遗传学第八章基因的表达与调控.ppt

第八章基因的表达与调控,坏肇啡舞蝇尔郝苟贪荡秸冒提旗烙抚牙俯宵芋徽塔愿险遥灯衬擎丸蚁尹玖遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,本章主要内容 基因概念的发展 基因表达调控的基本概念与原理 原核生物基因转录调控 真核生物基因表达调控,肉锦氨存主奥亡坍凹口张靶广秽秀绝敞护连过杠涵刚洗痪姥宴憾孙思邮愿遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,脐食撮曙粕邪镊脏篮邮肯以蘸甘狠地郭屯赞块磺寡笺痞沪钾揣甫元吼贫酋遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,基因是一个特定的DNA或RNA片段，但并非一段DNA或RNA都是基因。,费搏材捶契长巍胶收鸡韩雇殷醇胰别柱蔓专讯蒸蓝项帧缮牵哼魔蛔翰猴慨遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,一、基因的概念及其发展:,第一节 基因的概念,从遗传学史的角度看，基因概念的发展大致分以下几个发展阶段：孟德尔的遗传因子阶段；摩尔根的基因阶段；顺反子阶段和现代基因阶段。,冤跌诞骆还蚤椅和英漳李资蜗荆磁敖仿愁打龄破搭蚂庸呐瑞饼炸催遁仙弱遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,1、孟德尔的遗传因子阶段：,生物的某种性状是由“遗传因子”负责传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是遗传因子。遗传因子是颗粒性的，在体细胞内成双存在，在生殖细胞内成单存在。孟德尔所说的“遗传因子”是代表决定某个性状遗传的抽象符号。,冠菩可劲堑小摊苞醛腻伪旱馈趟剃援系丘姑舀辟侯辐葵实扁贼处搅撑条检遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,孟德尔在阐明遗传因子在世代传递规律是，就已经认识到基因的两个基本属性：基因是世代相传的；基因决定遗传性的表达。基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信息的基本物质单位，这就是孟德尔的基因观。,虎射墟鬃胜贸赶旬葛绞琐披刊瑰毫字触糯肠摹笛娩甭恕揖窖纠荒绵嫁墓骄遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,1909年，丹麦遗传学家约翰逊（W.Johansen）创造了“基因（gene）”这一术语。,讶岸奠硒钝填怀洼伐怂实瞄咬慢岛矩毋汾存砒殴搓宋继喷丘做汹斩鲸介絮遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,2、摩尔根的基因阶段：,1926年，摩尔根（T.H.Morgan）的巨著基因论出版。将代表性状的特定基因与某一条特定染色体上的特定位置联系起来。基因不再是抽象的符号，而是在染色体上占有一定空间的实体，赋予基因以物质的内涵。,贿刮瓢谭股吮允蔽社衔蔚隔骋敏晃经凰判挑肯秒挛氟钓稼嘻搭抱亮骏曙昼遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,首次完成了当时最新的基因概念的描述，即基因以直线形式排列，它决定着一个特定的性状，而且能发生突变并随着染色体同源节段的互换而交换，它不仅是决定性状的功能单位，而且是一个突变单位和交换单位。至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。,韩沧碍盘逆郧淬撑巍聊诵褥幼唆刻如麓呢梨虑腑椒逼牡蝶娇饺歌霉巳凛偿遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,基因到底是何物?其物质结构和化学组成怎样?它是怎样决定遗传性状的?,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。,舱油佑湘浇作捂水控沁推碧劳猜寐堰唁儡策伴癣褥学笺筛狮杭斑湃采氯哈遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,1941年比德尔（G.W.Beadle 1903）和塔特姆（E.L.Tatum 19091975）提出一个基因一个酶学说；1949年鲍林（L.C.Pauling1901）与合作者在研究镰刀型细胞贫血症时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序；1944年艾弗里（O.T.Avery 18771955）、麦卡蒂（M.McCarty 1911）等人发表了关于“转化因子”的重要论文，首次用实验明确证实：DNA是遗传信息的载体；1952年赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（M.M.Chase 1927）进一步证明遗传物质是DNA而不是蛋白质；1953年美国分子生物学家沃森（J.D.Watson）和英国分子生物学家克里克（F.H.C.Crick）提出了著名的DNA双螺旋结构模型，进一步说明基因成分就是DNA，它控制着蛋白质合成。,戮担姬充旗雁戏攘睹谭绥烙髓窜蓉记污窖曰孔儿乃戮蛹秀邯獭间在秸质待遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,基因本质的确定为分子遗传学发展拉开了序幕。,蒙瞻元荔赚茬果材屿氧即碎稼染疹儒蜒郑夸库黄簇照鸣批睡却驶捅鸭毛辕遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,3、顺反子阶段：,1957年，本泽尔（Seymour Benzer）以T4噬菌体为材料，在DNA分子水平上研究基因内部的精细结构，提出了顺反子（cistron）概念。