現(xiàn)代遺傳學1-12章包括緒論全部課件-(10)

1、細胞分裂、細胞分裂、 生物進化生物進化適者生存、適者生存、細胞分化細胞分化三、發(fā)育過程中基因的作用三、發(fā)育過程中基因的作用基因表達中心法則基因表達中心法則表達調(diào)控表達調(diào)控The products of gene expression can be RNA or protein第二節(jié)第二節(jié) 基因表達的調(diào)控基因表達的調(diào)控一、原核生物基因表達的調(diào)控一、原核生物基因表達的調(diào)控乳糖操縱子模型的提出乳糖操縱子模型的提出早在20世紀初人們就發(fā)現(xiàn)了酵母細胞酶的誘導現(xiàn)象，1961年, 法國的莫諾（莫諾（J.MonodJ.Monod) )和雅科布和雅科布(F.Jacob(F.Jacob) )通過不同來研究基因的作

2、用，提出了基因調(diào)控的乳糖操縱子學說乳糖操縱子學說（operon theory),為原核生物的基因表達調(diào)控的研究提供了模式，獲1965年諾貝爾獎。乳糖操縱子模型的建立(Jacob and Monod, 1961)Francois Jacob(1920-)Jacquces Monod(1910-67)2. The Lactose Operon in E.coli調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱子操縱子Lac 阻遏物阻遏物半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷半乳糖苷 透性酶透性酶半乳糖苷半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶乙酰基轉(zhuǎn)移酶E.Coli 誘導型誘導型Lac操縱子結(jié)構(gòu)模型操縱子結(jié)構(gòu)模型基基因因 長長度度PI: i基因啟動子基因

3、啟動子 gene i：調(diào)節(jié)基因：調(diào)節(jié)基因 P： 結(jié)構(gòu)基因啟動子結(jié)構(gòu)基因啟動子 gene Z,Y,A：結(jié)構(gòu)基因：結(jié)構(gòu)基因 O： 操縱基因操縱基因 僅有葡萄糖僅有葡萄糖葡萄糖耗完，葡萄糖耗完，有乳糖存在有乳糖存在操縱子學說操縱子學說tayz opStructural genepromoter啟動子啟動子 promoter terminator終止子終止子 terminatoroperator操縱元件操縱元件 operator操縱子結(jié)構(gòu)示意圖操縱子結(jié)構(gòu)示意圖3. 3. 正調(diào)控和負調(diào)控正調(diào)控和負調(diào)控原核生物的生長與周圍環(huán)境條件密切相關(guān)，為了 生存和繁殖，必須對千變?nèi)f化的環(huán)境條件作出迅 速反應，這就需要

4、不斷調(diào)控各種基因的表達活性。n 原核生物表達的正或負調(diào)控系統(tǒng)正或負調(diào)控系統(tǒng)是按照有沒有調(diào) 節(jié)蛋白存在的情況下，操縱子對于新加入的底物 的反應情況來定義的。n 正調(diào)控與負調(diào)控的區(qū)別在于調(diào)節(jié)蛋白作用的方式 不同。 n無調(diào)節(jié)蛋白時，基因是表達的，加入調(diào)節(jié)蛋白，無調(diào)節(jié)蛋白時，基因是表達的，加入調(diào)節(jié)蛋白，基因活性被關(guān)閉。任何干擾基因表達的作用都是基因活性被關(guān)閉。任何干擾基因表達的作用都是負調(diào)控。負調(diào)控。n調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白-阻遏蛋白（阻遏物）阻遏蛋白（阻遏物）; n特點：一個阻遏蛋白或與特點：一個阻遏蛋白或與DNA結(jié)合，阻止結(jié)合，阻止RNA聚聚合酶啟動轉(zhuǎn)錄，或與合酶啟動轉(zhuǎn)錄，或與mRNA結(jié)合阻止核糖體的啟

