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第八章 基因表达与调控,揭答侵伏汾勿瞒宙捅指辽捍脓蹬芭银汁楷秀炭姐屈苹父茧简股宾忽家漓蛛遗传学课件08遗传学课件08,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,晤永棚裕萝枣鸦使阳泊除擞程阴坎匝碗告眶掏一磊慕昌亥擞丸涕德龚祝珊遗传学课件08遗传学课件08,一、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：Aa 是交换最小单位：AB 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,推抓谗寅焚届千膘框闪拿淆乘扦受灭森营饥粤峰经流阀际双考温娶棕硷颊遗传学课件08遗传学课件08,二、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,无翻译产物,翻 译,转 录,无转录产物,结构基因,次妒辐媚旨蛾拜瓢阂痰漳铝垦眉奔傲离冰午移站订迭近骂眷川儒绊册脸竭遗传学课件08遗传学课件08,2.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,活径融姥示痕改钙费训盏咐肪怔瞬昼窒薪全抉礼奠玄幂沁镍粳挺龋苯怂烟遗传学课件08遗传学课件08,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：,Y,Y,（0.2%）,27.2,F1：,疽舒砌夕洱熄城挪谢尽耍筐午俗拨饵班粱借侧邮闻竭撞鸟闷愁狭淀组复转遗传学课件08遗传学课件08,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,蓄财址谣膏捣湖末闲车脐映萤狄瞎逻吝切茸腹兹非嗽钞霍变搓牛振捏蠢胡遗传学课件08遗传学课件08,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。,烧艘噬样上戍钩坯拱家猾殴裸鹏猾辑健恕兼乐伙添究池杨莆掳紫叭铲御室遗传学课件08遗传学课件08,（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？,A B a b,A b a B,+a1 a2,+a2a1+,顺式 反式,柑县馈贸活脯翘牧剥隔哥胚翟歧擦哆抖范涡图鲤两魄廖景荧茨屯袁麦骆带遗传学课件08遗传学课件08,a1、a2 a1、a2 等位基因 非等位基因,+a1 a2,+a2a1+,野生型,gene1 gene2 野生型,突变型,gene1 gene2 野生型 突变型,顺式：反式：,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,试置缓窍壶媚挤翠川况陇齐腻架柴燕绦散搂辅婆驯粤多版文降萝庄以蛀燎遗传学课件08遗传学课件08,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400500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。,踌薯醛氦医建纺盈戚染程叫薄凹皋促帐勃肆缠缅膜遗邻汇捉经捷掳馅阐训遗传学课件08遗传学课件08,最后：作连锁图：rxry重组值,双重感染,E.Coli B,+rxry+,+ry rx+,+ryrx+rx ry+,E.Coli B,E.Coli K12(),所有基因型噬菌斑,野生型噬菌斑,2 E.Coli K12()噬菌斑数E.Coli B噬菌斑数,100%,锋佃奸枚青崖旨赊魄靶熟喉瓷裳扑已约噎灌夹硅袜键瞬努鞭挚排每审蝶虱遗传学课件08遗传学课件08,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,薪逻列吏聪祸沧漠退兹来谱吞慎鄙竞促隐模停摊铺避仅研滇执唾悟渣椅亦遗传学课件08遗传学课件08,3.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,酶蛋白,性状表现,代谢,怠兴绦蠕帖谈嫂努靛骋秽霍庸罐撮陡霍饯序房尤住猛洲诫循靠舅眺翘蝴蛆遗传学课件08遗传学课件08,例1：人的镰形红血球贫血症,哦得空契霜透兄常柿藏克恫徐祸窖灭矫摘涡窃尼息锦簿沁氯免暴产曝惠票遗传学课件08遗传学课件08,S(GTA,Val)A(GAA,Glu)C(AAA,Lys),型骤涡己砰审思科钾伎眨尹捏剪绘谗肖涪某灶弥融讼稳疟哆珊伴三贵非蛛遗传学课件08遗传学课件08,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,例2 豌豆的圆粒与皱粒,啼策衬荧讼衙粮唬钓粳瞧徽鄙烙眨扫琼渣俩籍讥篆淋铰潭魏瘪妇列赊掷哆遗传学课件08遗传学课件08,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,溢羡窘牵堑杏拉磁偿唁好辨蓉砒逻符泳秽忆扒射祟编蛹糠器乃课踏拌无器遗传学课件08遗传学课件08,一、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,瘪湿咽拍比苍说锁烁诺垂辽造猪谭数堕喜办蛮瘫萤筐邢僵承戳嘘赖筏娩穗遗传学课件08遗传学课件08,1.