基因表達(dá)調(diào)控

第五節(jié)基因概念和基因作用的調(diào)控一、基因的概念和基因作用的調(diào)控紫外燈下的DNA①．孟德爾：

把控制性狀的因子稱為遺傳因子如：豌豆紅花(C)、白花(c)、植株高(H)、矮(h)。②．約翰生：

提出基因(gene)這個(gè)名詞，取代遺傳因子。③．摩爾根：

對果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因和染色體為主體的經(jīng)典遺傳學(xué)?；蚴腔瘜W(xué)實(shí)體，以念珠狀直線排列在染色體上。1．經(jīng)典遺傳關(guān)于基因的概念：基因的共性（按照經(jīng)典遺傳學(xué)對基因的概念）：

功能單位：控制性狀，自我復(fù)制能力和相對穩(wěn)定性，在分裂時(shí)有規(guī)律地進(jìn)行分配。

突變單位：一個(gè)基因能突變?yōu)榱硪粋€(gè)基因。

交換單位：基因間能進(jìn)重組，而且是交換的最小單位。

∴經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為：基因是一個(gè)最小的單位，不能分割。⑴．揭示遺傳密碼的秘密：基因

具體物質(zhì)。

具體內(nèi)容：

一個(gè)基因DNA分子上一定區(qū)段，攜帶有特殊的遺傳信息轉(zhuǎn)錄成RNA

翻譯成多肽鏈，或?qū)ζ渌虻幕顒悠鹫{(diào)控作用(如調(diào)節(jié)基因、啟動基因、操縱基因)。⑵．基因不是最小遺傳單位更復(fù)雜的遺傳和變異單位

例如：在一個(gè)基因區(qū)域內(nèi)，仍然可以劃分出若干起作用的小單位。2．分子遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念：⑶．現(xiàn)代遺傳學(xué)上認(rèn)為：

．突變子：是在性狀突變時(shí)，產(chǎn)生突變的最小單位。一個(gè)突變子可以小到只有一個(gè)堿基對；如移碼突變。．重組子：在性狀重組時(shí)，可交換的最小單位稱為重組子。一個(gè)交換子只包含一個(gè)堿基對。

．順反子：表示一個(gè)作用的單位，基本上符合通常所描的基因大小或略小。所包括的一段DNA與一個(gè)多肽鏈的合成相對應(yīng)，平均大小為500~1500個(gè)堿基對。⑷．基因概念：

．為一個(gè)多鏈編碼；

．功能上被順反測驗(yàn)或互補(bǔ)測驗(yàn)所規(guī)定。分子遺傳學(xué)保留了功能單位的解釋，而拋棄了最小結(jié)構(gòu)單位說法。

基因：相當(dāng)于一個(gè)順反子，包含許多突變子和重組子。⑴．重疊基因：指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，同時(shí)編碼兩個(gè)以上基因的現(xiàn)象。3．分子遺傳學(xué)對基因概念的新發(fā)展：ABCDEF⑵．隔裂基因：指一個(gè)基因內(nèi)部被一個(gè)或更多不翻譯的編碼順序即內(nèi)含子所隔裂。

內(nèi)含子：在DNA序列中，不出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段；外顯子：在DNA序列中，出現(xiàn)在成熟mRNA中的片段。⑶．跳躍基因：即轉(zhuǎn)座因子，指染色體組上可以轉(zhuǎn)移的基因。

實(shí)質(zhì)：能夠轉(zhuǎn)移位置的DNA片斷。

功能：可從這條然色體整合到另一條染色體上

引起插入突變、DNA結(jié)構(gòu)變異(如重復(fù)、缺失、畸變)。突變的結(jié)果很易通過表現(xiàn)型變異得到鑒別。

遺傳工程常用：轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法。

.

玉米轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)

存在三種主要轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)：自主因子/受控因子（Ac/Ds）、突變子（Mu）系統(tǒng)和突變抑制子（spm/dspm）系統(tǒng)。

Ac為自主型轉(zhuǎn)座子，全長4.6kb，有一個(gè)11bp的插入重復(fù)對于轉(zhuǎn)座作用于是必須的，非自主型轉(zhuǎn)座子Ds也有一個(gè)11bp的插入重復(fù)，但要比Ac的短。Ds只有在Ac的轉(zhuǎn)座酶活性被激活后，才能發(fā)生的轉(zhuǎn)座作用。Dsl轉(zhuǎn)座子是第一個(gè)被序列分析的植物轉(zhuǎn)座子。

