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基因调控与发育 Chapter 6 Regulatiion of Gene Expression and development,主要内容,基因表达与调控 原核生物基因调控简述:操纵子学说 真核生物基因调控简述 发育和细胞分化,第一节 基因表达与调控,基因表达(gene expression)--基因转录及翻译的过程中心法则(the central dogma):,一、原核生物基因调控简述:操纵子学说,操纵子模型的提出 ─莫洛(Monod)和雅各布(Jacob) 获1965年诺贝尔生理学和医学奖,1、Discovery of Operon,(1)二次生长现象的诞生 1940年, Monod发现:细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时,细菌先利用葡萄糖,葡萄糖用完后,才利用乳糖;在糖源转变期,细菌的生长会出现停顿,即产生“二次生长曲线” 文献:细胞中存在两种酶,即组成酶与适应酶(诱导酶) “分解葡糖糖和分解乳糖的两种酶可能来自同一个前体;一般情况下,向分解葡萄糖的酶的转化占优势,当葡萄糖用完以后,则有利于向分解乳糖的酶转化”,,认识到二次生长的机制问题,中心是搞清适应酶形成过程中诱导底物的作用,即诱导底物是影响酶分子形成的全程呢,还是仅仅激活前体而已。

1947年,报告:“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”2)乳糖酶的来源之迷 1948年,Monod和M.Cohn合作 实验:筛选出氨基酸营养缺陷型菌株,然后,先让其在含不带放射性标记的氨基酸培养基上生长,然后再转接到含诱导物和带放射性标记氨基酸的培养基上 乳糖酶的来源: β-半乳糖苷酶是诱导后合成的“全新”分子,,(3)多学科的综合研究 β-半乳糖苷渗透酶 β-半乳糖苷转乙酰酶,(4)酶的合成与基因调控 1951年,Monod与Jacob合作 发现两对基因: Z基因:与合成β-半乳糖苷酶有关; I基因:决定细胞对诱导物的反应 Szilard:I基因决定阻遏物的合成,当阻遏物存在时,酶无法合成,只有诱导物存在,才能去掉该阻遏物 Jacob:结构基因旁有开关基因(即操纵基因),阻遏物通过与开关基因的结合,控制结构基因的表达 1961年,“蛋白质合成的遗传调节机制”论文,2、乳糖操纵子,操纵子(operon): 结构基因(structural gene)、启动子(promoter,P)和操纵基因(operator,O) 阻遏物基因(inhibitor,i),产生阻遏物(repressor)。

阻遏蛋白的负性调节 (negative control of repressor),无乳糖(no lactose): lac操纵子处于阻遏状态(repression) 有乳糖(presence of lactose) lac操纵子即可被诱导(derepression,induction) 诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、IPTG(异丙基硫代半乳糖苷),乳糖操纵子(lac operon)的调控方式,CAP的正性调节 (Positive Control of CAP),CAP(catabolite activator protein)─分解代谢基因激活蛋白 同二聚体 DNA结合区 cAMP(cyclic AMP)结合位点,二、真核生物基因表达的调控,DNA水平的调控 转录水平的调控 转录后水平的调控 翻译水平的调控 翻译后水平的调控,原核生物,真核生物,一、DNA水平的调控,,1、基因丢失(gene elimination),细胞分裂,2、基因扩增,基因扩增(gene amplification) :就是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性的大量增加的现象例如:rRNA和多线染色体 它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控方式。

果蝇唾腺染色体,3、基因重排,基因重排(gene rearrangement):DNA分子核苷酸序列的重新排列,这些序列的重新排列可以形成新的基因,也可以调节基因的表达图:限制性内切酶 MspI 可以切所有的 CCGG 序列,但是当第二个C被甲基化后就不能切开,但是HpaII 仅仅能切开非甲基化的 CCGG 序列这两个限制性内切酶称为同切点酶4、DNA甲基化,MspI,HpaII,5`---mCPG---3` 3`---GPCm---5`,5`---CPG---3` 3`---GPCm---5`,半甲基化,二、转录水平的调控,顺式作用元件 反式作用因子,1、顺式作用元件(cis-acting element ),DNA分子中对基因表达有调控作用的一段序列,其作用仅影响与其自身处于同一个DNA分子上的基因 非编码序列 分启动子(promoter)、增强子(enhancer)、沉默子(silencer ) 启动子 TATA盒,-25bp 上游启动子元件(upstream promotor elements,UPE),CAAT 盒,-75bp;GC序列等,增强子:远离转录起始点(1~30kb),增强启动子转录活性DNA序列,与方向、距离无关 沉默子:类似增强子但起负性调节元件,起阻遏作用,1、顺式作用元件(cis-acting element ),1、顺式作用元件(cis-acting element ),2、反式作用因子(trans-acting factor),概念:指能直接或间接识别或结合诸顺式作用元件8-12bp的核心序列,从而调控靶基因转录效率的结合蛋白,它可以调控一对同源染色体中任何一条中的靶基因。