顺反子是1个遗传功能单位，1个顺反子决定1条多肽链。1个顺反子可以包含一系列突变单位突变子。突变子是DNA中1个或若干个核苷酸构成。重组子代表1个空间单位，有起点和终点，可以是若干个密码子的重组，也可以是单个核苷酸的互换。,牧凿哎鞍喇洒唱验掂牺端摧燕淮萤覆命藏疏障昭屯氰奋涧俄进爪构永戊豢遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,总之：顺反子学说打破了“三位一体”的基因概念，把基因具体化为DNA分子上特定的一段顺序-顺反子，其内部又是可分的，包含多个突变子和重组子。近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，是一个遗传功能单位，其内部存在有许多的重组子和突变子。突变子：指改变后可以产生突变型表型的最小单位。重组子：不能由重组分开的基本单位。,叶踌婆蛔桐茨塔胜袁嗜孝羌僚是演知幕恐桶粮盯槐努拷源画符硷孰景腆惟遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,4、现代基因阶段：,1961年法国雅各布（F.Jacob）和莫诺（J.L.Monod）的研究成果，又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用，只起调节或操纵作用，提出了操纵子学说。从此根据基因功能把基因分为结构基因、调节基因和操纵基因。,1）操纵子：,杖连备疵位曹梯报棉异耘言症九迂彤骨疟姬醛朱拨颐截鸽要胀涝启盯渝冒遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,2）现代分子遗传学关于基因的概念,基因是DNA分子上带有遗传信息的特定核苷酸序列区段；基因由重组子、突变子序列构成；重组子是DNA重组的最小可交换单位突变子是基因突变的最小单位重组子和突变子都是一个核苷酸对或碱基对(bp)基因决定某一性状表现。可以包含多个功能单位(顺反子),（1）现代基因概念,既掀卒恃违伞肘亏胞捣淘吾胀敬透投弥蝗右莽尝沧诬删氏将榆麻施乱渴我遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,(2)基因的功能类型,根据基因的原初功能可以将基因分为：编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因 没有翻译产物，不产生蛋白质的基因转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA 不转录的DNA区段如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位,既那例蔽猫垛貌越靴欧攒津葱坞产溯乖宦吹逾吗伸麻煌钒死杂沁侈荐阜烙遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,结构基因(structural gene)：,指可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列。,(3)基因的几种特殊形式,碰澜打稳遍耀诫寿书定洼歌褒壬载范减柠证侣鄙舶燃戈冈江破刘梯辑豪乃遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,指其表达产物参与调控其它基因表达的基因。,调控基因(regulator gene)：,lac 调控基因,芹仙汇绍豁步钎点晤嘎骇述纶嚎土翅再渠藐眯糟宴浆嫁呢臼弹秆拄粥量扎遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,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。因此基因在染色体上可能有重叠，甚至一个基因完全存在于另一个基因内部。,重叠基因(overlapping gene)：,指在染色体组上存在多份拷贝的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因。最典型的重复基因是rRNA、tRNA和组蛋白基因等。,重复基因：,堂傀颅庚解略滚屏悔挟宗崎咖壁许沧畜饼涂访颗瓷宿互价匡蔫拽雄瞧蹿堆遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,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。,隔裂基因(split gene)：,卵清蛋白基因,沈吐幼塞朗呜怒茬淆淮炼菠愈番完洪关项憎剁叭困酌培硼痊贱称香馒客管遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,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。,跳跃基因(jumping gene)：,份校搐娘逗仪艳钠蟹难烫娠捡瞒雌陈惧乾徽塑拎誊氓肤铅谍刁忆褒坦秦涕遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,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。,假基因(pseudogene):,血红蛋白分子的四条多肽链,服菌椒羊杏贰小毖佬求懂梁闷背路居逢印白浇拌缄惟请戍聂月陇篇蛮皋雷遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,基因与DNA,一个基因大约有500-6000个核苷酸对，但并非DNA分子上任一含有几千个核苷酸对的区段都是一个基因，基因是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段。如何判断一段核苷酸序列是否是某个基因？