Mu系統(tǒng)轉(zhuǎn)座子在玉米中被認(rèn)為具很高的誘導(dǎo)突變率。Mu1轉(zhuǎn)座子從Adb1等位基因中被測序，長度1.4kb。

spm長度8.3kb。spm轉(zhuǎn)座子的移動性受制于spm的TrpA蛋白。dspm轉(zhuǎn)座子要比spm轉(zhuǎn)座子更短。．金魚草中的轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)金魚草中最少含有四種轉(zhuǎn)座子，它們被定義為Tam。Tam轉(zhuǎn)座子含有12或13bp的插入重復(fù)順序。Tam1,Tam2和Tam3轉(zhuǎn)座子分別為15kb、5kb和3.6kb長度。

Tam轉(zhuǎn)座子已被應(yīng)用于控制花的生物合成基因研究。因?yàn)橥蛔兊慕Y(jié)果很突易通過表現(xiàn)型變異加以鑒定。

Tam、Ac和spm轉(zhuǎn)座子具有很高的序列的相似性，它們切割和轉(zhuǎn)座可能具有相似的機(jī)理。基因：一個(gè)基因是編碼一條多肽鏈的一個(gè)ＤＮＡ片段，包括啟動子、終止子、外顯子、內(nèi)含子二、基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)：

設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立起源的隱性突變，具有類似的表現(xiàn)型。

判斷是屬于同一個(gè)基因突變，還是屬于兩個(gè)基因的突變？即判斷是否屬于等位基因？．建立雙突變雜合二倍體；

．測定突變間有無互補(bǔ)作用；由此來判斷是否屬于等位基因。1．互補(bǔ)作用：⑴．無互補(bǔ)作用：則個(gè)體表現(xiàn)為突變型，突變來自同一個(gè)基因，只能產(chǎn)生突變的mRNA，形成突變酶和突變的表現(xiàn)型。⑵．有互補(bǔ)作用：個(gè)體表現(xiàn)為野生型。突變來自同一個(gè)基因，則每個(gè)突變的相對位點(diǎn)上都有一個(gè)正常的野生型基因，因而最終可以產(chǎn)生正常mRNA，

其個(gè)體表現(xiàn)型為野生型。

本澤爾：提出順反子，表示功能的最小單位和順反的位置效應(yīng)。⑶．互補(bǔ)測驗(yàn)（順反測驗(yàn)）：根據(jù)功能確定等位基因的測驗(yàn)。

順反測驗(yàn)：根據(jù)順式表現(xiàn)型和反式表現(xiàn)型來確定兩個(gè)突變體

是否屬于同一個(gè)基因（順反子）。順式排列為對照（是兩個(gè)突變座位位于同一條的染色體上），不進(jìn)行測試，其表現(xiàn)型

野生型。

實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行反式測驗(yàn)（反式排列：是兩個(gè)突變座位位于不同的染色體上）。.反式排列為野生型：突變分屬于兩個(gè)基因位點(diǎn)；.反式排列為突變型：突變分屬于同一基因位點(diǎn)。2．基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)：

本澤爾利用經(jīng)典的噬菌體突變和重組技術(shù)詳細(xì)分析T4噬菌體rⅡ區(qū)基因的微細(xì)結(jié)構(gòu)。⑴．原理：

r+野生型T4噬菌體：侵染E.coliB株和K12株

rⅡ突變型T4噬菌體：只能侵染B株，不能侵染K12(λ)株。利用上述特點(diǎn):讓兩個(gè)rⅡ突變型雜交

K12(λ)株選擇重組體r+

計(jì)算出兩個(gè)r+

突變座位間的重組頻率。⑵．方法兩種rⅡ突變類型：rx、ryr+

rx

×ryr+

↓混合感染

E.coliB株接種

B株K12(λ)株計(jì)數(shù)r+

ry、rxr+

r+

r+r+

r+、rxry僅生長一四種基因型種重組型均能生長⑶．結(jié)果：

.重組值計(jì)算：

rxry的數(shù)量與r+r+相同，計(jì)算時(shí)r+r+

噬菌體數(shù)×2。可以獲得小到0.001％，即十萬分之一的重組值。利用大量rⅡ區(qū)內(nèi)二點(diǎn)雜交的結(jié)果，繪制出rⅡ區(qū)座位間微細(xì)的遺傳圖：r47r104r101r106r31r107

1.31.01.61.91.6.

