遗传学14第十四章缩略 基因表达的调控刘庆昌简要PPT课件
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遗传学15第十四章基因表达的调控
1961年提出了操纵子模型(雅格布、莫诺根)， 提出了操纵子概念，揭示了原核生物基因表
后来又发现了启动基因，这些概念与顺 反子学说相悖．随着DNA重组技术和DNA序 列分析技术的发展，发现操纵基因很短．由 于上述原因，遗传学家陆续剥夺了操纵基因 和启动基因的基因资格，将其称为操作子和 启动子等．
由此可见，人们对基因的认识是不断在发
4. 跳跃基因(jumping gene)
• 早期分子遗传学还认为： – 基因在染色体上的相对位置是固定的
• 转座子(transposon)、转座因子、转位 因子(transposable element) – 某些DNA序列可以在染色体上转变位置 – 转座子转位的过程也是一个遗传重组过 程
(四)、 基因概念发展
(1)结构基因：可编码RNA或蛋白质的一 段DNA序列
(2)调控基因：其产物参与调控其他结 构基因表达的基因
(3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序 ，由于阅读框架(ORF)的不同或终止 早晚的不同，同时编码两个或两个 以上多肽链的现象
(4)隔裂基因：指一个结构基因内部为 一个或更多的不翻译的编码顺序， 如内含子所隔裂的现象
传研究，建立了以基因和染色体为主 体的经典遗传学
结构单位 重组单位
基因
突变单位
功能单位
2、分子遗传学
基因是DNA分子上的一定区段,携 带有特殊的遗传信息，可转录、 翻译，可对其他基因起调节作用
突变子：突变的最小单位 基因 重组子：交换的最小单位
顺反子（作用子）：功能单位 （基因）
基因可进一步分为不同类型：
需要建立一个双突变杂合二倍体， 测定这两个突变间有无互补作用
图 8－2 顺反测验
2、顺式与反式调控
后来又发现了启动基因，这些概念与顺 反子学说相悖．随着DNA重组技术和DNA序 列分析技术的发展，发现操纵基因很短．由 于上述原因，遗传学家陆续剥夺了操纵基因 和启动基因的基因资格，将其称为操作子和 启动子等．
由此可见，人们对基因的认识是不断在发
4. 跳跃基因(jumping gene)
• 早期分子遗传学还认为： – 基因在染色体上的相对位置是固定的
• 转座子(transposon)、转座因子、转位 因子(transposable element) – 某些DNA序列可以在染色体上转变位置 – 转座子转位的过程也是一个遗传重组过 程
(四)、 基因概念发展
(1)结构基因：可编码RNA或蛋白质的一 段DNA序列
(2)调控基因：其产物参与调控其他结 构基因表达的基因
(3)重叠基因：指同一段DNA的编码顺序 ，由于阅读框架(ORF)的不同或终止 早晚的不同，同时编码两个或两个 以上多肽链的现象
(4)隔裂基因：指一个结构基因内部为 一个或更多的不翻译的编码顺序， 如内含子所隔裂的现象
传研究，建立了以基因和染色体为主 体的经典遗传学
结构单位 重组单位
基因
突变单位
功能单位
2、分子遗传学
基因是DNA分子上的一定区段,携 带有特殊的遗传信息，可转录、 翻译，可对其他基因起调节作用
突变子：突变的最小单位 基因 重组子：交换的最小单位
顺反子（作用子）：功能单位 （基因）
基因可进一步分为不同类型：
需要建立一个双突变杂合二倍体， 测定这两个突变间有无互补作用
图 8－2 顺反测验
2、顺式与反式调控
遗传学 第十四章 基因表达的调控幻灯片资料
（四）乳糖操纵子的正调控 大肠杆菌的葡萄糖效应
二、色氨酸操纵子中基因表达时的衰减作用 （一）色氨酸操纵子的结构
编码色氨酸合成相关的五个基因trpE,trpD, TrpC,TrpB,trpA；在这五个结构基因上游有启动 区和操纵基因（trpO）；在第一个结构基因trpE 和trpO之间，有一长达160bp的核苷酸序列，称为 前导序列（L），其中含一段衰减子（A）区段。
lacIs：该突变的效应与lacI-相反，产生的阻遏物分子不 能与乳糖相互作用，而是连在操纵基因序列上，使结构基 因转录关闭。
2、部分二倍体分析
将带调节基因的Fˊ导入E.coli F- 细胞，构建不
同组合的部分二倍体，比较在乳糖存在或没有乳
糖时，野生型和突变型基因的活性。
3、调节基因I的功能及其产物分析 （1）调节基因I的功能 P328 表14-1 （2） lac阻遏物的晶体结构分析
第十四章 基因表达的调控
一、原核生物基因表达的调控
（一）大肠杆菌乳糖操纵子的调控机制 1、大肠杆菌对乳糖的利用和酶诱导 诱导作用（induction) 可诱导系统（inducible system) 与乳糖分解利用相关的酶： β-半乳糖苷酶(Z)；半乳糖透性酶(Y)； 硫代半乳糖苷转乙酰基酶(A).
