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第八章 基因表达与调控

第八章 基因表达与调控. 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。

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第八章 基因表达与调控

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  1. 第八章 基因表达与调控

  2. 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

  3. 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：A－B  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

  4. 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 翻 译 结构基因 转 录 无翻译产物 无转录产物

  5. 2. 基因遗传结构的可分性 （1）拟等位基因的发现： Oliver（1940），果蝇 野生型 突变型 （卵圆眼） （菱形眼） 都位于 X 染色体上27.2 ♀ ♂ Y Y

  6. × Y × Y F1： 应该全是菱形眼，但是却意外发现了0.2%的野生卵圆形眼。 为什么？推断： i 回复突变： ii 等位基因“不等位” ： 和 虽然都位于X27.2 这个基因位点（locus），但是，它们却处在不 同的座位（site），基因内部不同座位之间发生 重组： F1： （0.2%） ＋ ＋ 27.2

  7. 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） F1 X染色体 y + apr + + w spl + ♀ ♂ 0 1.5 3.0 y apr + spl

  8. 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。

  9. A B a b A b a B （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：a1、a2是基因产物相同或者相似的突变基因  有无互补作用？ + + a1 a2 + a2 a1 + 顺式 反式

  10. a1、a2 a1、a2 等位基因 非等位基因 顺式： 反式： gene1 gene2 野生型 + + a1 a2 野生型 + a2 a1 + gene1 gene2 野生型 突变型 突变型 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

  11. 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400~500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。

  12. + ry rx + 双重感染 E.Coli B 最后：作连锁图 ： rx－ry重组值＝ + rx ry + + ry rx + rx ry + + E.Coli B 所有基因型噬菌斑 E.Coli K12() 野生型噬菌斑 2×E.Coli K12()噬菌斑数 E.Coli B噬菌斑数 ×100%

  13. 顺反子（citron）是功能的基本单位，但是一个顺反子内部顺反子（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

  14. 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 性状表现 酶蛋白 代谢

  15. 例1：人的镰形红血球贫血症

  16. S (GTA, Val) A (GAA, Glu) C(AAA, Lys)

  17. 例2 豌豆的圆粒与皱粒 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

  18. 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

  19. 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

  20. 1. 乳糖操纵元 （lac operon） PlacI Plac Olac （1）乳糖操纵元的结构 DNA lacI lacZ lacY lacA lacI lacZ lacY lacA RNA Protein 乳糖阻遏物（单体、四聚体） -半乳糖苷酶渗透酶 乙酰转移酶 乳糖 葡萄糖＋半乳糖 增加乳糖的吸收 功能未知

  21. cAMP-CRP Complex 被激活的乳糖阻抑物四聚体 RNA 聚合酶 Olac （2）乳糖操纵元转录调节 转录被阻滞 Plac lacZ lacY lacA 乳糖 失活的乳糖阻抑物-诱导物复合体 诱导物 （异乳糖） RNA 聚合酶 Olac 转录被诱导 Plac lacY lacA lacZ lacZ lacY lacA RNA

  22. 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900弯曲，转录效率提高50倍——正调控。 • 葡萄糖  cAMP合成  lacZ 

  23. 2. 色氨酸操纵元 前导序列 a 前导肽 Ptrp Otrp trpR • 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。 trpE trpD trpC trpB trpA trpE trpD trpC trpB trpA RNA 激活 色氨酸合成所需的酶 Trp 阻抑物 色氨酸

  24. (a) 正常 • 弱化子：缺失导致转录水平上升的不依赖于σ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 1 2 3 4 trpE 5’ trp mRNA trpL 寡聚U区 (b) 高 [Trp] 3 4 1 2 转录终止 (C) 低[Trp] 2 3 转录延伸 4 1

  25. （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

  26. 二、真核生物基因表达的调控 （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

  27. （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2×106，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 N6-mA 7-mG

  28. 信号肽序列 1,、2、 3： 外显子 A、B ：内含子边界 2. 转录水平的调控 加帽，转录起始 UTR 5’ 1 A 2 B 3 3’ 翻译起始 翻译停止 TAA/TAG/TGA TATA box 加 Poly (A) 信号 CAAT box 真核基因的结构示意图

  29. （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 7~20bp，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。

  30. （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。

  31. DBD：螺旋－转角－螺旋（HTH）

  32. DBD：锌指（Zinc Finger）

  33. DBD：碱性亮氨酸拉链（bZIAP）

  34. （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

  35. 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

  36. 前体胰岛素 胰岛素的切割 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。

  37. 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

  38. Intein Extein Intein d. 蛋白质内含子 成熟蛋白质 有核酸内切酶活性

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