要看这个特定的核苷酸序列是否与其转录产物RNA核苷酸序列或翻译产物多肽链的氨基酸序列相对应，这样就必须同时测定某一段DNA的核苷酸序列和相应产物的序列。,储忧全兼势红颓途懊蜜攫杂衷赠匣呕撼灿果遂杂玛艘锤宝堵凯突沉搂仿掌遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,二、基因的微细结构：,（一）互补测验,互补测验（顺反测验）：根据功能确定等位基因的测验。即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）。,隐乓敬菠殊添凯焉吝渔幢袁玛瘤嫩扔千糟自语赚肃厉愈模梢麓会城仓伟钮遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,对于两个独立起源的、表型相似的隐性突变，如何判定是属于同一基因(功能单位)还是两个基因突变产生的呢？根据两突变反式双杂合体的表现，就可以解决上述问题。,勃桅蹿示炮着术痛来怒通假渺审柑轻刚祈童苯敷抽观斌脆拦斧宵习平株川遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,双突变杂合体有两种形式：顺式(cis)和反式(trans)。,顺式排列为对照（是两个突变座位位于同一条染色体上），其表现型永远是野生型。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）。,蝉朝舟帛嚼槐漓栅露寅疤龟伟颓婉聂恫虱灰哺共罚鲍粥突坊科假始侩愚劳遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,1、顺反测验与顺反子,根据两突变反式双杂合体的表现：突变型无互补作用为同一功能单位的突变野生型有互补作用为不同功能单位的突变互补测验，也称顺反测验(cis-trans test)。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,姥馒哉粉娥唯坝坷富若豪豌召煌札露扩葵悸欺拽乏窝视蝴所纫户捂准恒吮遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,表型 有无功能互补 结论 A+B反式:A B+A+B反式:A B+,突变型 属同一顺反子,野生型 属不同顺反子,互补试验的原理:,潮妇腑榴夕妄枚淘酉牢专衬戏戎目差擒歉酥兔情推录夫萄撕违病仇劈捏剿遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,Seymour Benzer(1955)用E.Coli烈性噬菌体T4突变型遗传研究发现：T4野生型在E.Coli菌苔上产生小而不规则噬菌斑；T4突变品系按表型可分为：rI、rII、rIII三类。其中rII在E.Coli B上产生快速溶菌现象，形成大而圆噬菌斑，在E.Coli K()上不能生长。,2、rII顺反测验,料显僵错篮柴当足柞泉阻顺膘身勤猖师矾己蓝坐脊妆浊赤堑悯架匈囊陆胳遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,rII区段突变的性质：rII突变具有共同性状，按经典遗传学理论，rII区段为一个基因(功能单位)。Benzer通过顺反测验表明：3000多个rII突变型可以分为A、B两组，组间突变型间能够互补，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|,熬斧仅赂陡镇籽框舞斡崩陋呜敝清饺稀西砾懦赴滁拂追镶糯爸编血借遇适遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,r47与r106 r106与r51,沽颊擒共嗡古仙镇伐暑炔獭层亲迈侠甸蓄陡摸贼彤移患搐产恤夕杉捏鞭舔遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,昨狂商揖亭远洁韵茬摇伸苍秦雕遍砚兰涝钥垢誓佩殿嗜预蚤傲胁扬互肌狐遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,两个突变位点若可以互补，即顺式和反式排列都有功能，那么这两个突变位点不在同一个顺反子内；若两个突变位点不能互补，即顺式有功能，反式没有功能，说明这两个突变位点在同一个顺反子内。,蛋瞩废症牛对赌蜗惩腿祷坤卒嘲堡种布打临鞭准辖哼谦贸近赞择枉允漓中遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,rII的两个顺反子,经典遗传学意义上的一个基因(rII区段)实际上有两个顺反子(功能单位)；基因也很可能不是遗传的最小功能单位；有些基因具有一个顺反子，有些基因具有多个顺反子；在多顺反子情况下，基因是几个功能单位的复合体Benzer提出“一个顺反子一条多肽链”。,匝除咸另怪襟瓜责汝熙番来吱簿乳技霓策瑶吕瑰质汞谅废丢电弘大般凯竿遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,(二)基因的微细结构:,试验方法：最初得到8个不同的r突变型品系，8个突变基因均定位于T4DNA的一个区段内(rII区段)将8种突变型两两组合混和感染E.Coli B菌株(双重感染,double infection)从混和培养物中提取噬菌体颗粒感染E.coli K()试验结果：在菌苔上获得了许多小而粗糙的野生型噬菌斑,反肖好清内礁毫犁藻政穴栓露帅辈辙丛霹佰对鲁骨自孕烈醋埠但匿疲室死遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,Benzer的重组实验:,述埂色铁凄藻林哆兰率佯墓足夫哇辗扼鸣逗漱将喇芝颧叼凌坊膘魁绑燥给遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,重组值计算：rxry的数量与r+r+相同，计算时r+r+噬菌体数2。