成不能形成CAP-cAmP复复合蛋白合蛋白RNA酶无法结合在酶无法结合在DNA上上基因不表达。基因不表达。第39页，讲稿共89张，创作于星期日4.乳糖操纵元存在的遗传证据：乳糖操纵元存在的遗传证据：.遗传分析的三个基本假定：遗传分析的三个基本假定：.阻遏基因的产物是可以在细胞中扩散的反式调控元件；阻遏基因的产物是可以在细胞中扩散的反式调控元件；.操纵子是调控位点，不编码蛋白；操纵子是调控位点，不编码蛋白；.位点需紧邻受其控制的结构基因，是顺式调控元件；位点需紧邻受其控制的结构基因，是顺式调控元件；通过性导产生局部二倍体，可以进行遗传验证。通过性导产生局部二倍体，可以进行遗传验证。表表8-1第40页，讲稿共89张，创作于星期日.阻遏蛋白的分离与鉴定：阻遏蛋白的分离与鉴定：吉尔伯特（吉尔伯特（GilbertW.,1966）等利用阻遏蛋白超量表达突变型（）等利用阻遏蛋白超量表达突变型（regulatorQuantity，Iq）分离出阻遏蛋白；分离出阻遏蛋白；.IPTG诱导诱导Iq细胞，分离提取阻遏蛋白，用含有同位素标记的细胞，分离提取阻遏蛋白，用含有同位素标记的IPTG溶液透析，溶液透析，透析袋内外浓度不一样透析袋内外浓度不一样提取物中含有与提取物中含有与IPTG结合的物质，纯化分析证明具有蛋结合的物质，纯化分析证明具有蛋白特性。白特性。.沉降分析：沉降分析：IPTG阻遏蛋白复合物阻遏蛋白复合物lacO+序列：序列：DNA沉降系数为沉降系数为40S；IPTG阻遏蛋白复合物：沉降系数为阻遏蛋白复合物：沉降系数为7S；IPTG阻遏蛋白复合物阻遏蛋白复合物(同位素标记同位素标记)+DNA序列：超速梯度沉降分析有同位标序列：超速梯度沉降分析有同位标记的沉降系数为记的沉降系数为40S。.序列特异结合：序列特异结合：阻遏蛋白只与正常的乳糖操纵子（阻遏蛋白只与正常的乳糖操纵子（lacO）序列结合，而不与）序列结合，而不与lacOc的序列结合。的序列结合。第41页，讲稿共89张，创作于星期日.蛋白的结晶分析：蛋白的结晶分析：刘毅斯（刘毅斯（LewisM.，1996)等成功地测定了阻遏蛋白的晶体结构，与诱等成功地测定了阻遏蛋白的晶体结构，与诱导物以及与导物以及与DNA序列的结合的结构。序列的结合的结构。阻遏蛋白：阻遏蛋白：360个氨基酸；个氨基酸；功能蛋白：同聚四聚体。功能蛋白：同聚四聚体。第42页，讲稿共89张，创作于星期日操纵元调控位点的精细分析：操纵元调控位点的精细分析：第43页，讲稿共89张，创作于星期日、色氨酸操纵元：、色氨酸操纵元：1色氨酸操纵元模型：色氨酸操纵元模型：由雅各布（由雅各布（JacobF.）和莫诺（）和莫诺（MonodJ.）提出，具有合成代）提出，具有合成代谢途径典型的操纵元模型。谢途径典型的操纵元模型。操纵元：包括色氨酸合成有关的操纵元：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；种酶的结构基因；大量色氨酸时：大肠杆菌大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；种酶的转录同时受到抑制；色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转录；色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转录；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。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操纵元是一个典型的可阻遏操纵元模型(repressibleoperon)。第44页，讲稿共89张，创作于星期日色氨酸操纵元模型结构：色氨酸操纵元模型结构：5种结构基因：种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；阻遏物阻遏物trpR基因：与基因：与trp操纵元相距较远；操纵元相距较远；第45页，讲稿共89张，创作于星期日2.色氨酸操纵元的负调控：色氨酸操纵元的负调控：.阻遏调控：阻遏调控：trpR基因编码无辅基阻遏物基因编码无辅基阻遏物与色氨酸结合与色氨酸结合形成有活性的色氨酸阻遏物形成有活性的色氨酸阻遏物与操纵子结合与操纵子结合阻止转录；阻止转录；色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化，不能与操纵子结合，操纵元开，不能与操纵子结合，操纵元开始转录；始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操纵子结色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操纵子结合，阻止转录。合，阻止转录。.