基因的调控与发育PPT课件
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.
10
大肠杆菌的乳糖代谢
需要两种酶： β-半乳糖苷酶 β-半乳糖苷透性酶
.
11
1.2.1 乳糖操纵子的结构
调控基因 控制位点 结构基因
I
PO
Z
Y
A DNA
β
阻 遏 蛋 白
启操 动纵 子子
半 乳 糖
苷
酶
半半 乳乳 糖糖 苷乙 酶酰 通转
透移
酶酶
.
12
β-半乳糖苷酶：一种β-半乳糖苷键的专一性酶， 除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳 糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞 内。
β-半乳糖苷乙酰基转移酶：把乙酰辅酶A上的乙 酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
.
13
1.2.2 乳糖操纵子的 负调控
无乳糖存在时，阻遏 物可以结合在操纵基 因上， 阻止转录过 程 ，基因关闭；
.
6
1.2 基因表达的方式
组成性表达(constitutive expression) 诱 导 和 阻 遏 表 达 (induction and
repression expression）
.
7
组成性表达：
某些基因产物对生命全过程是必需的或必不可 少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中 持续表达，称为管家基因（housekeeping gene）。
.
9
1.2 原核基因的调控——操纵子学说
1960年，法国的Monod与Jacob在《法国科学院院报》上 发表了一篇论文，提出“乳糖操纵子学说”，认为乳糖 代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。
他们首先提出了操纵子（operon）和操纵基因（operator） 的概念，这一学说使我们从分子水平开始认识基因表达 的调控，具有划时代的意义，因此他们二人于1965年荣 获诺贝尔生理学奖。
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21
1.3 真核生物基因表达的调控
➢ DNA水平上的调控 ➢ 转录水平的调控 ➢ 转录后调控 ➢ 翻译水平上的调控 ➢ 翻译后调控
.
22
1.3.1 DNA水平的调控
通过改变基因组中有关基因的数量和结构顺序而控制 基因的表达。
包括: 基因扩增 基因丢失 基因重排 基因的化学改变 其中有些改变是可逆的
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布 差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所 以 空 间 特 异 性 又 称 细 胞 或 组 织 特 异 性 （ cell or tissue specificity）。
.
5
从上所述，不难看出：
生物的基因表达不是杂乱无章的， 而是受着严密、精确调控的，不仅生命 的遗传信息是生物生存所必需的，而且 遗传信息的表达调控也是生命本质所在。
cAMP
cAMP与CAP（分解代谢物基因活化蛋白）的复合体， 是乳糖操纵子的正调控因子。
.
16
.
17
葡萄糖和乳糖对cAMP-CAP调节操作子的可能模式
无葡萄糖，无乳糖：
cAMP
阻遏蛋白
CAP 启动子
C点AP结合位
操纵序列
有葡萄糖，无乳糖：
无葡萄糖，有乳糖：
RNA聚合酶
有葡萄糖，有乳糖：
2
.
18
当培养基中葡萄糖浓度升高而乳糖浓度降低时
.
3
1.1 基因表达的时间性与空间性
时间特异性
按功能需要，某一特定基因的表达严格按特 定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异 性（temporal specificity）。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段 特异性（stage specificity）。
.
4
空间特异性
在个体生长全过程，某种基因产物在个体按 不同组织空间出现，称之为基因表达的空间特异 性（spatial specificity）。
.
2
➢ 生物的所有基因不是同时全部都表达，大肠杆 菌含有约4000个基因，一般情况下只有5－ 10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较 低水平的表达，有的就暂时不表达。
➢ 基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心 课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态 结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表 达调控的时间和空间概念。
第十一章 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”。
管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各 个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达， 或变化很小。
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8
诱导和阻遏表达
有一些基因表达极易受环境变化影响，在特定 环境信号刺激下，这些基因的表达或是被激活 （诱导），或是被抑制（阻遏）。
诱导表达是属于基因表达的“正调控”，阻遏 表达是属于基因表达的“负调控”。
.
23
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。
CAP促进RNA聚合酶与启动基因结合
基因转录激活
.
20
乳糖操纵子的双调控系统
(1) 受乳糖与阻遏蛋白的负调控; (2) 受cAMP-CAP的正调控系统，葡萄糖通过调节 cAMP的合成间接调控这一过程。
若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在时，先利用葡萄糖 是最节能。通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而 抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖 。乳糖操纵子 强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。
细胞中cAMP浓度降低 CAP失活
缺乏乳糖与阻遏蛋白结合
阻遏蛋白的负性调节
RNA聚合酶不能与启动基因结合 阻抑蛋白与操纵基因结合
基因转录被阻遏
.