反式作用因子特点,三个功能结构域:DNA识别或识别结合结构域;激活基因转录的功能结构域;结合其他因子或调控蛋白的调节结构域 能识别并结合顺式作用元件 正调控与负调控,反式作用因子结构域的模式,DNA结合域(DNA- banding domain) 锌指结构(zinc finger motif) 同源结构域(homodomain,HD):螺旋-回折-螺旋(helix-turn-helix) 亮氨酸拉链结构 (leucine zipper) 螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH) 碱性α螺旋(alkaline α-helix),河南师范大学生命科学学院,组蛋白与非组蛋白的调控作用,1)组蛋白的调控作用 组蛋白的磷酸化会引起染色体的解聚 2)非组蛋白的调控作用 非组蛋白对基因DNA模板有激活作用三、转录后水平的调控,1、选择性拼接 2、RNA的编辑,1、选择性拼接,,,,,,,,,,,(1)、拼接缺失外显子,,,,缺失,(2)、拼接保留内含子,,,,,,,,,,内含子,外显子,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(3)、部分缺失外显子,(4)、部分保留内含子,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,降钙素基因转录物的选择性拼接,-AAA(A)n,,,,,,,,,,1 2 3 4 5 6,,,,外显子,内含子,Ploy(A),降钙素,,,断裂和腺苷酸化,Ploy(A),,,,,,,,,-AAA(A)n,甲状腺,,拼接,,,,,-AAA(A)n,,翻译,,,翻译后加工,,降钙素,脑,,,,,,,,,拼接,,,,,-AAA(A)n,,翻译,,,翻译后加工,,CGRP (Calcitonin-Gene-Related Peptide),,,DNA序列,mRNA序列,,2、RNA的编辑,DNA编码链序列 : GA G A A mRNA序列 : GAU UGU AUA 氨基酸序列 : Asp Cys I le,锥虫Cox II基因与表达产物的序列比较 (红色U代表插入核苷酸的位置),四、翻译水平的调控,1、mRNA的稳定性可以调节基因的表达 2、 mRNA的翻译起始的调控,五、翻译后水平的调控,(1)多肽的切割加工 最初前胰岛素原有 105个氨基酸,加工中先将N端的24个氨基酸残基切除,形成前体胰岛素。

然后切除中间一段氨基酸序列,留下21个氨基酸残基的Ａ链和30个氨基酸残基的B链由二硫键连接两条肽链2)多肽的化学修饰 蛋白质磷酸化 蛋白质糖基化 多肽的剪接,第二节 发育与细胞分化,“熊在冬天交配几个月后,母熊隐退到洞穴中去产仔,产出三或四个幼仔在出生时,这些幼仔是不成形的肉团,只发育出了爪,母熊把它们添成了熊的形状”一、果蝇的发育基因,1995年,C. Nusslein-Volhard、E. Wiesehaus、E. BLewis因研究果蝇的发育基因取得重大成果而荣获诺贝尔奖 胚胎发育是一个不同基因先后被激活的链式反应,即级联反应控制发育的三类基因: 1、 母体效应基因(maternal effect gene) 1) 影响前-后极性的基因 2) 影响背腹极性的基因,,经分子杂交bcdmRNA定位于前部,经免疫杂交BCD蛋白定位于前部,经分子杂交nosmRNA定位于后部,经分子杂交NOS蛋白定位于后部,2、影响身体分节的基因 1) 间隙基因(gap gene) 将胚胎分成对应于副体节的主要区域,受母体效应基因的调控 2) 配对规则基因(pair-rule genes) 把宽阔的间隙基因表达范围分成垂直于前后轴的7个带区,这组基因的突变体在每隔一个体节就缺失了一部分。

3) 体节极化基因(segment polarity genes) 把不同体节再分成更小的条纹 突变引起体节特定区域的缺失 副体节:指在体节沟真正形成之前,一个未来体节的后半部与其后面相邻体节的前半部形成的带果蝇幼虫和成虫的体节和副节,,,,,,,,,,,,,,Gap基因 hb- z, Kr, kni 在早期囊胚中表达的模式,,,,配对规则基因ftz(蓝色)和eve(棕色) 在晚期囊胚中的表达模式,,(a)3小时的果 蝇胚胎 (b)10小时的果 蝇胚胎(CL, PC,O,D,Mx, Ml,Lb是头部 不同的节) (c)刚孵化出的 幼虫,3、影响体节一致性的基因---- 同源异型基因(homeotic genes) 控制个体的发育模式、组织和器官形成的一类基因 (1)触角足复合体(ANT-C) 该基因的突变使触角变成了第二对腿 (2)双胸复合体( BX-C ) 含有几组控制胸节发育的同源异形基因,若发生突变会导致腹部形态的改变,,,,,母体效应基因: 座标基因,前后轴 背复轴,,↓,合子基因:,分节基因,同源异形 基因,间隙基因 配对规则基因 体节极化基因,ANT-C BX-C,,,↓,↓,,分化,,,,,,,,,,二、体细胞的全能性,细胞的全能性(totipotency):指个体器官或组织中已分化的细胞具有再生成完整个体的能力。

用胡萝的根尖细胞可培养出一株完整的胡萝卜,(一)植物细胞的全能性,植物组织培养,,,再分化,,脱分化,愈伤组织,外植体,试管苗,,植株,无菌环境下操作,细胞分裂素、生长素,细胞分裂素、生长素,固体蔗糖,细胞分裂素/生长素浓度比值高,容易生芽 细胞分裂素/生长素浓度比值低,容易生根,,,(二)高等动物细胞核的全能性,1950年Robert Briggs和Thomas King建立一种两栖动物的核移植技术他们还发现从蛙的囊胚(blastula)细胞中分离的核是保持着全能性 John Gurdon用非洲爪蟾(Xenopus laevis)进行实验出现了完全不同的结果1997年英国苏格兰爱丁堡罗斯林研究所(Roslin Institute)的 Wilmut, I利用绵羊的乳腺细胞的细胞核成功地克隆了一只小羊“多利(Dolly)”这是世界上第一例成年山羊体细胞克隆出的“元元”,但由于肺部发育缺陷,它只存活了36小时零 3分钟,就因呼吸衰竭而死亡这是在日本诞生的克隆牛,此是继“多利”羊后,科学家利用成年动物体细胞成功克隆的又一动物美国得克萨斯农。