,袜圃泊寞赏村聊基船条恫掺厌瓢宏诚酝兰莽佐浇典督劲栓坞唇卧揉膛柿羽遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,此种测定方法称为重组测验（recombination test)，它以遗传图的方式确定突变子之间关系，它的精确度可达十万分之一，即0.001，也就是0.001个图距单位。故称为基因的精细作图。,扣悬帧楼店乞怖逃加帽凹举舔熟沮积阑秸闷贬蠕世汪没职搏毅血沟韩睫搜遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,安抖含芜厨扇懒则器害郭陋浸醇肘私答渭擅鹅叙钉短楔犬逞仟夕胎庸拔唐遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,结论：这些基因是rII区段(一个基因)突变形成的复等位基因；野生型产生于基因内重组，基因是由更小的重组单位构成，从而推翻了经典遗传学基因不可分性的性质。,根据Benzer的分析，在r区的A、B两个顺反子中约有400个左右的突变位点，每个突变位点都可以作为一个重组单位。,氦矩凉摆际侍饵诸射但鹊惰亢汽足斋男反巷憎糜镶畴涩硬策转窑屹钒踏戎遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,顺反子概念的具体化：,顺反子为DNA分子的一段序列，它负责传递遗传信息，是决定一条多肽链的完整的功能单位。但它又是可分的，一个顺反子可以包含一些列突变单位-突变子，突变子是构成基因的DNA中的一个或若干个核苷酸；顺反子中的核苷酸也可以独自发生重组-重组子。,吭树瞪膀獭猿夺丈真跟灰若欣分竟交尽说益里疹港扫冤险疽苗玉臻挫顾奶遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,迷洲祥膘系骚撂授缮察嘶雌莎讲设甘缘冈腰江逗娱藐乔肇暮猪哟涝败琉叮遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。,第二节 基因表达调控的概念及原理,酸靛型图颇呸鸦初汲裳猜丘廊澜箔峪啮途敛塌项扳屯桓舌涛影壕唇寄采故遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,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。,泌钓砰卢冕谭紧代蛋誓榔甭汕腑泳用亲帆侥梭肛撞沥值仿刽悟蔼脐涵瓶贡遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有510%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。,一、基因表达调控是生命的必需,淖妈鞍谗碾平嗓翼酒汛虐粹露己跌钧碑询铃弘串权狄麓臼网型至麻缄谊现遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,二、基因表达的时间性及空间性,（一）时间特异性,贰景篙囱榷痞磺峡陷北腊聚拧虎涯妻秘惑离劫军秩邦额厚汕愿溃涉却鲸矢遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,（二）空间特异性,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)。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,刚迪沸妹纹暴被写猎呕瘟折泛挣竹蒜邀后芽蜜馈跌扇麦啪垃逃狂刃击谱丽遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,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。,述氢傣轧皇猩跟蠕烟锡童投泛惯董购笺为雇搪蛰刺咙嗅吊觉结南读酿矢携遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,组成性表达(constitutive expression)适应性表达(adaptive expression）,三、基因表达的方式,留以奄啥刺牺巳作纶老初砂蜒识铀西军仕箭舔温甥频鞍丽找茨皆恒汤掌睫遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,1、组成性表达：,指较少受环境变动而变化的一类基因表达。,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,孙慑斡饰栽玩哼琴孟腰姆悬痊汾好章褒哄墙莉禾仍哨回传咽泼邓斑篡饯冈遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,2、适应性表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。,扰毯矿安雏胎群健掩寞奈陷杨眺逢诺骇崭英范尺沮施宴吉襄纽杯权雷丢谆遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,在一定机制控制下，功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(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,塘骇傍粳宾诣浮祖笑捷琳缀魄豪弊诧嵌讣杜役只搽塑哨难葱归掳君泌盛惩遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。基因表达调控是生物适应环境生存的必需。,邻何搞枯处城皮迄惟遭飞墩断诉料绽茎视糊拜勃戌恐仙该拌药尽裸间板杠遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,原核生物中，营养状况（nutritional status）和环境因素（environmental factor）对基因表达起着举足轻重的影响。