1、第六章 基因調(diào)控與發(fā)育Chapter 6 Regulatiion of Gene Expression and development主要內(nèi)容基因表達與調(diào)控 原核生物基因調(diào)控簡述：操縱子學說 真核生物基因調(diào)控簡述發(fā)育和細胞分化第一節(jié) 基因表達與調(diào)控基因表達(gene expression)-基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。中心法則(the central dogma)：一、原核生物基因調(diào)控簡述：操縱子學說操縱子模型的提出 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎1、Discovery of Operon（1）二次生長現(xiàn)象的誕生1940年， Monod發(fā)現(xiàn)：細菌在含葡萄糖和

2、乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細菌的生長會出現(xiàn)停頓，即產(chǎn)生“二次生長曲線”。文獻：細胞中存在兩種酶，即組成酶與適應酶（誘導酶）?！胺纸馄咸翘呛头纸馊樘堑膬煞N酶可能來自同一個前體；一般情況下，向分解葡萄糖的酶的轉(zhuǎn)化占優(yōu)勢，當葡萄糖用完以后，則有利于向分解乳糖的酶轉(zhuǎn)化”認識到二次生長的機制問題，中心是搞清適應酶形成過程中誘導底物的作用，即誘導底物是影響酶分子形成的全程呢，還是僅僅激活前體而已。1947年，報告：“酶的適應現(xiàn)象及其在細胞分化中的意義”。（2）乳糖酶的來源之迷 1948年，Monod和M.Cohn合作 實驗：篩選出氨基酸營養(yǎng)缺陷型菌株，

3、然后，先讓其在含不帶放射性標記的氨基酸培養(yǎng)基上生長，然后再轉(zhuǎn)接到含誘導物和帶放射性標記氨基酸的培養(yǎng)基上。 乳糖酶的來源： -半乳糖苷酶是誘導后合成的“全新”分子（3）多學科的綜合研究 -半乳糖苷滲透酶 -半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶（4）酶的合成與基因調(diào)控1951年，Monod與Jacob合作。發(fā)現(xiàn)兩對基因：Z基因：與合成-半乳糖苷酶有關(guān)；I基因：決定細胞對誘導物的反應。Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當阻遏物存在時，酶無法合成，只有誘導物存在，才能去掉該阻遏物。Jacob：結(jié)構(gòu)基因旁有開關(guān)基因（即操縱基因），阻遏物通過與開關(guān)基因的結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的表達。1961年，“蛋白質(zhì)合成的遺傳調(diào)節(jié)機制”

4、論文2、乳糖操縱子操縱子(operon): 結(jié)構(gòu)基因(structural gene)、啟動子(promoter,P)和操縱基因(operator,O)。阻遏物基因(inhibitor,i),產(chǎn)生阻遏物(repressor)。阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)(negative control of repressor)無乳糖(no lactose): lac操縱子處于阻遏狀態(tài)(repression)有乳糖(presence of lactose) lac操縱子即可被誘導(derepression,induction) 誘導劑(inducer): 別乳糖、半乳糖、IPTG（異丙基硫代半乳糖苷）乳糖操縱子(la

5、c operon)的調(diào)控方式CAP的正性調(diào)節(jié)（Positive Control of CAP）CAP(catabolite activator protein)分解代謝基因激活蛋白同二聚體DNA結(jié)合區(qū) cAMP(cyclic AMP)結(jié)合位點二、真核生物基因表達的調(diào)控DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯后水平的調(diào)控原核生物真核生物一、DNA水平的調(diào)控1、基因丟失（gene elimination）受精卵（成體早期）只有一個著絲粒行使功能染色體破碎細胞分裂2、基因擴增基因擴增（gene amplification） ：就是指細胞內(nèi)某些特定基因的拷貝數(shù)專一性的大量增加的