5、結(jié)合阻止核糖體的啟動與翻譯。動與翻譯。n在正調(diào)控中，無調(diào)節(jié)蛋白時，基因是關(guān)閉的，加入調(diào)節(jié)蛋在正調(diào)控中，無調(diào)節(jié)蛋白時，基因是關(guān)閉的，加入調(diào)節(jié)蛋白，基因活性被開啟。白，基因活性被開啟。 n調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白-無輔基誘導蛋白（無輔基誘導蛋白（apoinducer）。）。n不論是正調(diào)控還是負調(diào)控，操縱子都可以通過調(diào)節(jié)蛋白與不論是正調(diào)控還是負調(diào)控，操縱子都可以通過調(diào)節(jié)蛋白與小分子物質(zhì)的相互作用而達到誘導狀態(tài)或阻遏狀態(tài)。在誘小分子物質(zhì)的相互作用而達到誘導狀態(tài)或阻遏狀態(tài)。在誘導系統(tǒng)中，產(chǎn)生誘導作用的小分子叫誘導物（一般為底導系統(tǒng)中，產(chǎn)生誘導作用的小分子叫誘導物（一般為底物物)。在阻歇系統(tǒng)中，產(chǎn)生阻歇作用的小分

6、子叫輔阻歇物。在阻歇系統(tǒng)中，產(chǎn)生阻歇作用的小分子叫輔阻歇物(一般為代謝產(chǎn)物）。因此，根據(jù)對能調(diào)節(jié)操縱子表達的一般為代謝產(chǎn)物）。因此，根據(jù)對能調(diào)節(jié)操縱子表達的這種小分子的應答的性質(zhì)，又可以把操縱子分為兩大類：這種小分子的應答的性質(zhì)，又可以把操縱子分為兩大類： 誘導系統(tǒng)負調(diào)控誘導系統(tǒng)負調(diào)控誘導系統(tǒng)正調(diào)控誘導系統(tǒng)正調(diào)控阻遏系統(tǒng)負調(diào)控阻遏系統(tǒng)負調(diào)控阻遏系統(tǒng)正調(diào)控阻遏系統(tǒng)正調(diào)控乳糖操縱子的負調(diào)控乳糖操縱子的負調(diào)控i io oz zy ya ai io oz zy ya a阻遏物誘導物(乳糖乳糖)關(guān)閉狀關(guān)閉狀態(tài)態(tài)開放狀態(tài)開放狀態(tài)半乳半乳糖苷糖苷酶酶滲透滲透酶酶轉(zhuǎn)乙轉(zhuǎn)乙酰酶酰酶R酶調(diào)節(jié)基因操縱基因誘導系統(tǒng)誘

7、導系統(tǒng)i io oz zy ya ai io oz zy ya aCAP開放狀開放狀態(tài)態(tài)關(guān)閉狀態(tài)關(guān)閉狀態(tài)半乳半乳糖苷糖苷酶酶滲透滲透酶酶轉(zhuǎn)乙轉(zhuǎn)乙酰酶酰酶R酶調(diào)節(jié)基因操縱基因CAP-cAMP葡萄糖葡萄糖阻歇系統(tǒng)阻歇系統(tǒng)5 5、原核生物基因表達的特點、原核生物基因表達的特點1).1).只有一種只有一種RNARNA聚合酶。聚合酶。RNARNA聚合酶用來聚合酶用來識別原核細胞的啟動子，催化所有識別原核細胞的啟動子，催化所有RNARNA的的合成。合成。2).2).基因表達以操縱子為基本單位。原核基因表達以操縱子為基本單位。原核基因一般不含內(nèi)含子，基因是連續(xù)的。原基因一般不含內(nèi)含子，基因是連續(xù)的。原核基因

8、轉(zhuǎn)錄單位多為核基因轉(zhuǎn)錄單位多為多順反子多順反子。 多順反子多順反子(polycistron) 原核基因中原核基因中多個多個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位。通常依賴同一聯(lián)在一起構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位。通常依賴同一調(diào)控序列對其轉(zhuǎn)錄進行調(diào)節(jié)，使這些相關(guān)基調(diào)控序列對其轉(zhuǎn)錄進行調(diào)節(jié)，使這些相關(guān)基因?qū)崿F(xiàn)協(xié)同表達。因?qū)崿F(xiàn)協(xié)同表達。 多順反子和單順反子多順反子和單順反子單順反子單順反子(monocistron(monocistron) ) 編碼編碼一個一個多肽鏈的多肽鏈的DNADNA的序列區(qū)域，相的序列區(qū)域，相當于真核細胞的一個基因。當于真核細胞的一個基因。3 3）轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進