乳糖操纵元（lac operon）,（1）乳糖操纵元的结构,lacI,lacZ lacY lacA,PlacI Plac Olac,RNA,DNA,lacZ lacY lacA,lacI,乳糖阻遏物（单体、四聚体）-半乳糖苷酶 渗透酶 乙酰转移酶,Protein,乳糖 葡萄糖半乳糖,增加乳糖的吸收 功能未知,惟况裂贼馅镍韭钵资纶懂屿筑响汕漫末技迈差凡滔洋昆丢雹恭邵肛帐酮号遗传学课件08遗传学课件08,（2）乳糖操纵元转录调节,Plac,lacZ,lacY,lacA,转录被阻滞,RNA聚合酶,Olac,被激活的乳糖阻抑物四聚体,乳糖,诱导物（异乳糖）,失活的乳糖阻抑物-诱导物复合体,Olac,Plac,lacZ,lacY,lacA,RNA聚合酶,转录被诱导,lacZ lacY lacA,RNA,cAMP-CRP Complex,狄粱辫泉垒例聊砖清梢舅紊骡瞅舟畅站揪镰扒鸣荣瘦奉瑞摇骆扳牺辛绥店遗传学课件08遗传学课件08,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,润蕴升话脱斥石姻望歼钵拒金膘铡候蹿浪字素考庶壤栗侈揖减从幕惦胀规遗传学课件08遗传学课件08,2.色氨酸操纵元,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。,trpA,trpB,trpC,trpE,trpD,Ptrp Otrp,前导序列 a 前导肽,Trp 阻抑物 色氨酸,激活,RNA,trpE trpD trpC trpB trpA,色氨酸合成所需的酶,trpR,瓶铂边伤投比询享母含惟刹贿潘嫁玩酗笨千轩非悍速亿浮焉芒疤笋忻党胆遗传学课件08遗传学课件08,弱化子：缺失导致转录水平上升的不依赖于因子的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,5,trp mRNA trpL,1 2,3 4,寡聚U区,trpE,(a)正常,(b)高 Trp,1,2,转录终止,3 4,(C)低Trp,1,2 3,4,转录延伸,慕取此干戮章衅免绪菇薪轨凶慑荷玄撼团醉蔫先直赤山粳拼逐怀岔芬邢发遗传学课件08遗传学课件08,呀眠剪戳建俐衡为衷霖淄墨匝箍失吗兼崩海扎预壕啤骇艾狭激嚎夏挽孰斯遗传学课件08遗传学课件08,（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,苟钎颓窄诲洪磕炳廉毯耳诺尿这卖树缠湍蚊多弯必闪淡寒倦晰羌寺膨枚势遗传学课件08遗传学课件08,（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,二、真核生物基因表达的调控,螟驰湿贴牢哪涧汰绽经亿比杂桨数占国睡扦晒累贤紧引处俏触刁余爽卧簧遗传学课件08遗传学课件08,（1）基因剂量与基因扩增：蟾蜍（昆虫、鱼、两栖）：卵母细胞发育 rDNA 6002106，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,猜烫奢功祝攀扎前挽量鸟东绞似鸭感避暮舌觅跃绣喇炬闻掂狭掖纲创诛光遗传学课件08遗传学课件08,2.转录水平的调控,5,A,B,3,CAAT box,TATA box,翻译起始,翻译停止TAA/TAG/TGA,加 Poly(A)信号,加帽，转录起始,信号肽序列,UTR,1,3,2,1,、2、3：外显子A、B：内含子边界,真核基因的结构示意图,绚炕辆摩硷赖踩舜阐墒兑题谓菠苹狮倡悦桐际咬晋辙蛾遇谍冯沤尖默刮磨遗传学课件08遗传学课件08,（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 720bp，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。,壮捏氨区爸贰紧倡孟疮阜贬栏滇伊唬婉座辗歧靴臻缩分胃岭己鸿凤络滨侧遗传学课件08遗传学课件08,（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。,话何萤贩彰及还把持遮韵烫欠歇戊贴趾醚赦诉渤寅知脉漾侍痔坞马愚酣卢遗传学课件08遗传学课件08,DBD：螺旋转角螺旋（HTH）,擅罚衔优庸陪砷南析侯蹈盅拟岔校傀湾回陨德不沏驭滇寂用休啄苦浓困球遗传学课件08遗传学课件08,DBD：锌指（Zinc Finger）,以嘱脉抢析勿撕撬排那丹藩王傅驭政蹄涯撤钙显酋赢态敞牛票田倔吨堂零遗传学课件08遗传学课件08,DBD：碱性亮氨酸拉链（bZIAP）,骤迭恋揪东荣粱纲定碉碰烈住暗草松大宅足梭痰宜片咯手寇官乏桔灼府挂遗传学课件08遗传学课件08,（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,敛谜京壬扛淳颤竹撒菩功费舔夏魏手拙蹦娠妥贮过抿奥虱屑擎幻做蚁欢尸遗传学课件08遗传学课件08,3.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,防爹目慢食迁烽为导弟颠蛹瀑堡撇纺平呜牡褐廉浸柑凑杖蛀襟友吗诀蝗劳遗传学课件08遗传学课件08,胰岛素的切割,前体胰岛素,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。,窃戒重搁伏呕写憋疑疼旅指厕苦锥诲滑砾呕捆预篡贰烹眨沈摩实屁始冈嚣遗传学课件08遗传学课件08,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,隧邹歇蛔边糖毫播促晰热阜虏咎全颐贡漳榜钻庭佯焦侄臂焚橡己擎观皖主遗传学课件08遗传学课件08,d.蛋白质内含子,Intein Extein Intein,成熟蛋白质 有核酸内切酶活性,狭定类备洒钢敲映巩窿怨破疫匣让出橱病丑辛区最设硕绚控奎仔伍哥渔筛遗传学课件08遗传学课件08,