小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA， PPTmRNA）的不同剪接
2、反式剪接
3、RNA编辑
（三）翻译水平的调控 卵母细胞中隐蔽mRNA的调控。P366
（四）翻译后调节 蛋白质剪接
（五）基因表达中的RNA调节 RNAi , miRNA
（二）大肠杆菌乳糖操纵子的负调控 1961，法国F.Jacob和J.Monod提出
乳糖操纵子学说（operon hypothesis).
生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
操纵子(operon)是原核生物中几个功能相关的 结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协 同单位。操纵子的本质是DNA序列。
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 (二聚化结构域)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 (二聚化结构域)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
遗传学--基因的表达与调控 PPT课件
(2) 核糖体RNA基因（ribosomal RNA genes，简称rDNA）与转移 RNA基因（transfer RNA genes，简称tDNA）:
这类基因只能转录、产生相应的RNA，而不翻译成多肽链，rDNA是专
门转录核糖体RNA的（rRNA），rRNA与相应的蛋白质结合形成核糖体， 为mRNA翻译成多肽链提供场所，tDNA专门转录转移RNA（tRNA）， tRNA的作用是激活氨基酸，因为在多肽链合成时，氨基酸先要被激活， 然后被转移到核糖体上，按照mRNA的信息组装多肽链。显然该类基因 与蛋白质合成密切相关，而且都是多拷贝，因此这类基因即使少数拷贝 发生变化，一般也不会带来严重后果。
1978年，在噬菌中还发现了重叠基因（overlapping gene），一个基因序列可被包含在另一个基因中，两个基因 的序列可以部分重叠
还发现了假基因（pseudogene），同已知的基因相似， 与结构基因的核苷酸顺序大部分同源，处于不同的位点，由 于缺失或突变而不能转录或翻译,也不能正常表达，是没有 功能的基因。
二、基因的微细结构 （一）拟等位基因的概念。 拟等位基因（pseudoalleles）：在同一基因座上，不同的点分别发生了突 变，这些不同的突变点在功能上具有等位性，在表型上具有顺反 结构的差别，但可以通过重组产生野生型。 如：某一对基因的两个突变点 a + 、 + b 突变1： a
+ a2 + a2
突变型2
F1
要看F1 有没有互补作用，有互补作用是二个基因，无互补作用是一个基 因，即 ① 反式排列如为野生型：突变分属于两个基因位点； ② 反式排列如为突变型：突变分属于同一基因位点。 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。
基因的表达和调控PPT讲稿
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白
阻遏蛋白
正转录调控
负转录调控
正转录调控 如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入 这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控 正转录调控。
✓ 在正控诱导系统中，诱导 物的存在使激活蛋白处于活 性状态，转录进行。
✓ 在正控阻遏系统中，效应 物分子的存在使激活蛋白处 于非活性状态，转录不进行。
• 当基因转录使转录产物（RNA）到
不同长度时，核糖体会在对应的 DNA位置上；此时RNA可以形成 某种形式的二级结构；由此决定延 伸复合物的结合能力，从而决定基 因能否继续转录。
细菌的应急反应
• 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿－
－氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难 关，细菌会产生一个应急反应－－停止包括生 产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部 生物化学反应过程。
时被关闭。这种“开-关”(on-off)活性是通过调节转录来建立的。
即通过调节mRNA的合成来实现的
✓ 一个系统处于“off”状态时可能是本底水平的基因
表达，常常是每世代每个细胞合成1～2个mRNA分 子和极少量的蛋白质分子。必须明白所谓“关”实 际的意思是基因表达量特别低，或者无法检测。
5．1 原核基因表达调控总论
• 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸
(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两 种物质的诱导物是空载tRNA。
• 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基
酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转 移酶，使ppGpp大量合成。
• ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧
• 在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻
