遗传学第三版课件(T)第八章 基因的表达与调控
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1. 顺式调控: 如基因的启动子发生突变,使得调控蛋白不能识别
启动子结构,该基因就不能表达;只影响基因本身的表 达, 而不影响其它等位基因的调控突变。
2. 反式调控:
调控蛋白发生突变,不能与某基因的启动子结合, 还会影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点 表达。
㈢、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 详细分析T4 噬菌体rⅡ区基因的微细结构。
第八章 基因的表达与调控
基因作为遗传信息单位,位于染色体上,控制生物的 性状发育。
DNA是携带生物遗传信息的载体,是遗传的分子基础。 基因表达就是将基因携带的生物信息释放出来,供细胞利 用的过程,或将生物的遗传信息作为性状或特征表现出来 的过程。
通常所说的基因表达 指基因指导蛋白质合成的过程。 原核生物或真核生物为了适应外界环境条件及自身的 需要,都必须不断调控各种不同基因的表达方式。
E. 操纵基因突变型(I+OcZ+Y+A+),无 乳糖时,基因组成型表达。
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。
真核生物基因表达的调控可以发生在DNA水平,转录 水平,转录后的修饰,翻译水平和翻译后的修饰等多种不 同层次。但多数基因的表达调控仍发生在转录水平。
Z、Y、A z是β—
P: 启动子 O:操纵子
a o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。
A. 乳糖操纵元组成部分; B. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),
无乳糖时,基因不表达;
C. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 有乳糖时,基因表达;
D. 抑制基因突变(I-O+Z+Y+A+), 无乳糖时,基因组成型表达;
第一 基因的概念
一、基因的概念及其发展: ㈠、经典遗传关于基因的概念: ①.孟德尔:
把控制性状的因子称为遗传因子。 如:豌豆红花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。 ②.约翰生:
提出基因(gene)这个名词,取代遗传因子。 ③.摩尔根:
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。
为什么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呈现活化状态?
结论:必然有一个基因作用的调控系统在发挥作用。
基因调控主要在三个水平上进行:
①. DNA水平上调控。 ②. 转录水平上调控。 ③. 翻译水平上调控。
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。 ㈠、转录水平的调控:
⑵.方法:
两种rⅡ突变类型:rx、ry r+rx × ryr+
↓混合感染 E.coli B株
接种
B株
K12(λ)株
计数
r+ ry、rxr+ r+ r+、rxry 四种基因型
均能生长
r+ r+ 仅生长 一种重 组型
⑶.结果:
①.重组值计算: rxry的数量与r+r+ 相同,计算时r+r+ 噬菌体数×2。 可以获得小到0.001%,即十万分之一的重组值。 利用大量rⅡ区内二点杂交结果,绘制出rⅡ区座位间 微细的遗传图:
本泽尔:提出顺反子, 表示功能的最小单位 和顺反的位置效应。
㈡、顺式与反式调控:
假设某一基因的表达受一种调控蛋白质(regulator protein)控制,只 有在调控蛋白质与该基因的启动子位点结合时,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,基因就不能表达(图8-3)。
①.建立双突变杂合二倍体;
②.测定突变间有无互补作用。 由此可判断是否属于等位基因。
1.无互补作用:突变来自同一 个基因只能产生突变的mRNA 形成突变酶和个体,显示突变的 表现型。则个体表现为突变型。
2.有互补作用:突变来自不同 的基因,则每个突的相对位点上 都有一个正常野生型基因 最 终可产生正常mRNA,其个体表 现型为野生型。
⑶. 现代遗传学上认为:
①.突变子: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。 ②.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。
③.顺反子: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DNA与一个多肽 链的合成相对应;平均大小为500~1500个碱基对。
内含子所隔裂。
内含子:在DNA序列中,不出现在成熟mRNA中的片段; 外显子:在DNA序列中,出现在成熟mRNA中的片段。
⑸.跳跃基因(jumping gene): 即转座因子,指染色体组上可以转移的基因。 实质:能够转移位置的DNA片断。 功能:可从这条染色体整合到另一条染色体上引起
插入突变、DNA结构变异(如重复、缺失、畸变)。突变的 结果很容易通过表现型变异得到鉴别。
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mRNA 一个多肽
上图式仍不完善,
产生多肽,有表型;
∴基因
产生tRNA, rRNA,无表型; 不转录mRNA,但对其它基因起调控作用。
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 该种生物的每个细胞中都有这本字典不同细胞选用其 中各自需要的密码子加以转录和翻译。
基因是化学实体,以念珠状直线排列在染色体上。
基因的共性(按照经典遗传学对基因的概念):
♠ 染色体特性:自我复制能力和相对稳定性,在分裂时
有规律地进行分配。
♠交换单位:基因间能进重组,而且是交换的最小单位。
♠突变单位:一个基因能突变为另一个基因。 ♠功能单位:控制有机体的性状。
∴经典遗传学认为: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。
3.互补测验(顺反测验):根据功能确定等位基因的测验。 顺反测验:根据顺式表现型和反式表现型来确定两个
突变体是否属于同一个基因(顺反子)。 顺式排列为对照(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 野生型。 实质上是进行反式测验(反式排列:两个突变座位位
于不同的染色体上)。 ① 反式排列为野生型:突变分属于两个基因位点; ② 反式排列为突变型:突变属于同一基因位点。
遗传工程常用:转座子标签法。
玉米转座 子现象
⑹. 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
而不能转录或翻译,是没有功能的基因。 真核生物中的血红素蛋白基因家族中就存在假基因。
血红蛋白分子 的四条多肽链
二、基因的微细结构 ㈠、互补作用:
设有两个独立起源的隐性突变,具有类似的表现型。 判断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?
