基因的調(diào)控與發(fā)育

1、1,生物的遺傳信息以基因的形式儲(chǔ)藏在細(xì)胞的DNA分子中的。隨著個(gè)體的發(fā)育，DNA有序地將遺傳信息通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能，完成生命的全過(guò)程。 從DNA到蛋白質(zhì)，叫做“基因表達(dá)”，對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱(chēng)為“基因表達(dá)調(diào)控”。,1 基因表達(dá)與調(diào)控,2,生物的所有基因不是同時(shí)全部都表達(dá)，大腸桿菌含有約4000個(gè)基因，一般情況下只有5－10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，有的就暫時(shí)不

2、表達(dá)。 基因表達(dá)調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。要了解動(dòng)、植物生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能，就必須弄清楚基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間和空間概念。,3,1.1 基因表達(dá)的時(shí)間性與空間性,時(shí)間特異性,4,空間特異性,基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱(chēng)細(xì)胞或組織特異性（cell or tissue specificity）。,在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織

3、空間出現(xiàn)，稱(chēng)之為基因表達(dá)的空間特異性（spatial specificity）。,5,生物的基因表達(dá)不是雜亂無(wú)章的，而是受著嚴(yán)密、精確調(diào)控的，不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的，而且遺傳信息的表達(dá)調(diào)控也是生命本質(zhì)所在。,從上所述，不難看出：,6,組成性表達(dá)(constitutive expression)誘導(dǎo)和阻遏表達(dá) (induction and repression expression）,1.2 基因表達(dá)的方式,7,組成性表達(dá)

4、：,某些基因產(chǎn)物對(duì)生命全過(guò)程是必需的或必不可少的。這類(lèi)基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，稱(chēng)為管家基因（housekeeping gene）。管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。,8,誘導(dǎo)和阻遏表達(dá),有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境變化影響，在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，這些基因的表達(dá)或是被激活（誘導(dǎo)），或是被抑制（阻遏）。 誘導(dǎo)表達(dá)是屬于基因表達(dá)的“正調(diào)控”，阻遏表達(dá)

5、是屬于基因表達(dá)的“負(fù)調(diào)控”。,9,1.2 原核基因的調(diào)控——操縱子學(xué)說(shuō),1960年，法國(guó)的Monod與Jacob在《法國(guó)科學(xué)院院報(bào)》上發(fā)表了一篇論文，提出“乳糖操縱子學(xué)說(shuō)”，認(rèn)為乳糖代謝中的兩個(gè)基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。他們首先提出了操縱子（operon）和操縱基因（operator）的概念，這一學(xué)說(shuō)使我們從分子水平開(kāi)始認(rèn)識(shí)基因表達(dá)的調(diào)控，具有劃時(shí)代的意義，因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。,10,需要兩種酶：β-

6、半乳糖苷酶β-半乳糖苷透性酶,大腸桿菌的乳糖代謝,11,I,P,O,Z,Y,A,,控制位點(diǎn) 結(jié)構(gòu)基因,DNA,啟動(dòng)子,操縱子,β半乳糖苷酶,半乳糖苷酶通透酶,半乳糖乙酰轉(zhuǎn)移酶,調(diào)控基因,1.2.1 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu),阻遏蛋白,,,,,,,,12,β-半乳糖苷酶：一種β-半乳糖苷鍵的專(zhuān)一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。β-半乳糖苷透過(guò)酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。β-半乳糖苷

7、乙?；D(zhuǎn)移酶：把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,13,1.2.2 乳糖操縱子的 負(fù)調(diào)控,無(wú)乳糖存在時(shí)，阻遏物可以結(jié)合在操縱基因上， 阻止轉(zhuǎn)錄過(guò)程 ，基因關(guān)閉；有乳糖存在時(shí)，乳糖與阻遏物結(jié)合，使阻遏物不能結(jié)合操縱基因，基因開(kāi)放。,14,I,P,O,Z,Y,A,,控制位點(diǎn) 結(jié)構(gòu)基因,DNA,啟動(dòng)子,操縱子,β半乳糖苷酶,半乳糖苷酶通透酶,半乳糖乙酰轉(zhuǎn)移酶,調(diào)控基因,1.2.3 乳糖操縱子的

8、正調(diào)控,阻遏蛋白,,,,,,,,15,cAMP-CAP,cAMP,cAMP與CAP（分解代謝物基因活化蛋白）的復(fù)合體，是乳糖操縱子的正調(diào)控因子。,16,17,,2,無(wú)葡萄糖，無(wú)乳糖：,無(wú)葡萄糖，有乳糖：,RNA聚合酶,有葡萄糖，無(wú)乳糖：,有葡萄糖，有乳糖：,葡萄糖和乳糖對(duì)cAMP-CAP調(diào)節(jié)操作子的可能模式,18,當(dāng)培養(yǎng)基中葡萄糖濃度升高而乳糖濃度降低時(shí),,,,,,細(xì)胞中cAMP濃度降低,缺乏乳糖與阻遏蛋白結(jié)合,,,,CAP失活,,,阻