基因表达调控PPT课件
基因表达的调节与基因的结构、性质， 生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细 胞内所存在的转录调节蛋白有关。
1. 顺式作用元件：特异DNA序列 2. 反式作用因子：特定调节蛋白质
14
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
蛋白质因子
操纵序列 (operator)
• 可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物 质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
34
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
诱导物
如果某种物质 能够促使细菌产生 酶来分解它，这种 物质就是诱导物。
合时，结构基因不转录。
38
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 • 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激 活蛋白处于活性状态； • 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使 激活蛋白处于非活性状态。
39
40
三、乳糖操纵子（lac operon）
能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 • A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基
转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
43
44
2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
无乳糖存在时
阻遏物结合在操纵基因上→阻 止转录过程→基因关闭
45
2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
有乳糖存在时
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
1. 顺式作用元件：特异DNA序列 2. 反式作用因子：特定调节蛋白质
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原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
蛋白质因子
操纵序列 (operator)
• 可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物 质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
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酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
诱导物
如果某种物质 能够促使细菌产生 酶来分解它，这种 物质就是诱导物。
合时，结构基因不转录。
38
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 • 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激 活蛋白处于活性状态； • 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使 激活蛋白处于非活性状态。
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三、乳糖操纵子（lac operon）
能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 • A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基
转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
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2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
无乳糖存在时
阻遏物结合在操纵基因上→阻 止转录过程→基因关闭
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2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
有乳糖存在时
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
新编文档第十四章基因的表达与调控精品文档PPT课件
代谢中基因表达的调控机制 22
A
乳糖操纵元模型
B
乳糖操纵元的负调控
C
I a 1
b
I
P
O
L
3
2
P
O
L
Z
Y
A
Z
Y
A
I
P
O
L
Z
Y
A
m RNA
Z
Y
A
I
P
O
L
Z
Y
A
D
两种组成型突变： I→I—，O→Oc, 在有无 诱导物时均可大量组成 E
11
顺式调控：突变只影响到与其邻近 的编码序列，即基因本身不能表 达，并不影响其它等位基因。这 种突变称为顺式调控