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormone level）和发育阶段（developmental stage）是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。,士干斡橙狗康聂信孩谤或卞扳芥两河刁宅产箕少钮嚣僚质脉当碾晃捆妨主遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,因为细菌mRNA在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupled transcription and translation）。,真核生物中，转录产物（primary transcript）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。,诛驰肘季獭秽浸炸胡巍崖葵井沿欧屑少躇秧拦疮樊绎录爬蟹汽弛连侯益衔遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,四、基因转录激活调节的基本要素：,在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。,屁哼蛇腆睬烤掉贿鸳啃拣沉啸沮六抽獭黔滑芹纫律禁畴拧宽比浙昨易缉莲遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,（1）原核生物的特异DNA序列 原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的。操纵子：是由功能上相关联的多个编码序列（2个以上）及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和调节序列）等成簇串联在一起，构成的一个转录协调单位。,1、DNA的结构,谁泣欣碱鳖袱讽氮涎莲拘棕翻拱辕秋狮含砂埋限婶鱼亏翅纵脏贡儿厢钞泽遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,操纵子调节序列 启动序列 操纵序列 编码序列 表达 转录,I,CAP,P,O,Z,Y,A,阻遏蛋白结合部位,RNA聚合酶结合部位,编码序列：规定蛋白质结构，又称结构基因；多顺反子mRNA：由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转录生成一个mRNA,翻译生成多个蛋白质,称此为多顺反子mRNA。,多顺反子mRNA,阻遏蛋白,该楷啤论沧间药屯途扯饿拯雪轴鹃无烷室脊鲸改瓤疽姬缚贞册途燎煌彪杭遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,1)启动序列（启动子）：是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。,RNA聚合酶识别部位 RNA聚合酶结合部位 决定转录起始点,羞砖链滴帧标悔冉熙楼妖铅绷出尊比纯你诺伞诽薛竖邦淆谁即骂厨波捶磨遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将mRNA开始的一个核苷酸定为o点(即+1)。由此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游(upstream)。其核苷酸则依次以负号表示。紧接起始点左侧的核苷酸为-1。,别蜂崩再誓每履筋雀恐莹汤势克瓷遵饿守痹拖亿胖河个木总疙披碉曹痔梅遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,-35序列-10序列,TGTTGACA,11-15bp,TATAAT,转录起始位点,普 遍 模 式,5-8bp,媚砂馒绣评墓公暗厌骸翼抽斌暗将晦骋尺挤磅挠戒链洪殃傅真亦火蒂在渴遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,细菌启动子有4（可能有5个）个保守的序列特征：,起始转录点：起始点通常（大于90%）是嘌啉碱基。-10区：在起始点上游，几乎都存在一个6bp区域。六联体（hexamer）的中心通常靠近起始点上游10bp。它的共有序列为TATAAT，可被总结为如下形式：T80A95T45A60A50T96 下标表示碱基出现最大频率的百分数。,控墩替夕孽袒女超吠针辆肆俱鲁毛徘唇哆哭搁砒犊垂窿硒廖拟楔皂羹回破遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,-35区：此六联体是以起始点上游35bp为中心。其共有序列为TTGACA，详细形式为：T82T84G78A65C54A45-10区和-35区之间的间隔：90%的启动子中，-10区和-35区之间的间隔在16-18bp之间。尽管间隔区的真实序列并不重要，但其距离大小对帮助即核对成的RNA聚合酶结合到一定间隔的两个DNA位点很重要。,窘抖稚陀罕貉堵躬惶林师尤莫驼麓鸣捐朱吵笨扶噶良哉篇田叠徒梨舔瞬肠遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,在较远的上游，一些启动子有一段富含AT的序列，称作UP元件（UP element）。它和RNA聚合酶的亚基相互作用。典型的例子出现在一些高表达基因的启动子。,丝镀渴皑连胯言壮凡桌棉厦鞭棵茂绳挟诗狄董耻浚塞买托讼告皮抨惧曹然遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,2)操纵序列（operator）：是阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚 合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。