6、現(xiàn)象。例如：rRNA和多線染色體 它是細胞在短期內(nèi)為滿足某種需要而產(chǎn)生足夠的基因產(chǎn)物的一種調(diào)控方式。果蠅唾腺染色體3、基因重排基因重排（gene rearrangement）：DNA分子核苷酸序列的重新排列，這些序列的重新排列可以形成新的基因，也可以調(diào)節(jié)基因的表達。圖：限制性內(nèi)切酶 MspI 可以切所有的 CCGG 序列，但是當?shù)诙€C被甲基化后就不能切開,但是HpaII 僅僅能切開非甲基化的 CCGG 序列。這兩個限制性內(nèi)切酶稱為同切點酶。 4、DNA甲基化MspIHpaII5-mCPG-33-GPCm-55-CPG-33-GPCm-5半甲基化二、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控順式作用元件反式作用因子1、順

7、式作用元件（cis-acting element ）DNA分子中對基因表達有調(diào)控作用的一段序列，其作用僅影響與其自身處于同一個DNA分子上的基因。非編碼序列分啟動子（promoter）、增強子（enhancer）、沉默子（silencer ）啟動子TATA盒，-25bp上游啟動子元件(upstream promotor elements,UPE)，CAAT 盒，-75bp；GC序列等增強子：遠離轉(zhuǎn)錄起始點（130kb），增強啟動子轉(zhuǎn)錄活性DNA序列，與方向、距離無關(guān)沉默子：類似增強子但起負性調(diào)節(jié)元件，起阻遏作用1、順式作用元件（cis-acting element ）1、順式作用元件（cis-

8、acting element ）2、反式作用因子(trans-acting factor)概念：指能直接或間接識別或結(jié)合諸順式作用元件8-12bp的核心序列，從而調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的結(jié)合蛋白，它可以調(diào)控一對同源染色體中任何一條中的靶基因。反式作用因子特點三個功能結(jié)構(gòu)域：DNA識別或識別結(jié)合結(jié)構(gòu)域；激活基因轉(zhuǎn)錄的功能結(jié)構(gòu)域；結(jié)合其他因子或調(diào)控蛋白的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域能識別并結(jié)合順式作用元件正調(diào)控與負調(diào)控反式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式DNA結(jié)合域(DNA- banding domain)鋅指結(jié)構(gòu)(zinc finger motif)同源結(jié)構(gòu)域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn

9、-helix)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu) (leucine zipper)螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix,HLH)堿性螺旋(alkaline -helix)河南師范大學生命科學學院 組蛋白與非組蛋白的調(diào)控作用1）組蛋白的調(diào)控作用組蛋白的磷酸化會引起染色體的解聚。2）非組蛋白的調(diào)控作用非組蛋白對基因DNA模板有激活作用。三、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控1、選擇性拼接2、RNA的編輯1、選擇性拼接（1）、拼接缺失外顯子缺失（2）、拼接保留內(nèi)含子內(nèi)含子外顯子（3）、部分缺失外顯子（4）、部分保留內(nèi)含子降鈣素基因轉(zhuǎn)錄物的選擇性拼接-AAA（A）n1 2 3 4 5 6外顯子內(nèi)含子Ploy（A）降鈣素斷裂和腺

10、苷酸化Ploy（A）-AAA（A）n甲狀腺拼接-AAA（A）n翻譯翻譯后加工降鈣素腦拼接-AAA（A）n翻譯翻譯后加工CGRP（Calcitonin-Gene-Related Peptide）DNA序列mRNA序列2、RNA的編輯DNA編碼鏈序列 ： GA G A AmRNA序列 ： GAU UGU AUA氨基酸序列 ： Asp Cys I le錐蟲Cox II基因與表達產(chǎn)物的序列比較（紅色U代表插入核苷酸的位置）四、翻譯水平的調(diào)控1、mRNA的穩(wěn)定性可以調(diào)節(jié)基因的表達2、 mRNA的翻譯起始的調(diào)控五、翻譯后水平的調(diào)控（1）多肽的切割加工 最初前胰島素原有 105個氨基酸，加工中先將N端的24