反式调控：如果是调控蛋白质发生 突变，形成的蛋白质不能与这个 基因的启动子结合，这将会影响 到与这个蛋白质结合的所有等位 基因位点，导致这些基因不能表 达，这种突变称为反式调控 12
R
基因 两个不同的突变(S或C)，即 A → S或A → C导致镰形 红血球
酶→间接地影响生物性状的表达
16
作
用
子
DNA
GTA CAT
CAT GTA
CTT GAA
ACT TGA
CCT GGA
A
mRNA 密码子
GUA CAU CUU ACU CCU
GAA CTT
GAA
氨基酸 缬 组 亮 苏 脯
谷
DNA
S mRNA
密码子
GTA CAT
GUA
氨基酸
缬
C DNA
AAA TTT
mMRNA 密码子
AAA
氨基酸
赖
GAA CTT
A
乳糖操纵元模型
B
乳糖操纵元的负调控
C
I a 1
b
I
P
O
L
3
2
P
O
L
Z
Y
A
Z
Y
A
I
P
O
L
Z
Y
A
m RNA
Z
Y
A
I
P
O
L
Z
Y
A
D
两种组成型突变： I→I—，O→Oc, 在有无 诱导物时均可大量组成 E
11
顺式调控：突变只影响到与其邻近 的编码序列，即基因本身不能表 达，并不影响其它等位基因。这 种突变称为顺式调控
反式调控：如果是调控蛋白质发生 突变，形成的蛋白质不能与这个 基因的启动子结合，这将会影响 到与这个蛋白质结合的所有等位 基因位点，导致这些基因不能表 达，这种突变称为反式调控 12
R
基因 两个不同的突变(S或C)，即 A → S或A → C导致镰形 红血球
酶→间接地影响生物性状的表达
16
作
用
子
DNA
GTA CAT
CAT GTA
CTT GAA
ACT TGA
CCT GGA
A
mRNA 密码子
GUA CAU CUU ACU CCU
GAA CTT
GAA
氨基酸 缬 组 亮 苏 脯
谷
DNA
S mRNA
密码子
GTA CAT
GUA
氨基酸
缬
C DNA
AAA TTT
mMRNA 密码子
AAA
氨基酸
赖
GAA CTT
基因表达调控 ppt课件
转录起始点
DNA B A
RNA聚合酶Ⅱ
编码序列
mRNA
DNA A mRNA
转录起始点
RNA聚合酶Ⅱ
B
ppt课件
46
真核生物基因中的一些调控序列
（1）启动子 （2）增强子 （3）沉默子
（4）终止子
（5）绝缘子 等等
ppt课件
47
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 通透酶 A：乙酰基转移酶
CAP：分解物基因激活蛋白
ppt课件 15
乳糖操纵子携带了细菌分解乳糖所需的三个 关键酶的基因： β-半乳糖苷酶 由lacZ基因编码，功能是切断乳 糖的半乳糖苷键，而产生半乳糖和葡萄糖 β-半乳糖苷通透酶 由lacY基因编码，功能是构 成转运系统，将半乳糖转运入到细胞中 β-半乳糖苷乙酰转移酶 由lacA基因编码，功能 是将乙酰CoA上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上
ppt课件
16
调节基因
其他调 启动子 节元件 (promoter)
编码序列
调节 蛋白
ppt课件
操纵元件 (operator)
17
操纵子的结构
基本序列
操纵子 特殊序列
启动子 编码序列（结构基因） 终止子
操纵元件 其他调控元件 （如CAP位点、衰减子，等等）
ppt课件 18
乳糖操纵子调控机制
1. 阻遏蛋白的负性调节
ppt课件
42
哺乳动物一生中DNA 甲基化水平经历了2 次显著变 化: ①在受精卵最初几次卵裂中，去甲基化酶清除了 DNA 分子上几乎所有从亲代遗传来的甲基化标志； ②在胚胎植入子宫时，构建性甲基化酶使DNA重新 建立一个新的甲基化模式。细胞内新的甲基化模 式一旦建成，即可通过甲基化以“甲基化维持” 的形式将新的DNA 甲基化传递给所有子细胞 DNA 分子。
DNA B A
RNA聚合酶Ⅱ
编码序列
mRNA
DNA A mRNA
转录起始点
RNA聚合酶Ⅱ
B
ppt课件
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真核生物基因中的一些调控序列
（1）启动子 （2）增强子 （3）沉默子
（4）终止子
（5）绝缘子 等等
ppt课件
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O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 通透酶 A：乙酰基转移酶
CAP：分解物基因激活蛋白
ppt课件 15
乳糖操纵子携带了细菌分解乳糖所需的三个 关键酶的基因： β-半乳糖苷酶 由lacZ基因编码，功能是切断乳 糖的半乳糖苷键，而产生半乳糖和葡萄糖 β-半乳糖苷通透酶 由lacY基因编码，功能是构 成转运系统，将半乳糖转运入到细胞中 β-半乳糖苷乙酰转移酶 由lacA基因编码，功能 是将乙酰CoA上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上
ppt课件
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调节基因
其他调 启动子 节元件 (promoter)
编码序列
调节 蛋白
ppt课件
操纵元件 (operator)
17
操纵子的结构
基本序列
操纵子 特殊序列
启动子 编码序列（结构基因） 终止子
操纵元件 其他调控元件 （如CAP位点、衰减子，等等）
ppt课件 18
乳糖操纵子调控机制
1. 阻遏蛋白的负性调节
ppt课件
42