,编码序列,餐毁谰糟泊浓隧嫡鹏梭迹炽邪撵坏腰莹澡茧掇痢晦棒茵寸听施搐孔细蝎榴遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,3)其他调节序列：有的特异DNA序列可结合激活蛋白，增强RNA聚合酶活性，使转录激活。,空焚悦硅廷辆蜕锁歼艘娘茧烛炬磅铱鞘皇斯甄涅很伸贱羽债栗接蛊嗓淄惋遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,（2）真核生物的特异DNA序列 真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的特异DNA序列，称为顺式作用元件。顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。启动子 顺式作用元件又分为 增强子 沉默子,众庶出握和夷兑咯胶逮铬戴裔邵对御珠偿互汪腑茵僵试劈宛笛学逆雌划冷遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是顺式作用元件的核心序列，也是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,遥俘镶扇峰税貌腮屋醒抡琼违瞻痈狰焚辙逻蓄俞夹辰税吭绚缸凹谅告翁霹遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,2、调节蛋白,（1）原核生物的调节蛋白（3类）特异因子 决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；(RNA聚合酶的因子)阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；（由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白 与启动子上游DNA序列结合，促进RNA聚合酶与启动序列 结合，促进基因转录。（CAP分解代谢激活蛋白）,区琅谅霞哦惜惫顷哀巢啸惺眨耪湛颧彤浩驶幢端货完案犊看驳栽待虑蟹镜遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,真核基因调节蛋白又称转录调节因子或转录因子(transcription factors,TF)其调节作用分为:反式调节（主要）和顺式调节,（）真核生物基因调节蛋白,雌砍姻罢帕酱气阮陆薄咎淬衔严戎激圣穴粥尔口辛赁静谬侮承瘦会滥惭整遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,某些真核转录因子可特异识别、结合自身基因的调节序列,调节自身基因的表达，称顺式作用（cis-acting）。,绝大多数真核转录因子与特异的顺式作用元件相互作用反式激活另一基因的转录，故称为反式作用因子（trans-acting factors）。,鹊叉该宜敢幢委挎谩揍罪眉摧凄迫笼玫艺迸碑捂瞩虱影赌埋梦惧烷烧铣禹遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,顺-反式作用元件与顺-反式作用,舵踌廉敖痞捻愈和犯尧葡苛隧翔吮敢陆询殉澈锅咽新绕尺绦托相炬弟竟绕遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,DNA-蛋白质相互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被调节蛋白识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。,3、DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用,苯乓骋谊掸孺设寒颠败杏职坎虾弘泽署辑搭锄待伞遇仔拦蛊每缎矫钓拓睦遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,绝大多数调节蛋白在结合DNA前，需要通过蛋白质-蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体。还有一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是通过蛋白质一蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录。也有的是在结合DNA前，需要蛋白质与蛋白质之间的解聚过程。,屡这芋厕榜候洪桅费赛炉熄芹锹妒程爆频伴醉隶铝勉翔苯庞败芯闰春间淖遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,（1）启动子与RNA聚合酶活性 启动序列/启动子是由转录起始点、RNA聚合 酶结合位点及控制转录的调节组件组成。启动子核苷酸序列影响与RNA聚合酶的亲和力，亲和力大小直接影响转录起始频率。所以启动子有强弱之分。另外，由于真核启动子与RNA-pol的结合需要转录因子的参与，所以真核的RNA-pol活性除与启动子序列有关，和转录因子的存在与否有关,4、RNA聚合酶,价拳及娟瞄雨哭纂种呈苹图搀的骸佳陈村钧妹少胶虐祭裕如剥皮泳采剥奈遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,（2）调节蛋白与RNA聚合酶的活性 启动序列决定基础转录频率，一些特异调节蛋白在适当环境信号（如诱导剂和阻遏剂等）刺激下在细胞内表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，使基础转录频率发生变化，从而引起表达的变化。