9、行：原核生物裸）轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進行：原核生物裸露的環(huán)形露的環(huán)形DNADNA，在擬核內(nèi)轉(zhuǎn)錄成，在擬核內(nèi)轉(zhuǎn)錄成 mRNA mRNA 后，直接在胞漿中與核糖體結(jié)合翻譯后，直接在胞漿中與核糖體結(jié)合翻譯為蛋白質(zhì)。為蛋白質(zhì)。 4 4）mRNAmRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序翻譯起始部位有特殊的堿基序列列-SD-SD序列。序列。 在起始密碼在起始密碼AUGAUG上游上游4 41313個堿基之個堿基之前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列（consensus sequenceconsensus sequence）為）為AGGAGGAGGAGG，能，能與核糖體與核糖體30S30S

10、亞基中亞基中16S rRNA16S rRNA 3 3端富端富含嘧啶的序列結(jié)合，與蛋白質(zhì)合成過程含嘧啶的序列結(jié)合，與蛋白質(zhì)合成過程中起始復合物生成有關(guān)。中起始復合物生成有關(guān)。 5 5）原核生物基因表達的調(diào)控主要在）原核生物基因表達的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對轉(zhuǎn)錄水平，即對RNARNA合成的調(diào)控。合成的調(diào)控。 通常有兩種方式：通常有兩種方式： a) a) 起始調(diào)控起始調(diào)控，即啟動子調(diào)控；，即啟動子調(diào)控； 特例：乳糖操縱子（負調(diào)控）特例：乳糖操縱子（負調(diào)控） 阿拉伯糖操縱子（正調(diào)控）。阿拉伯糖操縱子（正調(diào)控）。 b) b) 終止調(diào)控終止調(diào)控，即衰減子調(diào)控。，即衰減子調(diào)控。 特例：色氨酸操縱子的調(diào)控。特

11、例：色氨酸操縱子的調(diào)控。 單細胞真核生物單細胞真核生物，如酵母基因表達，如酵母基因表達的調(diào)控和原核生物表達的調(diào)控基本相同。的調(diào)控和原核生物表達的調(diào)控基本相同。 多細胞真核生物多細胞真核生物，遺傳信息從細胞，遺傳信息從細胞核的基因組核的基因組DNADNA傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)傳遞到基因編碼的蛋白質(zhì)均受到多層次的調(diào)控。均受到多層次的調(diào)控。一）、真核生物的基因調(diào)控方式一）、真核生物的基因調(diào)控方式由于真核基因的結(jié)構(gòu)特點、轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上的由于真核基因的結(jié)構(gòu)特點、轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上的復雜性，其基因表達調(diào)控是復雜性，其基因表達調(diào)控是多層次的多層次的，主要表現(xiàn)，主要表現(xiàn)在一下幾個水平上：在一下幾個水平上：DN

12、ADNA水平水平 轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后的修飾轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后的修飾 翻譯水平和翻譯后的修飾翻譯水平和翻譯后的修飾真核生物基因表達的調(diào)控示意圖真核生物基因表達的調(diào)控示意圖二）、真核生物基因表達調(diào)控特點二）、真核生物基因表達調(diào)控特點 （1 1）細胞具有全能性：）細胞具有全能性：全能性：全能性：指同一種生物指同一種生物的所有細胞都含有相同的基因組的所有細胞都含有相同的基因組DNADNA，都有發(fā)育成，都有發(fā)育成完整個體的潛能。完整個體的潛能。 （2 2）基因表達的時間性和空間性：）基因表達的時間性和空間性： 時間性：時間性：個體發(fā)育的不同階段，基因表達的種類和數(shù)量是個體發(fā)育的不同階段，基因表達的種類和數(shù)量