哺乳动物一生中DNA 甲基化水平经历了2 次显著变 化: ①在受精卵最初几次卵裂中，去甲基化酶清除了 DNA 分子上几乎所有从亲代遗传来的甲基化标志； ②在胚胎植入子宫时，构建性甲基化酶使DNA重新 建立一个新的甲基化模式。细胞内新的甲基化模 式一旦建成，即可通过甲基化以“甲基化维持” 的形式将新的DNA 甲基化传递给所有子细胞 DNA 分子。
基因表达调控的基本内容 ppt课件
➢可诱导或可阻遏基因除受启动序列或启动子与RNA聚 合酶相互作用的影响外，尚受其它机制调节（如：增 强子）。
2.3 协调调节
➢在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论 其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为 协调表达。这种调节称为协调调节。
三、基因表达的特点
（一）时间特异性（阶段特异性）
Temporal Specificity (Stage Specificity)
（二）空间特异性（ 组织/细胞特异性）
Spatial Specificity (Tissue/Cell Specificity)
（一）时间特异性
按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺 序发生。 • 甲胎蛋白 •碱性磷酸酶 • 受精卵发育
1、真核基因与原核基因的结构特点 ➢真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不 连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一 条多肽链）
2、原核基因表达调控特点
➢σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 ➢操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调 控单个启动基因的活性来完成协调表达 ➢阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导
➢这种结合通常是非共价结合 ➢多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作 用形成二聚体或多聚体
3.2 蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结 合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的 DNA结合能力
3.3 RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活 性体现
五、原核与真核基因表达调控的区别
3、真核基因表达调控特点
➢活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结 构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少 ➢正性调节占主导 ➢转录与翻译分隔进行 ➢转录后修饰、加工 ➢RNA聚合酶有三种
2.3 协调调节
➢在一定机制控制下，机能上相关的一组基因，无论 其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为 协调表达。这种调节称为协调调节。
三、基因表达的特点
（一）时间特异性（阶段特异性）
Temporal Specificity (Stage Specificity)
（二）空间特异性（ 组织/细胞特异性）
Spatial Specificity (Tissue/Cell Specificity)
（一）时间特异性
按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺 序发生。 • 甲胎蛋白 •碱性磷酸酶 • 受精卵发育
1、真核基因与原核基因的结构特点 ➢真核细胞基因组非常复杂：结构庞大、重复序列、不 连续性、单顺反子（一个编码基因转录、翻译生成一 条多肽链）
2、原核基因表达调控特点
➢σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 ➢操纵子（元）模型的普遍性：多顺反子转录，通过调 控单个启动基因的活性来完成协调表达 ➢阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性：负性调节占主导
➢这种结合通常是非共价结合 ➢多数调节蛋白结合DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作 用形成二聚体或多聚体
3.2 蛋白质-蛋白质相互作用：二聚体是调节蛋白结 合DNA时最常见的形式，杂二聚体比同二聚体具更强的 DNA结合能力
3.3 RNA聚合酶：转录激活调节最终由RNA聚合酶活 性体现
五、原核与真核基因表达调控的区别
3、真核基因表达调控特点
➢活性染色体结构变化：对核酸酶高度敏感、拓扑结 构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少 ➢正性调节占主导 ➢转录与翻译分隔进行 ➢转录后修饰、加工 ➢RNA聚合酶有三种
生物遗传学基因的调控与发育PPT教学课件
一部分细胞总是保留完整的基因组，将来发育为生殖 细胞；
丢失了部分染色体的细胞分化为体细胞。
18
马蛔虫受精卵的早期分裂
19
基因重排
人体可产生108以上不同的抗体分子 每一种特异抗体具有不同的氨基酸序列 人类基因组中编码蛋白质的基因大概只有30000个 编码抗体分子需要的基因是人体基因总数的1000倍!