rⅡ突變體類型：rⅡA、rⅡB：兩個(gè)rⅡA突變體K12無噬菌體繁殖兩個(gè)rⅡB突變體K12無噬菌體繁殖

rⅡArⅡB突變體K12噬菌體繁殖∴rⅡA與rⅡB區(qū)段可以互補(bǔ)，分屬于不同基因座位。rRNA

如發(fā)生致死突變，不能形成核糖體，易死亡tRNA

發(fā)生突變后，多肽鏈改變。三、基因的作用與性狀的表達(dá)：轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白生物酶直接間接某段DNAmRNA性狀1個(gè)基因，10個(gè)蛋白，10種修飾蛋白分子的不同狀態(tài)共價(jià)修飾：磷酸化，糖基化，脂化，亞硝基化，乙?；?，泛素化。細(xì)胞中定位：一個(gè)或幾個(gè)定位，細(xì)胞核，細(xì)胞質(zhì)，原生質(zhì)膜，線粒體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。配體的存在：小分子和離子對蛋白的結(jié)合改變蛋白的狀態(tài)，影響活性可變剪接，一種蛋白產(chǎn)生不同的形式蛋白分子的不同狀態(tài)蛋白酶剪切：氨基和羧基剪切，產(chǎn)生蛋白的不同截?cái)嘈问剑再|(zhì)改變。寡聚狀態(tài)：與其它蛋白形成復(fù)合體蛋白構(gòu)象改變：三級結(jié)構(gòu)調(diào)控蛋白功能

基因的變異直接影響蛋白質(zhì)特性，表現(xiàn)出不同遺傳性狀。例如人的鐮形紅血球貧血癥。

紅血球碟形HbA

突變

HbsHbc

紅血球鐮刀形

血紅蛋白分子有四條多肽鏈：

兩條α鏈(141個(gè)氨基酸/條)、兩條β鏈(146個(gè)氨基酸/條)。

HbA、Hbs、Hbc氨基酸組成的差異在于β鏈上第6位上的氨基酸：

HbA第6位為谷氨酸（GAA）；

Hbs第6位為纈氨酸（GUA）；

Hbc第6位為賴氨酸（AAA）。

1.結(jié)構(gòu)蛋白：產(chǎn)生貧血癥的原因：僅由單個(gè)堿基的突變，引起氨基酸的改變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化，直接產(chǎn)生性狀變化。由正常的碟形紅血球轉(zhuǎn)變?yōu)殓牭缎渭t血球，缺氧時(shí)表現(xiàn)貧血癥。HbAHbsHbc2.酶蛋白：例如：豌豆高桿(TT)×

矮桿(tt)↓F1高桿(Tt)

T基因酶蛋白質(zhì)赤霉素合成細(xì)胞正常伸長t基因不合成酶無功能酶不產(chǎn)生赤霉素細(xì)胞不能正常伸長

產(chǎn)生多肽，有表型；基因

產(chǎn)生tRNA,rRNA，無表型；不轉(zhuǎn)錄mRNA,對其它基因起調(diào)控作用。如果把一種生物的整套遺傳密碼比作一本密碼字典，則該種生物的每個(gè)細(xì)胞中都有這本字典。

為什么基因只有在它應(yīng)該發(fā)揮作用的細(xì)胞內(nèi)和應(yīng)該發(fā)揮作用的時(shí)間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?結(jié)論：必然有一個(gè)基因作用的調(diào)控系統(tǒng)在發(fā)揮作用。*四、基因作用的調(diào)控：基因調(diào)控主要在三個(gè)水平上進(jìn)行：.DNA水平上調(diào)控。.轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控。.翻譯水平上調(diào)控。1．基因作用調(diào)控的類型：操縱子：細(xì)菌的主要基因調(diào)控單位，也就是轉(zhuǎn)錄單位。如：大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)控需要三種酶參加：.-半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；.滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖；.轉(zhuǎn)乙酰酶：

-半乳糖轉(zhuǎn)變成乙酰半乳糖。

大量乳糖時(shí)：大腸桿菌三種酶的數(shù)量急劇增加，幾分鐘內(nèi)達(dá)到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加；

乳糖用完：這三種酶的合成也即同時(shí)停止。2．原核生物的基因調(diào)控：

基因調(diào)控多數(shù)發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上。321961年，JacobF.和MonodJ.的操縱子模型：IPOzyAIPOzyAImRNA阻遏物結(jié)合在O基因上阻礙ZYA基因的轉(zhuǎn)錄ImRNAlacmRNA-半乳糖酶滲透酶半乳糖結(jié)構(gòu)基因:z：β-半乳糖酶基因；y：滲透酶基因a：轉(zhuǎn)乙酶基因O：操縱基因i：調(diào)節(jié)基因3．真核生物的基因調(diào)控：

缺少比較成熟的理論。

.基因丟失：發(fā)育過程中，一些組織的細(xì)胞丟失了某些基因，決定細(xì)胞分化。如：原生動物（馬蛔蟲）、昆蟲、甲殼綱動物.基因擴(kuò)增：

某一組織細(xì)胞在短期內(nèi)某一基因的拷貝數(shù)大量擴(kuò)增的現(xiàn)象。如：非洲爪蟾的卵母細(xì)胞rRNA基因，原有500個(gè)拷貝,到粗線