降解代谢途径中既有正调控又有负调控;合成代谢途 径中一般以负调控来控制产物自身的合成。
㈡、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 大肠杆菌乳糖代谢的调控。
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,可以产生使大肠杆菌发生乳糖代谢所需要的三种 酶,β—半乳糖苷酶,渗透酶,转乙酰酶的量急剧增加,培 养基内乳糖用完时,这三种酶的合成同时停止。
1961年雅各布 (Jacob F).和莫诺 (Monod J.) 根据上 述事实提出了一个操纵元(子)模型,认为这三个酶的基因 转录受一个开关单位的控制,这种开关单位即为操纵子。
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 I : 编码阻遏蛋白的基因 L:前导序列
⑴.原理: r+ 野生型T4噬菌体:侵染E.coli B株和K12株;形成小 而边缘模糊的噬菌斑。
rⅡ突变型T4噬菌体:只能侵染B株,不能侵染K12(λ)株。 形成大而边缘清楚的噬菌斑。
利用上述特点: 让两个rⅡ突变型杂交 侵染
K12(λ)株,选择重组体r+r+ 计算 两个r+ 突变座位间的重组频率。
基因对于遗传性状表达的作用可分为直接的与间接的。 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 接地影响生物性状的表达。
rRNA 如发生致死突变,不能形成核糖体,
某段 DNA
转录
易死亡。 tRNA 发生突变后, 多肽链改变。转录
mRNA
HbA第6位为谷氨酸(GAA);
Hbs第6位为缬氨酸(GUA); Hbc第6位为赖氨酸(AAA)。
产生贫血症的原因: 单个碱基的突变 引起氨基酸的改变 导致蛋白质
性质发生变化,直接产生性状变化。
正常碟形红血球转变为镰刀形红血球 缺氧时表现贫血症。
HbA
Hbs
Hbc
2. 酶蛋白 例如:豌豆 圆粒(RR) × 皱粒(rr) F1 圆粒(Rr) F2 1/4皱粒
2.正调控:经诱导物诱导转录 的调控机制。
诱导物通常与蛋白质结合 形成一种激活子复合物 与 基因启动子DNA 序列结合 激活基因起始转录 使 基因处于表达的状态。
正调控与负调控并非互相排斥的两种机制,而是生物体 适应环境的需要,有的系统既有正调控又有负调控;
原核生物以负调控为主,真核生物以正调控为主;
真核生物与原核生物的调控差异
⑷.基因概念: ①.可转录一条完整的RNA分子或编码一个多肽链; ②.功能上被顺反测验或互补测验所规定。
分子遗传学保留了功能单位的解释,而抛弃了最小结构 单位说法。 基因:相当于一个顺反子,
包含许多突变子和 重组子。
紫外灯下的DNA
㈢、分子遗传学对基因概念的新发展 将基因分为不同类型: ⑴.结构基因(structural gene): 指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。
原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。当 需要某一特定基因产物时,合成这种mRNA。当不需要 这种产物时,mRNA转录受到抑制。
不同调控机制差别很大,但通常可归为正调控和负调 控两种。
1.负调控:细胞中阻遏物阻 止基因转录过程的调控机制。
阻遏物与DNA分子结合 阻碍RNA聚合酶转录 使基因 处于关闭状态;
翻译
结构蛋白 直接
蛋白质
生物酶 间接
性状
1.结构蛋白
基因变异 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。
红血球碟形
HbA
突变
Байду номын сангаас
Hbs
Hbc
红血球镰刀形
血红蛋白分子有四条多肽链:
两条α链(141个氨基酸/条)、
两条β链(146个氨基酸/条)。 HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差 异在于β链上第6位上氨基酸:
R基 因
酶蛋
淀粉
正常合
白质
分支酶
成淀粉
r 基因
不合成酶 无功能酶
缺少一 种淀粉 分支酶
积累蔗糖 和大量的
水份
表明:R与r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间接实现的。
同时揭示了基因控制性状表达的具体过程及分子基础。
比德尔和塔特姆根据红色面包霉的研究所提出的“一 个基因一个酶”的假说,亦即一个基因通过控制一个酶的 合成来控制某个生化过程,从而影响到某些遗传性状的表 达。
②. rⅡ突变体类型: rⅡA、rⅡB:
两个rⅡA 突变体 K12 无噬菌体繁殖 两个rⅡB 突变体 K12 无噬菌体繁殖 rⅡA + rⅡB突变体 K12 噬菌体繁殖
∴ rⅡA与rⅡB区段可以互补,分属于不同基因座位。
三、基因的作用与性状的表达
在生物的个体发育过程中,基因一旦处于活化状态, 就将它携带的遗传密码,通过mRNA的转录与翻译,形成 特异的蛋白质。
⑵.调控基因(regulator gene): 指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。
⑶.重叠基因(overlapping gene):
指在同一段DNA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。
A
B
C
D
E
F
⑷.隔裂基因(split gene): 指一个基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即
㈡、分子遗传学关于基因的概念: ⑴.揭示遗传密码的秘密:基因 具体物质。
具体内容: 一个基因 DNA分子上一定区段,携带有特殊的遗传信息
转录成RNA(包括mRNA、tRNA、rRNA) 翻译成多肽链, 或对其它基因的活动起调控作用( 如调节基因、启动基因、 操纵基因)。
⑵.基因不是最小遗传单位 更复杂的遗传和变异单位: 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。