基因扩增
两栖动物蟾蜍的卵母细胞很大，是 正常体细胞的100倍，需要合成大量蛋白 质，所以需要大量核糖体。在卵母细胞 发育过程中，rRNA基因数目临时增加 4000倍。
17
基因丢失
马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂 是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子 细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细 胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。
海胆卵内的mRNA在受精前是不翻译的，一旦受 精，蛋白质的合成立即开始。
37
地中海伞藻的生活史
38
千年古莲发芽之谜
39
1.3.5 翻译后调控
直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的， 必须经过加工才具有活性。
蛋白质的切割 蛋白质的化学修饰
40
真核生物与原核生物正负调控作用的比较
基因调控与发育
基因表达与调控 发育与细胞分化
1
1 基因表达与调控
生物的遗传信息以基因的形式储藏在细胞 的DNA分子中的。随着个体的发育，DNA有序 地将遗传信息通过转录和翻译转变成蛋白质， 执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。
从DNA到蛋白质，叫做“基因表达”，对 这个过程的调节就称为“基因表达调控”。
3
1.1 基因表达的时间性与空间性
时间特异性
丢失了部分染色体的细胞分化为体细胞。
18
马蛔虫受精卵的早期分裂
19
基因重排
人体可产生108以上不同的抗体分子 每一种特异抗体具有不同的氨基酸序列 人类基因组中编码蛋白质的基因大概只有30000个 编码抗体分子需要的基因是人体基因总数的1000倍!
基因扩增
两栖动物蟾蜍的卵母细胞很大，是 正常体细胞的100倍，需要合成大量蛋白 质，所以需要大量核糖体。在卵母细胞 发育过程中，rRNA基因数目临时增加 4000倍。
17
基因丢失
马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂 是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子 细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细 胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。
海胆卵内的mRNA在受精前是不翻译的，一旦受 精，蛋白质的合成立即开始。
37
地中海伞藻的生活史
38
千年古莲发芽之谜
39
1.3.5 翻译后调控
直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的， 必须经过加工才具有活性。
蛋白质的切割 蛋白质的化学修饰
40
真核生物与原核生物正负调控作用的比较
基因调控与发育
基因表达与调控 发育与细胞分化
1
1 基因表达与调控
生物的遗传信息以基因的形式储藏在细胞 的DNA分子中的。随着个体的发育，DNA有序 地将遗传信息通过转录和翻译转变成蛋白质， 执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。
从DNA到蛋白质，叫做“基因表达”，对 这个过程的调节就称为“基因表达调控”。
3
1.1 基因表达的时间性与空间性
时间特异性
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23
图 14－2 乳糖操纵 元模型
没有乳糖时：
有乳糖时：
24
目前，通过遗传分析证明lac操纵元的存在 ；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了 阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱 导物及操纵子序列结合的结构。
25
阻遏蛋白结构及其与操纵子DNA结合模式图
DNA
DNA
诱导物
阻遏蛋白
阻遏物四聚体
cAmp -CAP O1,O2
19
❖ 负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的 调控。 ❖ 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互 作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结合 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。 原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中则 主要是正调控机制。
20
图 14-1 正调控和负调控
S Benzer(1955)，T4突变型
T4野生型在E. Coli菌苔上产生小而不规则噬菌斑。
其中，rII在E.Coli B形成大而圆噬菌斑，在 K12(λ)上
不能生长。两个rII,x,y
问题*：rIIx， rIIy,是不是同一个突变，同一个基因？
噬菌体T4
大肠杆菌品系
野生型
B 野生型
K12(λ) 野生型
5
一、经典遗传学中关于基因的概念
经典遗传学 基因概念，基因具有下列共性： ●基因具有染色体的主要特性：能自我复制，有相对的稳定性 ，在有丝分裂和减数分裂中有规律的进行分配； ●交换单位； ●突变单位 ●功能单位 基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。
6
二、现代遗传学关于基因的概念
★1957年法国遗传学家本泽尔 ★顺反测验（cis trans test）
rII
rLeabharlann ＼14T4噬菌体 rⅡ突变位点间距离测定
问题：有两个独立起源的 隐性突变，同一基因还是不 同基因？
15
（二）、顺反测验与顺反子
在二倍体生物中，建立双突变杂合体。 双突变体杂合体有两种形式，即顺式(cis)和反式(trans) ，如图所示
16
17