11、個氨基酸殘基切除，形成前體胰島素。然后切除中間一段氨基酸序列，留下21個氨基酸殘基的鏈和30個氨基酸殘基的B鏈。由二硫鍵連接兩條肽鏈。 （2）多肽的化學修飾 蛋白質(zhì)磷酸化 蛋白質(zhì)糖基化 多肽的剪接第二節(jié) 發(fā)育與細胞分化“熊在冬天交配。幾個月后，母熊隱退到洞穴中去產(chǎn)仔，產(chǎn)出三或四個幼仔。在出生時，這些幼仔是不成形的肉團，只發(fā)育出了爪，母熊把它們添成了熊的形狀”。一、果蠅的發(fā)育基因1995年，C. Nusslein-Volhard、E. Wiesehaus、E. BLewis因研究果蠅的發(fā)育基因取得重大成果而榮獲諾貝爾獎。胚胎發(fā)育是一個不同基因先后被激活的鏈式反應，即級聯(lián)反應。?控制發(fā)育的三類基因

12、：1、 母體效應基因(maternal effect gene)1) 影響前-后極性的基因2) 影響背腹極性的基因經(jīng)分子雜交bcdmRNA定位于前部經(jīng)免疫雜交BCD蛋白定位于前部經(jīng)分子雜交nosmRNA定位于后部經(jīng)分子雜交NOS蛋白定位于后部2、影響身體分節(jié)的基因1) 間隙基因(gap gene)將胚胎分成對應于副體節(jié)的主要區(qū)域，受母體效應基因的調(diào)控。2) 配對規(guī)則基因(pair-rule genes)把寬闊的間隙基因表達范圍分成垂直于前后軸的7個帶區(qū)，這組基因的突變體在每隔一個體節(jié)就缺失了一部分。3) 體節(jié)極化基因(segment polarity genes)把不同體節(jié)再分成更小的條紋突變

13、引起體節(jié)特定區(qū)域的缺失副體節(jié)：指在體節(jié)溝真正形成之前，一個未來體節(jié)的后半部與其后面相鄰體節(jié)的前半部形成的帶。果蠅幼蟲和成蟲的體節(jié)和副節(jié)Gap基因hb- z, Kr,kni在早期囊胚中表達的模式配對規(guī)則基因ftz(藍色)和eve(棕色)在晚期囊胚中的表達模式(a)3小時的果 蠅胚胎(b)10小時的果 蠅胚胎(CL, PC,O,D,Mx, Ml,Lb是頭部 不同的節(jié))(c)剛孵化出的 幼蟲3、影響體節(jié)一致性的基因-同源異型基因(homeotic genes) 控制個體的發(fā)育模式、組織和器官形成的一類基因 (1)觸角足復合體(ANT-C) 該基因的突變使觸角變成了第二對腿 (2)雙胸復合體( BX-

14、C ) 含有幾組控制胸節(jié)發(fā)育的同源異形基因，若發(fā)生突變會導致腹部形態(tài)的改變 母體效應基因： 座標基因 前后軸 背復軸合子基因:分節(jié)基因同源異形基因間隙基因配對規(guī)則基因體節(jié)極化基因ANT-CBX-C 分化二、體細胞的全能性細胞的全能性（totipotency）：指個體器官或組織中已分化的細胞具有再生成完整個體的能力。用胡蘿的根尖細胞可培養(yǎng)出一株完整的胡蘿卜（一）植物細胞的全能性植物組織培養(yǎng) 再分化 脫分化愈傷組織外植體試管苗植株無菌環(huán)境下操作細胞分裂素、生長素細胞分裂素、生長素固體蔗糖細胞分裂素/生長素濃度比值高，容易生芽細胞分裂素/生長素濃度比值低，容易生根（二）高等動物細胞核的全能性1950年Robert Briggs和Thomas King建立一種兩棲動物的核移植技術(shù)。他們還發(fā)現(xiàn)從蛙的囊胚（blastula）細胞中分離的核是保持著全能性。John Gurdon用非洲爪蟾（Xenopus laevis）進行實驗出現(xiàn)了完全不同的結(jié)果。 1997年英國蘇格蘭愛丁堡羅斯林研究所(Roslin Institute)的 Wilmut, I利用綿羊的乳腺細胞的細胞核成功地克隆了一只小羊“多利(Dolly)”。 這是世界上第一例成年山羊體細胞克隆出的“元元”，但由于