1、第六章 基因調控與發育Chapter 6 Regulatiion of Gene Expression and development主要內容基因表達與調控 原核生物基因調控簡述：操縱子學說 真核生物基因調控簡述發育和細胞分化第一節 基因表達與調控基因表達(gene expression)-基因轉錄及翻譯的過程。中心法則(the central dogma)：一、原核生物基因調控簡述：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學獎1、Discovery of Operon（1）二次生長現象的誕生1940年， Monod發現：細菌在含葡萄糖和

2、乳糖的培養基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉變期，細菌的生長會出現停頓，即產生“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）。“分解葡糖糖和分解乳糖的兩種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化占優勢，當葡萄糖用完以后，則有利于向分解乳糖的酶轉化”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基上生長，然后再轉接到含誘導物和帶放射性標記氨基酸的培養基上。 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 -半乳糖苷轉乙酰酶（4）酶的合成與基因調控1951年，Monod與Jacob合作。發現兩對基因：Z基因：與合成-半乳糖苷酶有關；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：結構基因旁有開關基因（即操縱基因），阻遏物通過與開關基因的結合，控制結構基因的表達。1961年，“蛋白質合成的遺傳調節機制”

4、論文2、乳糖操縱子操縱子(operon): 結構基因(structural gene)、啟動子(promoter,P)和操縱基因(operator,O)。阻遏物基因(inhibitor,i),產生阻遏物(repressor)。阻遏蛋白的負性調節(negative control of repressor)無乳糖(no lactose): lac操縱子處于阻遏狀態(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)的調控方式CAP的正性調節（Positive Control of CAP）CAP(catabolite activator protein)分解代謝基因激活蛋白同二聚體DNA結合區 cAMP(cyclic AMP)結合位點二、真核生物基因表達的調控DNA水平的調控轉錄水平的調控轉錄后水平的調控翻譯水平的調控翻譯后水平的調控原核生物真核生物一、DNA水平的調控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） ：就是指細胞內某些特定基因的拷貝數專一性的大量增加的

6、現象。例如：rRNA和多線染色體 它是細胞在短期內為滿足某種需要而產生足夠的基因產物的一種調控方式。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，也可以調節基因的表達。圖：限制性內切酶 MspI 可以切所有的 CCGG 序列，但是當第二個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、轉錄水平的調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：遠離轉錄起始點（130kb），增強啟動子轉錄活性DNA序列，與方向、距離無關沉默子：類似增強子但起負性調節元件，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合諸順式作用元件8-12bp的核心序列，從而調控靶基因轉錄效率的結合蛋白，它可以調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構域：DNA識別或識別結合結構域；激活基因轉錄的功能結構域；結合其他因子或調控蛋白的調節結構域能識別并結合順式作用元件正調控與負調控反式作用因子結構域的模式DNA結合域(DNA- banding domain)鋅指結構(zinc finger motif)同源結構域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn

9、-helix)亮氨酸拉鏈結構 (leucine zipper)螺旋-環-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控作用1）組蛋白的調控作用組蛋白的磷酸化會引起染色體的解聚。2）非組蛋白的調控作用非組蛋白對基因DNA模板有激活作用。三、轉錄后水平的調控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）、拼接保留內含子內含子外顯子（3）、部分缺失外顯子（4）、部分保留內含子降鈣素基因轉錄物的選擇性拼接-AAA（A）n1 2 3 4 5 6外顯子內含子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、翻譯水平的調控1、mRNA的穩定性可以調節基因的表達2、 mRNA的翻譯起始的調控五、翻譯后水平的調控（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 蛋白質磷酸化 蛋白質糖基化 多肽的剪接第二節 發育與細胞分化“熊在冬天交配。幾個月后，母熊隱退到洞穴中去產仔，產出三或四個幼仔。在出生時，這些幼仔是不成形的肉團，只發育出了爪，母熊把它們添成了熊的形狀”。一、果蠅的發育基因1995年，C. Nusslein-Volhard、E. Wiesehaus、E. BLewis因研究果蠅的發育基因取得重大成果而榮獲諾貝爾獎。胚胎發育是一個不同基因先后被激活的鏈式反應，即級聯反應。?控制發育的三類基因

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分子雜交bcdmRNA定位于前部經免疫雜交BCD蛋白定位于前部經分子雜交nosmRNA定位于后部經分子雜交NOS蛋白定位于后部2、影響身體分節的基因1) 間隙基因(gap gene)將胚胎分成對應于副體節的主要區域，受母體效應基因的調控。2) 配對規則基因(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，這組基因的突變體在每隔一個體節就缺失了一部分。3) 體節極化基因(segment polarity genes)把不同體節再分成更小的條紋突變

13、引起體節特定區域的缺失副體節：指在體節溝真正形成之前，一個未來體節的后半部與其后面相鄰體節的前半部形成的帶。果蠅幼蟲和成蟲的體節和副節Gap基因hb- z, Kr,kni在早期囊胚中表達的模式配對規則基因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)(c)剛孵化出的 幼蟲3、影響體節一致性的基因-同源異型基因(homeotic genes) 控制個體的發育模式、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 ) 含有幾組控制胸節發育的同源異形基因，若發生突變會導致腹部形態的改變 母體效應基因： 座標基因 前后軸 背復軸合子基因:分節基因同源異形基因間隙基因配對規則基因體節極化基因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出一株完整的胡蘿卜（一）植物細胞的全能性植物組織培養 再分化 脫分化愈傷組織外植體試管苗植株無菌環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。他們還發現從蛙的囊胚（blastula）細胞中分離的核是保持著全能性。John Gurdon用非洲爪蟾（Xenopus laevis）進行實驗出現了完全不同的結果。 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