（二）、顺反测验与顺反子
互补测验，也称为顺反测验(cis-trans test)。 反式双杂合体：
顺反子（cistron）学说
现代遗传学的概念： ★突变子(muton)， ★重组子 (recon)， ★顺反子(作用子)(cistron)
顺反子：这一术语表示一个起作用的单位，
基本上符合通常指的基因。一个作用子所包括
的一段DNA与一个多肽链的合成相对应
7
现代遗传学基因概念
★可转录一条完整的RNA分子，或编 码一条多肽链；
第十四章 基因表达的调控
第一节基因的概念和发展 第二节 原核生物的基因调控 第三节 真核生物的基因调控
1
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
2
基因调控
控制特定基因产物合成的机制称为基因调控 (gene regulation)
21
第二节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控 →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。
22
1、乳糖操纵元模型
大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳 糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增 加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢酶 基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖 操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表 达的调控机制
学理论
rII突变具有共同性状，rII
区段为一个基因；
如果基因是最小的功能单
位，它也是一个顺反子。
Benzer顺反测验：
100多个rII突变型可以分为
A、B两组，组间突变型间能
够突变，而组内的突变型间
不能互补；
与rII区段连锁图对照发现
：两组突变分别位于rII区段
的两端 | A | B |。
2 gene
3
第一节 基因的概念与发展
一、经典遗传学
→孟德尔称控制性状的因子为遗传因子 →1909年约翰生提出了基因这个名词，
取代孟德尔的遗传因子 →摩尔根等人对果蝇、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
4
一、经典遗传学中基因的概念 二、现代遗传学关于基因的概念 三、顺反测验及基因的微细结构 四、基因的类型
★功能上被顺反测验(cis-trans test)或 互补测验(complementary test)所规定。
8
基因的类型
▲结构基因 (structural gene)
9
▲调控基因 (regulator gene)
10
▲重叠基因(overlapping gene) 指同一段DNA的编码顺序， 由于阅读框架(open reading frame，ORF)的不同或终止早 晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的现象;
26
阻遏物与CAP、O1、 O2等结合
乳糖操纵元的正调控：
-半乳糖苷酶
乳糖
葡萄糖 半乳糖 转化 葡萄糖
因此： ➢当有葡萄糖存在，细菌细胞就不产生 半乳糖苷酶。
27
乳糖操纵元的正调控： ◆除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外 ，其它因子也能有效地抑制lac mRNA转 录，这个因子的活性与葡萄糖有关：
突变型无互补作用为同一功能单位的突变，同一基因 野生型有互补作用为不同功能单位的突变。
Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子 (cistron)，顺反子内发生的突变间不能互补。
功能单位 顺反子 基因
18
（二）、顺反测验与顺反子
rII区段是一个基因吗？
rII区段突变的性质：经典遗传
28
◆葡萄糖可以抑制腺苷酸环化酶(adenyl cyclase) 的活性。
腺苷酸环化酶
(adenyl cyclase)
ATP前体
环式Amp (cAmp)
cAmp + 代谢激活蛋白 (catabolite activating protein（CAP)
11
基因类型： ▲隔裂基因(split gene) 指一个结构基因内部为一个或更多 的不翻译的编码顺序，如内含子(intron)所隔裂的现象；
12
▲跳跃基因(jumping gene) 可作为插入因子和转座因子移动 的DNA序列，有人将它作为转座因子的同义词；
13
三、顺反测验及基因的精细结构
（一）T4噬菌体 rⅡ的重组
图 14－2 乳糖操纵 元模型
没有乳糖时：
有乳糖时：
24
目前，通过遗传分析证明lac操纵元的存在 ；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了 阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱 导物及操纵子序列结合的结构。
25
阻遏蛋白结构及其与操纵子DNA结合模式图
DNA
DNA
诱导物
阻遏蛋白
阻遏物四聚体
cAmp -CAP O1,O2
19
❖ 负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的 调控。 ❖ 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相互 作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结合 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。 原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中则 主要是正调控机制。
20
图 14-1 正调控和负调控
S Benzer(1955)，T4突变型
T4野生型在E. Coli菌苔上产生小而不规则噬菌斑。
其中，rII在E.Coli B形成大而圆噬菌斑，在 K12(λ)上