弱化子调控：弱化子调控：当有色氨酸存在而当有色氨酸存在而trp操纵元受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一操纵元受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制种的机制来抑制trp操纵元的转录？操纵元的转录？色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，其中有一长，其中有一28bp的弱化子区的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，域；形成发夹结构，为内部终止子，RNA酶从酶从DNA上脱落；上脱落；色氨酸低浓度或不存在时，色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子顺反子mRNA序列；序列；第46页，讲稿共89张，创作于星期日问题：弱化子如何进行调控？问题：弱化子如何进行调控？前导序列可翻译出一段前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、11位置上位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段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。个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。第47页，讲稿共89张，创作于星期日原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构?从而决定弱化子是否可从而决定弱化子是否可形成终止信号。形成终止信号。.当有色氨酸时，完整翻译短肽当有色氨酸时，完整翻译短肽核糖体停留在终止密码子处，邻近区段核糖体停留在终止密码子处，邻近区段2位置位置阻阻碍了碍了2,3配对配对使使3,4区段配对形成发夹结构终止子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。酶在弱化子处终止，不能向前移动。第48页，讲稿共89张，创作于星期日.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时由于没有色氨酰由于没有色氨酰tRNA的供应的供应停停留在该密码子位置，位于区段留在该密码子位置，位于区段1使区段使区段2与区段与区段3配对配对区段区段4无对应序列配对呈单链无对应序列配对呈单链状态状态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。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。第49页，讲稿共89张，创作于星期日细菌弱化子的作用是许多关键氨基酸生物合成所共有的一种调控机制；在苏氨酸、细菌弱化子的作用是许多关键氨基酸生物合成所共有的一种调控机制；在苏氨酸、组氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸等操纵元的前导肽中均有弱化子存在，具有多个相应氨组氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸等操纵元的前导肽中均有弱化子存在，具有多个相应氨基酸密码子供核糖体停留。基酸密码子供核糖体停留。苏氨酸在前导肽中有苏氨酸在前导肽中有8个氨基酸密码子存在，组氨酸则有个氨基酸密码子存在，组氨酸则有7个组氨酸密码子存个组氨酸密码子存在，核糖体停留在这些位置时，弱化子不产生发夹结构，结构基因开始转录。在，核糖体停留在这些位置时，弱化子不产生发夹结构，结构基因开始转录。第50页，讲稿共89张，创作于星期日(四四).阿拉伯糖操纵元：阿拉伯糖操纵元：Ara操纵元是控制分解代谢途径的另一调控系统。操纵元是控制分解代谢途径的另一调控系统。特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负调控作用。特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负调控作用。组成：组成：araC基因编码调节蛋白基因编码调节蛋白AraC蛋白；蛋白；：O1不参与调控；不参与调控；O2：AraC蛋白负调控结合位点；蛋白负调控结合位点；：调节位点，：调节位点，CAP-cAmP复合物结合位点，复合物结合位点，AraC蛋白正调控结合位蛋白正调控结合位点。点。第51页，讲稿共89张，创作于星期日调控：调控：.诱导物阿拉伯糖和诱导物阿拉伯糖和cAMP同时存在：同时存在：Ara与与AraC蛋白复合物结合在位点，蛋白复合物结合在位点，CAP-cAmp复合物结合复合物结合I位点，基因转位点，基因转录开启；录开启；.