13、是不同的；不同的；空間性：空間性：在不同組織和器官中，基因表在不同組織和器官中，基因表達的種類和數(shù)量是不同的。達的種類和數(shù)量是不同的。 （3 3）基因表達調(diào)控的多層次：）基因表達調(diào)控的多層次：由于真核生物由于真核生物轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄和和翻譯翻譯分開進行，分開進行，初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物要經(jīng)過加工修飾加工修飾（核內(nèi)（核內(nèi)不均一性不均一性RNARNA（mRNAmRNA前體）：戴帽（前體）：戴帽（m7GpppNm7GpppN）、加尾）、加尾（PolyAPolyA）、切除內(nèi)含子和拼接外顯子等）過程，才）、切除內(nèi)含子和拼接外顯子等）過程，才形成成熟的形成成熟的mRNAmRNA分子。分子。 因此，真核生物

14、基因表達調(diào)控可通過因此，真核生物基因表達調(diào)控可通過DNADNA水平水平、轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平翻譯水平、翻譯后水平翻譯后水平及及染染色體整體水平色體整體水平等進行。而且個體發(fā)育過程及其復雜，等進行。而且個體發(fā)育過程及其復雜，受環(huán)境影響較小。受環(huán)境影響較小。 （4 4）不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu)）不存在超基因式操縱子結(jié)構(gòu): : 真核生物基因真核生物基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子單順反子，一條，一條mRNAmRNA只翻譯一種蛋白質(zhì)。只翻譯一種蛋白質(zhì)。功能相關(guān)的基因大多數(shù)分散在不同的染色體上，分功能相關(guān)的基因大多數(shù)分散在不同的染色體上，分別進行轉(zhuǎn)錄。沒有像在原核生物基因表達

15、調(diào)控中的別進行轉(zhuǎn)錄。沒有像在原核生物基因表達調(diào)控中的操縱子操縱子和和衰減子衰減子結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 （5 5）部分基因多拷貝）部分基因多拷貝: : 在真核生物基因組中，存在真核生物基因組中，存在著大量的多拷貝基因（重復序列），在著大量的多拷貝基因（重復序列），既可滿足細胞既可滿足細胞的需要，也是表達調(diào)控的一種有效方式。的需要，也是表達調(diào)控的一種有效方式。 (6) (6) 真核基因表達以正性調(diào)控為主真核基因表達以正性調(diào)控為主 真核真核RNARNA聚合酶對啟動子的親和力很低，基本聚合酶對啟動子的親和力很低，基本上不依靠自身來起始轉(zhuǎn)錄，需要上不依靠自身來起始轉(zhuǎn)錄，需要依賴多種激活蛋依賴多種激活蛋白的協(xié)同作

16、用白的協(xié)同作用。真核基因調(diào)控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負。真核基因調(diào)控中雖然也發(fā)現(xiàn)有負性調(diào)控元件，但其存在并不普遍；真核基因轉(zhuǎn)錄性調(diào)控元件，但其存在并不普遍；真核基因轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩表達的調(diào)控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有兩種作用者，但總的是以種作用者，但總的是以激活蛋白的作用為主激活蛋白的作用為主。即。即多數(shù)真核基因在沒有調(diào)控蛋白作用時是不轉(zhuǎn)錄的，多數(shù)真核基因在沒有調(diào)控蛋白作用時是不轉(zhuǎn)錄的，需要表達時就要有激活的蛋白質(zhì)來促進轉(zhuǎn)錄。換需要表達時就要有激活的蛋白質(zhì)來促進轉(zhuǎn)錄。換言之：真核基因表達以正性調(diào)控為主導。言之：真核基因表達以正性調(diào)控為主導。三）、真核生物基因表達調(diào)控過程

17、三）、真核生物基因表達調(diào)控過程1. 啟動子、增強子和靜止子的調(diào)節(jié) 啟動子啟動子: 在基因轉(zhuǎn)錄啟始位點的5上游近端約100 bp左右的一段基因獨立功能的序列，能與RNA聚 合酶特異的結(jié)合而啟動轉(zhuǎn)錄。 增強子（增強子（enhancer): 一般位于mRNA轉(zhuǎn)錄啟始上游 至少100bp以上，可通過啟動子來增強轉(zhuǎn)錄效率。 靜止子：靜止子：即沉默基因，類似增強子但起負調(diào)控作 用。 真核生物啟動子與原核啟動子的含義相同，真核生物啟動子與原核啟動子的含義相同， 是指是指RNARNA聚合酶結(jié)合并起動轉(zhuǎn)錄的聚合酶結(jié)合并起動轉(zhuǎn)錄的DNADNA序列。但真序列。但真核啟動子之間不像原核那樣有明顯一致的序列，核啟動子之

