遗传学第五章基因表达的调.ppt
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1、第五章第五章 基因表达的调控基因表达的调控 基因表达调控可在几个不同水平上进行。基因表达调控可在几个不同水平上进行。在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中,在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中,基因表达是高度有序的。如在高等生物中,基因表达是高度有序的。如在高等生物中,特定的细胞已分化成高度特化的细胞,特定的细胞已分化成高度特化的细胞,人类人类眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白,其决眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白,其决不可能合成肝细胞中特有的解毒酶,不可能合成肝细胞中特有的解毒酶,各种特各种特定细胞能阻遏不同类别基因的表达。定细胞能阻遏不同类别基因的表达。基因表达的调控对生物是极端重要的。基因表
2、达的调控对生物是极端重要的。1真核生物:各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基因的表达。2细菌具有阻遏基因表达的能力。在进化中,细胞具备了一套机制,它能抑制那些并非必须的酶的基因和激活那些在某一时间内明显必须的酶的基因。达到这一目的的二个条件:(1)必必须须具具备备关关闭闭或或打打开开每每种种特特定定基基因因的的方方法法;(2)对对应应该该激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力。激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力。第一节第一节 基本的调控路线基本的调控路线乳糖操纵子的调控一、原核生物的操纵子学说乳糖操纵子 乳糖代谢中的酶和基因乳糖代谢中的酶和基因(1)透性酶pe
3、rmease:能使乳糖进入细胞(Y)(2)半乳糖苷酶galactosidase:水解乳糖为葡萄糖和半乳糖(Z)(3)转乙酰基酶transacetylase(A)三种酶的基因转录成一条三种酶的基因转录成一条mRNA,称多称多顺反子的顺反子的 mRNA(polycistronic)。)。RepressorgenePromoter Operator-galactosidasegenePermeasegeneTransacetylasegeneRegulatoryregionStructuregeneIPO lacZ lacY lacALac operon1961年法国科学家年法国科学家Jacob和和
4、Monod发现大肠杆菌在含发现大肠杆菌在含有乳糖的培养基中会合成大量的有乳糖的培养基中会合成大量的-半乳糖苷酶,使乳半乳糖苷酶,使乳糖水解,在没有乳糖的环境中不产生糖水解,在没有乳糖的环境中不产生-半乳糖苷酶。半乳糖苷酶。从而提出了乳糖操纵子学说来解释从而提出了乳糖操纵子学说来解释-半乳糖苷酶基因半乳糖苷酶基因表达调控的问题表达调控的问题The structural genes of the loc operon are transcribed into a single polycistronic mRNA,which is traslated simulated simultaneousl
5、y by several ribosmes into the three enzmes encoded by the operon.乳糖操纵子乳糖操纵子The components of the wild-type lac operon and the response in the absence and the presence of lactose,1操纵基因(操纵基因(Operator,简称简称O),),起到基因开关的作用。2启启动动基基因因(Promoter,简简称称P),是RNA聚合酶结合的部位,能起动ZYA基因的表达,POZYA在DNA上几个相邻接的基因共同组成一个功能单位称操纵
