第十章 基因表达与调控

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浙江大学 遗传学第十章
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四、基因的作用与性状的表现
某 段
DNA
rRNA 如发生致死突变,不能形成核糖体,易死亡。 tRNA 发生突变后, 多肽链改变。 转录 mRNA
翻 译
结构蛋白
直接
性 状
蛋白质
生物酶
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间接
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1. 结构蛋白: 基因变异 直接影响蛋白质
第十章 基因表达与调控
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本章重点
* 1.基因概念及其发展。 2.原核生物基因调控:操纵元模型。 3.真核生物基因调控: DNA、转录和翻译三个水平。
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第一节
基因的概念
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Байду номын сангаас
一、基因的概念及其发展: ㈠、经典遗传学关于基因的概念:
①.孟德尔:
当既有大量半乳糖又有葡萄糖时,基因表达将会怎样?
基因不表达,存在新的调节因子来控制乳糖操纵子开启,这
个因子的活性与葡萄糖有关。 葡萄糖可使腺苷酸环化酶活性降低; 而腺苷酸环化酶能将ATP转变成cAmP。
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cAmP 又与代谢激活蛋 白 ( catabolite activating protein, CAP)结合 形成 cAmP-CAP复合物,作为lac 操纵子正调控因子。当 cAmP-CAP 复合物二聚体插 入到lac特异启动子序列时 使 DNA 构 型 发 生 变 化 , 而 RNA聚酶与该新构型的DNA 结合紧密,转录效率高。
2 r r 噬菌体数 重组值 100% 总噬菌体数 2 K 12 ( )株上生长的噬菌斑数 100% B株上生长的噬菌斑总数
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: r47 r104 r101 r106 r31 r107
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乳糖操纵元(操纵子):
1. 乳糖操纵元模型: 1961年,雅各布(Jacob F.)和莫诺(Monod J.) 的操纵元模型:
操纵元:细菌的主要基因调控单位,也就是转录单位。 如:大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:
①. -半乳糖酶:将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖;
②. 渗透酶:增加糖的渗透,易于摄取乳糖和半乳糖; ③. 转乙酰酶: -半乳糖转变成乙酰半乳糖。
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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现象。
血红蛋白分 子 的四条多 肽链
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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,还是属于两个基因突变? 即判断是否属于等位基因? ①.建立双突变杂合二倍体; ②.测定突变间有无互补作用。
关闭状态; 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。
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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; 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。
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1.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),
其表现型 野生型。 实质上是进行反式测验(反式排列:是两个突变座位位于不
同的染色体上)。
的小单位。
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⑶. 现代遗传学认为:
①.突变子(muton):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(recon):性状重组时,可交换的最小单位。 一个交换子可以只包含一个碱基对。
③.顺反子(cistron):表示一个作用的单位,基本符合
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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。
一个基因 DNA分子上一定区段,携带有特殊遗传
信息 转录成RNA 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
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
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: HbA第6位为谷氨酸(GAA、GAG); HbS第6位为缬氨酸(GUA、GUG); HbC第6位为赖氨酸(AAA、AAG)。
E
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F
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⑷.隔裂基因(split gene):
指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。 内含子(intron):DNA序列中不出现在成熟mRNA的片段;
外显子(extron):DNA序列中出现在成熟mRNA中的片段。
extron
卵清蛋白 基因
⑸.跳跃基因(jumping gene):
lac 调控基因
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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。 在一些细菌和动物病毒中有重 叠基因,最早由Sanger于1977年发 现了ΦΧ174单链DNA病毒中有6个 基因是重叠的。 A B C D
③. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 有乳糖时,基因表达; ④. 抑制基因突变(I-O+Z+Y+A+), 无乳糖时,基因组成型表达;
⑤. 操纵基因突变型(I+OcZ+Y+A+),
无乳糖时,基因组成型表达。
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3. 乳糖操纵元的正调控:
当有乳糖存在时,操纵子开启,基因进行表达。
3.有互补作用:
突变来自不同的基因,则每个突变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。