18、間不像原核那樣有明顯一致的序列，而且單靠而且單靠RNARNA聚合酶難以結(jié)合聚合酶難以結(jié)合DNADNA而起動轉(zhuǎn)錄，它而起動轉(zhuǎn)錄，它需要需要多種蛋白質(zhì)因子的相互協(xié)調(diào)作用多種蛋白質(zhì)因子的相互協(xié)調(diào)作用，不同蛋白，不同蛋白質(zhì)因子又能與不同質(zhì)因子又能與不同DNADNA序列相互作用。序列相互作用。 真核啟動子一般包括真核啟動子一般包括轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點及其及其上游約上游約100100200bp200bp序列序列，包含有若干具有獨立功能的，包含有若干具有獨立功能的DNADNA序序列元件，每個元件約長列元件，每個元件約長7 730bp30bp。a) a) 啟動子及其對轉(zhuǎn)錄的影響啟動子及其對轉(zhuǎn)錄的影響struc

19、ture and organization of a eukaryotic gene 啟動子中的元件可以分為兩種：啟動子中的元件可以分為兩種： 核心啟動子元件核心啟動子元件(core promoter element)(core promoter element)指指RNARNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的聚合酶起始轉(zhuǎn)錄所必需的最小的DNADNA序列，包括轉(zhuǎn)錄起始點及其上游序列，包括轉(zhuǎn)錄起始點及其上游25/25/30bp30bp處的處的TATATATA盒盒。 上游啟動子元件上游啟動子元件(upstream promoter (upstream promoter element)element)

20、包括通常位于包括通常位于70bp70bp附近的附近的CAATCAAT盒和盒和GCGC盒盒、以及距轉(zhuǎn)錄起始點更遠的、以及距轉(zhuǎn)錄起始點更遠的上游元件。這些元件與相應的蛋白因子結(jié)上游元件。這些元件與相應的蛋白因子結(jié)合能提高或改變轉(zhuǎn)錄效率。合能提高或改變轉(zhuǎn)錄效率。 b) b) 增強子及其對轉(zhuǎn)錄的影響增強子及其對轉(zhuǎn)錄的影響增強子增強子是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件，最早是在件，最早是在SV40SV40病毒中發(fā)現(xiàn)的長約病毒中發(fā)現(xiàn)的長約200bp200bp的一段的一段DNADNA，可使旁側(cè)的基因轉(zhuǎn)錄提高，可使旁側(cè)的基因轉(zhuǎn)錄提高100100倍，其后在多倍，其后在多種真核

21、生物、原核生物中都發(fā)現(xiàn)了增強子。種真核生物、原核生物中都發(fā)現(xiàn)了增強子。 增強子通常占增強子通常占100100200bp200bp長度長度，也和啟動子，也和啟動子一樣由若干組件構(gòu)成，基本核心組件常為一樣由若干組件構(gòu)成，基本核心組件常為8 812bp12bp。 增強子的作用有以下特點增強子的作用有以下特點： 增強子增強子可以提高同一條可以提高同一條DNADNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠距離作用，通?？删嚯x可以遠距離作用，通?？删嚯x1 14kb4kb、個別情況、個別情況下離開所調(diào)控的基因下離開所調(diào)控的基因30kb30kb仍能發(fā)揮作用。仍能發(fā)揮作用。 增強子增強子作用與其序列的正反方向無關(guān)作用與其序列的正反方向無關(guān)，將增強，將增強子方向倒置依然能起作用。子方向倒置依然能起作用。 增強子增強子必須與特定蛋白質(zhì)因結(jié)合必須與特定蛋白質(zhì)因結(jié)合后才能發(fā)揮增后才能發(fā)揮增強轉(zhuǎn)錄的作用，且強轉(zhuǎn)錄的作用，且具有組織或