6、子(operon)。3调调节节基基因因(I基基因因),能编码产生一种阻遏蛋白,该蛋白能识别和结合到操纵基因上,并能阻止RNA聚合酶启动的转录,使乳糖操纵子处于关闭状态,一般情况下,阻遏蛋白总是结合在操纵基因O区。使操纵子关闭。如何开启操纵子表达如何开启操纵子表达?当环境中存在乳糖及其类似物时(称为诱导物),它们能与阻遏物分子结合,改变阻遏蛋白的构型,使其不能再与操纵基因O区结合。这时,操纵基因便开启,结合到启动子上的RNA聚合酶能顺利启动ZYA基因的表达,合成相应的三种酶。二、其它基因二、其它基因I基因:编码阻遏蛋白,能阻断ZYA基因的表达。O操纵基因operator:是DNA上与阻遏物结合的
7、特异性位置。阻遏物一旦结合到O基因上,就能阻制由RNA聚合酶催化的转录起动。启动基因promoter*操操纵纵子子operon:是是几几个个基基因因协协同同表表达达的的遗遗传传功功能能单单位位。由由启启动动基基因因,操操纵纵基基因因和和转转录录成成一一条条mRNA分分子子的的几几个个相相邻邻接接的的基基因组成的功能单位。因组成的功能单位。POZYA。三、乳糖操纵子阻遏物具有两种识别功能1能识别操纵子上特定的操纵基因的序列;2能识别乳糖或乳糖类似物,当阻遏物与乳糖或类似物结合时,阻遏物分子的构型将发生变化,从而使阻遏物失去了对操纵基因的亲和作用。阻遏物将从DNA上脱落下来。对Lac系统的阻遏作用
8、的解除称为诱导,能使阻遏物失活并导致Lac基因表达的乳糖类似物称为诱导物。半乳糖苷酶(galactosidase)水解乳糖为葡萄糖和半乳糖The catabolic conversion of the disaccharide lactose into its monosaccharide units,galactose and glucose导致Lac基因表达的乳糖类似物诱导物异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)The gratuitous inducer isopropylthiogalactoside 第二节第二节 乳糖系统的发现乳糖系统的发现负负调控调控50年代Jacob和Monod对E.c
9、oli乳糖代谢中的酶进行详细的遗传分析,这是基因表达调控研究的第一个重大突破。一、共同调控的基因在染色上Z、Y、A三个基因是紧密连接的。这一组连续的基因产生的mRNA是一个多顺反子mRNA分子。多顺反子的mRNA的转录和它的转译是以同一方向进行的。极极性性突突变变(polar mutation):不不但但能能影影响响突突变变位位点点上上的的那那个个基基因因,而而且且会会降降底底或或消消除除下下游游更更远远一一些些基基因因的的表表达达。如Lac多顺反子中Z基因的无义突变会降底Y、A基因的表达。二、I基因控制Lac酶的可诱导性的区域。I+的的细细胞胞只只能能在在有有一一种种诱诱导导物物存存在在时时
10、才才能能正常合成正常合成Lac酶;酶;I 的的细细胞胞不不管管诱诱导导物物存存在在与与否否都都能能合合成成Lac酶酶,这这 种种 突突 变变 体体 称称 为为 组组 成成 型型 突突 变变 体体(constitutive mutant)。)。I 的细胞不管诱导物存在与否都能合成的细胞不管诱导物存在与否都能合成Lac酶,这种突变酶,这种突变体称为组成型突变体(体称为组成型突变体(constitutive mutant)三、阻遏物1E.coli的F因子带有Lac区。可以作互补试验:反式时,I+对I为显性。试验结果:单倍体和杂合性二倍体中半乳糖苷酶和透性酶的合成菌株基因型半乳糖苷酶透性酶非诱导诱导非
11、诱导诱导123456I+Z+Y+IZ+Y+I+ZY+/FIZ+Y+IZY+/FI+Z+YIZY+/FIZ+Y+(IZY)/FIZ+Y+2Iocob发现另一种突变体IS能抑制乳糖或其类似物对Lac酶的诱导作用。这是因为IS突变改变了阻遏物上特异性结合位点,从而破坏了与诱导物的结合,即使有IPTG诱导物存在。IS产生的阻遏物分子仍能抑制Lac酶的合成。IS反式时对I+和I都为显性。IS突变改变了阻遏物上特异性结合位点,破坏了与诱导物的结合,即使有IPTG诱导物存在。IS产生的阻遏物分子仍能抑制Lac酶的合成。The response of the lac operon in the presenc