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㈡、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 分析T4 噬菌体rⅡ区基因的微细结构。
⑴.原理:
r+ 野生型T4噬菌体:侵染E.coli B株和K12株; rⅡ突变型T4噬菌体:只侵染B株,不能侵染K12(λ)株。 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+ 计算出两个r+ 突变 座位间的重组频率。
大量乳糖时:大肠杆菌三种酶的数量急剧增加,几分钟
即可达到千倍以上,这三种酶能够成比例地增加; 乳糖消耗完:这三种酶的合成也即同时停止。
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2. 乳糖操纵元的负调控: ①. 乳糖操纵元组成部分; ②. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),
阻遏蛋白 RNA聚合酶 乳糖
无乳糖时,基因不表达;
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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
r+ ry 、 rx r+ r+ r+、 rx ry 四种基因型
K12 (λ) 株
计数 r+ r+ 仅生长一 种重组型
均能生长
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。
基因具有染色体的主要特性:自我复制和相对稳定性,
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。
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结论:必然有一个基因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;
②. 转录水平;
③. 翻译水平。
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一、原核生物的基因调控:
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㈠、转录水平的调控:
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
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。
S Hb
HbA
HbS
HbC
2. 酶蛋白: 例如:豌豆: 圆粒(RR)× 皱粒(rr) F1 圆粒(Rr) F21/4皱粒。 R 基 因 r 基 因
1.3
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1.0
1.6
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1.9
1.6
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②. rⅡ突变体类型: rⅡA、 rⅡB:
两个rⅡA 突变体混合
K12
无噬菌体繁殖
两个rⅡB 突变体混合 rⅡA + rⅡB突变体
K12 K12
无噬菌体繁殖 噬菌体繁殖
∴ rⅡA与rⅡB区段可以互补,分属于不同基因座位。
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紫外灯下的 DNA
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㈢、分子遗传学对基因概念的新发展:
⑴.结构基因(structural gene):
指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。其RNA/
蛋白质或直接具有功能或参加某些功能。
rRNA基因
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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。
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。
2.无互补作用: 则个体表现为突变型,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。
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通常所述基因的大小或略小。所包括的一段 DNA与 一个多肽链合成相对应;平均为500~1500个碱基对。
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⑷.现代遗传学的基因概念:
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 保留功能单位的解释,而抛弃最小结构单位说法。 基因:相当于一个顺反子, 包含许多突变子和 重组子。
酶蛋白
淀粉 分枝酶 缺少一 种淀粉 分枝酶
正常合 成淀粉
积累蔗糖 和大量的 水分
不合成酶 无功能酶
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
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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。 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?
Ac转座酶活性被激活,转座发生性状发生改变
玉米转座子系统
* 金鱼草转座子系统:
金鱼草中最少含有四种转座子(Tam),含有12或13bp 的插入重复顺序。其中Tam1、Tam2和Tam3转座子分别为 15kb、 5kb和3.6kb长度。 Tam转座子用于控制花的生物合成基因研究。 ∵突变结果很容易通过表现型变异加以鉴定。
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:在同一染色体内或不同染色体之间移动 引起 插入突变、DNA结构变异(如重复、缺失、畸变) 通过 表现型变异得到鉴别。 遗传工程:转座子标签法。
玉米转座子现象
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Ac转座酶活性没有被激活,无转座发生
三、顺式与反式调控
1. 顺式调控: 如基因启动子发生突变,使调控蛋白不能识别启动子
结构,基因不能表达,这种只影响基因本身表达、不影响
其它等位基因调控的突变称顺式调控。 2. 反式调控: 调控蛋白发生突变,不能与这个基因的启动子结合,
将可影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点
表达这种突变称为反式调控。
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) 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。 基因是化学实体,以念珠状直线排列在染色体上。
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基因共性(按照经典遗传学关于基因的概念):
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