19
当培养基中葡萄糖浓度降低而乳糖浓度升高时
细胞中cAMP浓度升高
乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合
cAMP与CAP结合并使之激合 CAP的正性调节
促使阻抑蛋白与操纵基因分离
有乳糖存在时，乳糖 与阻遏物结合，使阻 遏物不能结合操纵基 因，基因开放。
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1.2.3 乳糖操纵子的正调控
调控基因 控制位点 结构基因
I
PO
Z
Y
A DNA
β
阻 遏 蛋 白
启操 动纵 子子
半 乳 糖
苷
cAMP-
酶
CAP结合
位点
半半 乳乳 糖糖 苷乙 酶酰 通转 透移 酶酶
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cAMP-CAP
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大肠杆菌的乳糖代谢
需要两种酶： β-半乳糖苷酶 β-半乳糖苷透性酶
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1.2.1 乳糖操纵子的结构
调控基因 控制位点 结构基因
I
PO
Z
Y
A DNA
β
阻 遏 蛋 白
启操 动纵 子子
半 乳 糖
苷
酶
半半 乳乳 糖糖 苷乙 酶酰 通转
透移
酶酶
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β-半乳糖苷酶：一种β-半乳糖苷键的专一性酶， 除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳 糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞 内。
β-半乳糖苷乙酰基转移酶：把乙酰辅酶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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1.2.2 乳糖操纵子的 负调控
无乳糖存在时，阻遏 物可以结合在操纵基 因上， 阻止转录过 程 ，基因关闭；
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1.2 基因表达的方式
组成性表达(constitutive expression) 诱 导 和 阻 遏 表 达 (induction and
repression expression）
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组成性表达：
某些基因产物对生命全过程是必需的或必不可 少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中 持续表达，称为管家基因（housekeeping gene）。
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1.2 原核基因的调控——操纵子学说
1960年，法国的Monod与Jacob在《法国科学院院报》上 发表了一篇论文，提出“乳糖操纵子学说”，认为乳糖 代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。
他们首先提出了操纵子（operon）和操纵基因（operator） 的概念，这一学说使我们从分子水平开始认识基因表达 的调控，具有划时代的意义，因此他们二人于1965年荣 获诺贝尔生理学奖。
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1.3 真核生物基因表达的调控
➢ DNA水平上的调控 ➢ 转录水平的调控 ➢ 转录后调控 ➢ 翻译水平上的调控 ➢ 翻译后调控
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1.3.1 DNA水平的调控
通过改变基因组中有关基因的数量和结构顺序而控制 基因的表达。
包括: 基因扩增 基因丢失 基因重排 基因的化学改变 其中有些改变是可逆的
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布 差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所 以 空 间 特 异 性 又 称 细 胞 或 组 织 特 异 性 （ cell or tissue specificity）。
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从上所述，不难看出：
生物的基因表达不是杂乱无章的， 而是受着严密、精确调控的，不仅生命 的遗传信息是生物生存所必需的，而且 遗传信息的表达调控也是生命本质所在。
cAMP
cAMP与CAP（分解代谢物基因活化蛋白）的复合体， 是乳糖操纵子的正调控因子。
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葡萄糖和乳糖对cAMP-CAP调节操作子的可能模式
无葡萄糖，无乳糖：
cAMP
阻遏蛋白
CAP 启动子
C点AP结合位
操纵序列
有葡萄糖，无乳糖：
无葡萄糖，有乳糖：
RNA聚合酶
有葡萄糖，有乳糖：
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当培养基中葡萄糖浓度升高而乳糖浓度降低时
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1.1 基因表达的时间性与空间性
时间特异性
按功能需要，某一特定基因的表达严格按特 定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异 性（temporal specificity）。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段 特异性（stage specificity）。
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空间特异性
在个体生长全过程，某种基因产物在个体按 不同组织空间出现，称之为基因表达的空间特异 性（spatial specificity）。
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➢ 生物的所有基因不是同时全部都表达，大肠杆 菌含有约4000个基因，一般情况下只有5－ 10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较 低水平的表达，有的就暂时不表达。
➢ 基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心 课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态 结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表 达调控的时间和空间概念。
第十一章 基因调控与发育
基因表达与调控 发育与细胞分化
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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”。
管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各 个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达， 或变化很小。
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诱导和阻遏表达
有一些基因表达极易受环境变化影响，在特定 环境信号刺激下，这些基因的表达或是被激活 （诱导），或是被抑制（阻遏）。
诱导表达是属于基因表达的“正调控”，阻遏 表达是属于基因表达的“负调控”。
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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。
CAP促进RNA聚合酶与启动基因结合
基因转录激活
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乳糖操纵子的双调控系统
(1) 受乳糖与阻遏蛋白的负调控; (2) 受cAMP-CAP的正调控系统，葡萄糖通过调节 cAMP的合成间接调控这一过程。
若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在时，先利用葡萄糖 是最节能。通过降低cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而 抑制lac操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖 。乳糖操纵子 强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。
细胞中cAMP浓度降低 CAP失活
缺乏乳糖与阻遏蛋白结合
阻遏蛋白的负性调节
RNA聚合酶不能与启动基因结合 阻抑蛋白与操纵基因结合
基因转录被阻遏
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当培养基中葡萄糖浓度降低而乳糖浓度升高时
细胞中cAMP浓度升高
乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合
cAMP与CAP结合并使之激合 CAP的正性调节
促使阻抑蛋白与操纵基因分离
有乳糖存在时，乳糖 与阻遏物结合，使阻 遏物不能结合操纵基 因，基因开放。
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1.2.3 乳糖操纵子的正调控
调控基因 控制位点 结构基因
I
PO
Z
Y
A DNA
β
阻 遏 蛋 白
启操 动纵 子子
半 乳 糖
苷
cAMP-
酶
CAP结合
位点
半半 乳乳 糖糖 苷乙 酶酰 通转 透移 酶酶
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cAMP-CAP