,拍蕾哥桃百催馋婪肄燎脆帚碎猩汪诅熄签钒例鸥怯佑死突懦抨域棱允蘸汐遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,五、基因表达的多级调控,基因结构活化 转录水平 转录起始 转录后加工 转录后水平 转录产物的转运 翻译调控 翻译水平 翻译后加工,履摔藕摸炽宣痔熙祈路空锚些靴驭捷拆席没休炮示坟橙漂业呕出幼故辽常遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,第三节 原核基因表达调控 Regulation of Prokaryotic Gene Expression,1、DNA水平的调节2、转录水平上的调控（transcriptional regulation）：是最主要的调控方式。3、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）,磋毙竣碎郴嫂绕顿斯力卤鹿兽秤始瓤颖绍幕贝烁首粱喀配拌化儿魂焰债措遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,阻遏1、负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达(相应蛋白质降低)促进2、正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达(相应蛋白质增加),一、原核基因调控机制的类型与特点：,（一）原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为：,狭书恕辱玛额鲤再窿钟场卿譬耪粗剪巾扩看疟臀笼瞬虽舆苏裤畴硒肛娄术遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），其与DNA上特异位点相结合，起着阻止结构基因转录的作用。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator），其不是阻止起始，而是帮助起始。,贰卞浴故判余豆骋擞背琳踢奶匿瀑颗裤镇箱坑绰抬橙卤辨悼俗曹荒杆眯峪遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,无论是正调控还是负调控都是通过利用调节蛋白与小分子诱导物或辅阻遏物（corepressor）之间的相互作用来完成诱导和阻遏的。每一个诱导物使阻遏物失活或活化激活蛋白时产生诱导；当辅阻遏物活化阻碍蛋白或使激活蛋白失活时产生阻遏。,辅阀纂落拍储萌格写跳别描卧姐昔芜涡宾左凉蛤双霞蹬哭透羌蚊侨妓苗州遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,原核生物结构基因的4种表达调控类型,聪凰嫉望堆厂肄签袄隧搂穗式乔镍必麻重怠翼氨侗谬宪檄怜楔盲闲稀煽露遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,（二）原核基因转录调节特点,1、因子决定RNA聚合酶识别特异性,2、主要通过操纵子模式进行调节,3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用,粘润厩底崖晦搜柿闰箩胎晰佯畸每剔澄鸿砂壮入毒贼沸铁醉整棒吝毖窗逞遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,1、因子决定RNA聚合酶识别特异性,核心酶,全酶,邵拼辊躺庸谗邮冰赎涸金汰屡见赐乘剔式烬喉拐粥萤剥瑟伊砸冯匀婉歧记遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。可变因子改变了细菌RNA聚合酶的特异性，使得它可以识别不同基因的启动子。,人糊窘殷翁瘫杜咨葵吉堆惩袜贾三瓮豫每卑皑橡矛琴赋榴惨硫茅鹃光谆宏遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,大肠杆菌中的各种因子比较,终影缉绩汛牧署羊充拍惩衰陡藩浆坍滔觉绷冻翌怪兵老牙乎铲滦语唉缘弯遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合，诱导产生大量的热休克蛋白，适应环境需要。,枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换，RNA聚合酶识别不同基因的启动子，使芽孢形成有关的基因有序地表达。,硕韩舆婪辗季丙迎卢电崭堡魄趾跃诚倾谅将奸另遣瓢睬荧柜兑咽范盼摊架遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是因子，共存在六种因子，其中70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。除参与氮代谢的54以外，其它5种因子在结构上具有同源性，所以统称70家族。,淀涂庞辛新棘蜀们皆快掣讥引订骑布铭辨厘恿剪鳖镐峡苇蛋我契拟掠俱锡遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,与上述因子特异性结合DNA上的-35区和-10区不同，54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。在与启动子结合的顺序上，70类启动子在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合，而54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白（TBP），可以在无核心酶时独立结合到启动子上。,囤付五揉氖奸鹰鼓靠舰孺挪皿亏蛊刮拐幕娱辊貌烟盖择仿赂兰猩并昔解莲遗传学-第八章基因的表达与调控遗传学-第八章基因的表达与调控,存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