12、e of lactose in a cell bearing the Is mutation.15-7野生型和I的不同等位基因的菌株中Lac酶的合成四、操纵基因和操纵子1阻遏物怎样阻断Lac酶的合成?Jacob推测有一操纵基因,靠近它所调控的一串基因。*在在操操纵纵基基因因中中发发生生突突变变时时,即即使使有有活活性性阻阻遏遏物物存存在在,Lac酶照常合成,这种突变称为操纵基因组成型突变酶照常合成,这种突变称为操纵基因组成型突变OC(constitutive)。)。2Lac操纵子的表达是在Lac阻遏物的负调控下进行的。在没有诱导物时,Lac阻遏物通常抑制Lac酶的产生。*在操纵基因中发生突变时
13、,即使有活性阻遏物存在,Lac酶照常合成。这种突变称为操纵基因组成型突变OC(constitutive)。15-6b单倍体和杂合二倍体操纵基因突变体Lac酶的合成情况五、阻遏物和操纵基因的鉴定1Lac阻遏物是具有两种识别位点的蛋白,一个位点识别诱导物分子,另一位点识别Lac操纵基因的DNA序列。阻遏物与诱导物结合,改变了阻遏蛋白的构型,从而改变了对操纵基因的亲合力。2.Gilbert用用DNA酶酶处处理理已已结结合合有有阻阻遏遏物物的的DNA分分子子,结结果果得得到到了了没没有有被被DNase降降解解的的DNA短短片片段段操操纵纵基基因因区区。操纵基因发生单个碱基的变化就会使阻遏物无法识别。5
14、,TGGAATTGTGAGCGGATAACAATT3,3,ACCTTAACACTCGCCTATTGTTAA5,*ATGTTACTTACAATGALac操纵基因的序列和8个OC突变体Ocmutations六、Lac系统中各种突变的综合分析1Z、Y基因的突变为Lac表型,在二倍体试验中Z、Y为隐性,只要有一个Z+和Y+就能满足Lac+表型要求。2使阻遏物失去功能的I基因突变为I,不论是否有诱导物,I菌株都能正常合成Lac酶,所以称为组成型突变。在二倍体试验中,I为隐性,因为只需要有一个I+基因就能满足二个操纵基因结合阻遏物的要求,如无诱导物,lac表达受阻。问:如果有诱导物,结果怎样?无活性阻遏物
15、I+P+O+Z+Y+P+O+Z+Y+I_R在二倍体试验中,I为隐性,因为只需要有一个I+基因就能满足二个操纵基因结合阻遏物的要求,如无诱导物,lac表达受阻。活性阻遏物3另一种不同的I基因突变型是一种诱导无效的突变型,称超阻遏突变型IS。IS产产生生的的阻阻遏遏物物上上与与诱诱导导物物结结合合的的位位点点发发生生了了变变化化,使使诱诱导导物物不不能能与与阻阻遏遏物物相相结结合合。IS的的细细胞胞表表型型为为Lac,因因为为IS产产生生的的阻阻遏遏物物总总是是结结合合到到操操纵纵基基因因上上,即即使使有有诱诱导导物物存存在在也也无无法法结结合到这种阻遏物上。合到这种阻遏物上。IS对对I+,I都为
16、显性。都为显性。RSP+O+Z+Y+ISI+P+O+Z+Y+I诱导物不能与阻遏物相结合RI在一个二倍细胞中,RS阻遏物能结合到两者的操纵基因上,即使有诱导物,IS/I+二倍体也为Lac。4操操纵纵基基因因突突变变使使阻阻遏遏物物无无法法识识别别,为为顺顺式式显显性性:对同一染色体上直接与其相邻接的那些基因呈显性。如一个Oc和O+位于同一细胞中,那么阻遏物只能识别O+,并抑制与O+相邻接的ZY基因表达,但阻遏物不会识别Oc,即使无诱导物,与Oc相邻接的Z、Y基因也能表达。Oc的的含含义义说说明明其其总总是是激激活活状状态态,总是总是Lac+表型,为组成型表达。表型,为组成型表达。I+P+O+Z+
17、Y+I+P+OCZ+Y+R阻遏物不能识别Oc表达受阻即使无诱导物也能表达操纵基因突变使阻遏物无法识别,为顺式显性,Oc和的含义说明其总是激活状态,总是Lac表型,为组成型表达。5启动基因突变(P)使RNA聚合酶无法识别,从而阻断转录起动,P为顺式显性(Cisdominant)。6负调控:凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能不能实现,而这一成分的消失或失活使这一功能得以实现。正调控:凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能能够实现,而这一成分的消失或失活使这一功能不能实现。第三节第三节 Lac操纵子操纵子的分解物阻遏的分解物阻遏_正调控正调控1细胞具有优先吸收和利用葡萄糖的特异性酶,如果同时存在乳糖
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- 遗传学 第五 基因 表达
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