不能生长。两个rII,x,y
问题*：rIIx， rIIy,是不是同一个突变，同一个基因？
噬菌体T4
大肠杆菌品系
野生型
B 野生型
K12(λ) 野生型
5
一、经典遗传学中关于基因的概念
经典遗传学 基因概念，基因具有下列共性： ●基因具有染色体的主要特性：能自我复制，有相对的稳定性 ，在有丝分裂和减数分裂中有规律的进行分配； ●交换单位； ●突变单位 ●功能单位 基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。
6
二、现代遗传学关于基因的概念
★1957年法国遗传学家本泽尔 ★顺反测验（cis trans test）
rII
rLeabharlann ＼14T4噬菌体 rⅡ突变位点间距离测定
问题：有两个独立起源的 隐性突变，同一基因还是不 同基因？
15
（二）、顺反测验与顺反子
在二倍体生物中，建立双突变杂合体。 双突变体杂合体有两种形式，即顺式(cis)和反式(trans) ，如图所示
16
17
（二）、顺反测验与顺反子
互补测验，也称为顺反测验(cis-trans test)。 反式双杂合体：
顺反子（cistron）学说
现代遗传学的概念： ★突变子(muton)， ★重组子 (recon)， ★顺反子(作用子)(cistron)
顺反子：这一术语表示一个起作用的单位，
基本上符合通常指的基因。一个作用子所包括
的一段DNA与一个多肽链的合成相对应
7
现代遗传学基因概念
★可转录一条完整的RNA分子，或编 码一条多肽链；
第十四章 基因表达的调控
第一节基因的概念和发展 第二节 原核生物的基因调控 第三节 真核生物的基因调控
1
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
2
基因调控
控制特定基因产物合成的机制称为基因调控 (gene regulation)
21
第二节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控 →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。
22
1、乳糖操纵元模型
大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳 糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增 加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢酶 基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖 操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表 达的调控机制
学理论
rII突变具有共同性状，rII
区段为一个基因；
如果基因是最小的功能单
位，它也是一个顺反子。
Benzer顺反测验：
100多个rII突变型可以分为
A、B两组，组间突变型间能
够突变，而组内的突变型间
不能互补；
与rII区段连锁图对照发现
：两组突变分别位于rII区段
的两端 | A | B |。
2 gene
3
第一节 基因的概念与发展
一、经典遗传学
→孟德尔称控制性状的因子为遗传因子 →1909年约翰生提出了基因这个名词，
取代孟德尔的遗传因子 →摩尔根等人对果蝇、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
4
一、经典遗传学中基因的概念 二、现代遗传学关于基因的概念 三、顺反测验及基因的微细结构 四、基因的类型
★功能上被顺反测验(cis-trans test)或 互补测验(complementary test)所规定。
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基因的类型
▲结构基因 (structural gene)
9
▲调控基因 (regulator gene)
10
▲重叠基因(overlapping gene) 指同一段DNA的编码顺序， 由于阅读框架(open reading frame，ORF)的不同或终止早 晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的现象;
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阻遏物与CAP、O1、 O2等结合
乳糖操纵元的正调控：
-半乳糖苷酶
乳糖
葡萄糖 半乳糖 转化 葡萄糖
因此： ➢当有葡萄糖存在，细菌细胞就不产生 半乳糖苷酶。
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乳糖操纵元的正调控： ◆除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外 ，其它因子也能有效地抑制lac mRNA转 录，这个因子的活性与葡萄糖有关：
突变型无互补作用为同一功能单位的突变，同一基因 野生型有互补作用为不同功能单位的突变。
Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子 (cistron)，顺反子内发生的突变间不能互补。
功能单位 顺反子 基因
18
（二）、顺反测验与顺反子
rII区段是一个基因吗？
rII区段突变的性质：经典遗传
28
◆葡萄糖可以抑制腺苷酸环化酶(adenyl cyclase) 的活性。
腺苷酸环化酶
(adenyl cyclase)
ATP前体
环式Amp (cAmp)
cAmp + 代谢激活蛋白 (catabolite activating protein（CAP)
11
基因类型： ▲隔裂基因(split gene) 指一个结构基因内部为一个或更多 的不翻译的编码顺序，如内含子(intron)所隔裂的现象；
12
▲跳跃基因(jumping gene) 可作为插入因子和转座因子移动 的DNA序列，有人将它作为转座因子的同义词；
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三、顺反测验及基因的精细结构
（一）T4噬菌体 rⅡ的重组