在没有诱导物阿拉伯在没有诱导物阿拉伯糖和糖和cAMP时：时：AraC蛋白同时与蛋白同时与I和和O2结合，结合，DNA构型发生改变，构型发生改变，形成一个紧密的环结构，抑形成一个紧密的环结构，抑制表达。制表达。第52页，讲稿共89张，创作于星期日(五五)翻译水平的调控：翻译水平的调控：.反馈调控机制反馈调控机制(feedbackregulation)：大肠杆菌核糖体蛋白合成：大肠杆菌核糖体蛋白合成：E.coli有有7个参与核糖体蛋白合成的操纵元结构个参与核糖体蛋白合成的操纵元结构转录的各种转录的各种mRNA都可与同一操纵元编码的核糖体蛋白识别结合；都可与同一操纵元编码的核糖体蛋白识别结合；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结结合，阻止进一步翻译。合，阻止进一步翻译。结合位点结合位点：5端非翻译区端非翻译区(untranslatedregion，UTR)，也包括启动子，也包括启动子Shine-Dalgarno序列，为序列，为mRNA翻译起始信号上游的一段翻译起始信号上游的一段5-AGGAGGU-3保守序列，与保守序列，与16SrRNA3端保守序列互补配对。端保守序列互补配对。第53页，讲稿共89张，创作于星期日.反义反义RNA(antisenseRNA)的调控：的调控：原核生物中原核生物中mRNA的翻译也受反义的翻译也受反义RNA的调控。的调控。反义反义RNA与与mRNA的的5端非翻译区端非翻译区UTR片段互补配对，使片段互补配对，使mRNA不能有效地与核糖体结合不能有效地与核糖体结合阻止蛋白质的合成。阻止蛋白质的合成。真核细胞中导入反义真核细胞中导入反义RNA基因基因控制真核生物基因表达。控制真核生物基因表达。如将乙烯形成酶基因的反义如将乙烯形成酶基因的反义RNA导入番茄，延长了番茄常温贮藏期。导入番茄，延长了番茄常温贮藏期。第54页，讲稿共89张，创作于星期日二、真核生物基因的调控：二、真核生物基因的调控：原核生物操纵元调控中的一些原理也存在于真核生物原核生物操纵元调控中的一些原理也存在于真核生物基因表达调控中，但是，多细胞真核生物的调控机制，无基因表达调控中，但是，多细胞真核生物的调控机制，无疑远比原核生物复杂。疑远比原核生物复杂。真核生物基因表达的调控可以发生在真核生物基因表达的调控可以发生在DNA水平，转录水平，水平，转录水平，转录后的修饰，翻译水平和翻译后的修饰转录后的修饰，翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但等多种不同层次。但多数基因的表达调控仍发生在多数基因的表达调控仍发生在转录水平转录水平。第55页，讲稿共89张，创作于星期日原核生物真核生物操纵元调控多样化调控，更为复杂基因组小，大肠杆菌:总长4.6106bp，编码4288个基因，每个基因约1100bp基因组大，人类基因组全长3109bp，编码10万个基因，其余为重复序列基因分布在同一染色体上，操纵元控制DNA与组蛋白结合成染色质，染色质的变化调控基因表达；基因分布在不同的染色体上，存在不同染色体间基因的调控问题适应外界环境，操纵元调控表达基因差别表达是细胞分化和功能的核心转录和翻译同时进行，大部分为转录水平调控转录和翻译在时间和空间上均不同，从DNA到蛋白质的各层次上都有调控，但多数为转录水平调控真核生物与原核生物的调控差异真核生物与原核生物的调控差异第56页，讲稿共89张，创作于星期日、DNA的改变：的改变：1.基因剂量与基因扩增：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。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。如：原生动物（马蛔虫）、昆虫、甲壳纲动物。.基因扩增：基因扩增：两栖类卵细胞前体同体细胞一样具有两栖类卵细胞前体同体细胞一样具有600个个rRNA基因，基因扩增后基因，基因扩增后rRNA基因拷贝基因拷贝数达数达2106组装大量的核糖体，满足卵细组装大量的核糖体，满足卵细胞大量合成蛋白质需要。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，由于癌基因的大量扩增，高效表达导致导致细胞生长失控，诱发癌症。细胞生长失控，诱发癌症。第57页，讲稿共89张，创作于星期日2.DNA重排：重排：.酵母交配型转变酵母交配型转变酵母有两种交配类型酵母有两种交配类型a和和，单倍体孢子，单倍体孢子a和和之间交配才产生之间交配才产生a/二倍体，二倍体，经减数分裂及产孢过程形成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。交配。但酵母存在一种同宗配合类型但酵母存在一种同宗配合类型(homothallism)，其细胞可转换，其细胞可转换成对应交配类型，使细胞间发生成对应交配类型，使细胞间发生配合。配合。第58页，讲稿共89张，创作于星期日交