9、抑蛋白與操縱基因結(jié)合,,RNA聚合酶不能與啟動(dòng)基因結(jié)合,,,,,,基因轉(zhuǎn)錄被阻遏,,,,,,,阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié),,19,,,當(dāng)培養(yǎng)基中葡萄糖濃度降低而乳糖濃度升高時(shí),,,,,細(xì)胞中cAMP濃度升高,,乳糖作為誘導(dǎo)劑與阻抑蛋白結(jié)合,,,,,cAMP與CAP結(jié)合并使之激合,,,,促使阻抑蛋白與操縱基因分離,,,CAP促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)基因結(jié)合,,,,,,基因轉(zhuǎn)錄激活,,,,,,CAP的正性調(diào)節(jié),,20,乳糖操縱子的雙調(diào)控系統(tǒng),(1)

10、受乳糖與阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控;(2) 受cAMP-CAP的正調(diào)控系統(tǒng)，葡萄糖通過(guò)調(diào)節(jié)cAMP的合成間接調(diào)控這一過(guò)程。 若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在時(shí)，先利用葡萄糖是最節(jié)能。通過(guò)降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結(jié)合而抑制lac操縱子轉(zhuǎn)錄，使細(xì)菌只能利用葡萄糖 。乳糖操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。,21,DNA水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控翻譯后調(diào)控,1.3 真核生物基因表達(dá)

11、的調(diào)控,22,1.3.1 DNA水平的調(diào)控,通過(guò)改變基因組中有關(guān)基因的數(shù)量和結(jié)構(gòu)順序而控制基因的表達(dá)。 包括: 基因擴(kuò)增 基因丟失 基因重排 基因的化學(xué)改變 其中有些改變是可逆的,23,基因擴(kuò)增,兩棲動(dòng)物蟾蜍的卵母細(xì)胞很大，是正常體細(xì)胞的100倍，需要合成大

12、量蛋白質(zhì)，所以需要大量核糖體。在卵母細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中，rRNA基因數(shù)目臨時(shí)增加4000倍。,24,基因丟失,馬蛔蟲(chóng)2n＝2，但染色體上有多個(gè)著絲粒。第一次卵裂是橫裂，產(chǎn)生上下2個(gè)子細(xì)胞。第二次卵裂時(shí)，一個(gè)子細(xì)胞仍進(jìn)行橫裂，保持完整的基因組，而另一個(gè)子細(xì)胞卻進(jìn)行縱向分裂，丟失部分染色體。一部分細(xì)胞總是保留完整的基因組，將來(lái)發(fā)育為生殖細(xì)胞；丟失了部分染色體的細(xì)胞分化為體細(xì)胞。,25,馬蛔蟲(chóng)受精卵的早期分裂,26,基因重排,人體可產(chǎn)生108

13、以上不同的抗體分子每一種特異抗體具有不同的氨基酸序列人類(lèi)基因組中編碼蛋白質(zhì)的基因大概只有30000個(gè)編碼抗體分子需要的基因是人體基因總數(shù)的1000倍! 可能嗎？,27,免疫球蛋白（抗體）的分子結(jié)構(gòu),28,在人類(lèi)基因組中，所有抗體的重鏈和輕鏈都不是由固定的完整基因編碼的，而是由不同基因片段經(jīng)重排后形成的完整基因編碼的。完整的重鏈基因由VH、D、J和C四個(gè)基因片斷組合而成完整的輕鏈基因由VL、J和C 3個(gè)片段組

14、合而成。,29,人類(lèi)抗體重鏈基因結(jié)構(gòu),30,抗體輕鏈的形成過(guò)程,,31,DNA的甲基化,在真核生物DNA分子中，少數(shù)胞嘧啶堿基第5碳上的氫可以在甲基化酶的催化下被一個(gè)甲基取代，使胞嘧啶甲基化（methylation）。甲基化多發(fā)生在5‘-CG-3'二核苷酸對(duì)上。有時(shí)CG二核苷酸對(duì)上的兩個(gè)C都甲基化，稱(chēng)為完全甲基化，只有一個(gè)C甲基化稱(chēng)為半甲基化。,32,甲基化可以調(diào)控基因表達(dá),DNA的甲基化可以引起基因的失活；基因表達(dá)的活

15、性與甲基化程度呈負(fù)相關(guān)；甲基化的程度可以在轉(zhuǎn)錄的充分激活和完全阻遏之間起調(diào)節(jié)作用。,33,1.3.2 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,順式作用元件（cis-acting element）是指DNA分子上對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的特定核苷酸序列。順式作用元件多位于基因上游或內(nèi)含子中，只影響同一DNA分子上的基因。真核基因的順式作用元件按其功能可以分為： 啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、沉默子,34,啟動(dòng)子,增強(qiáng)子,35,反式作用因子（trans-actin

16、g factors）：是參與調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)因子，可以直接或間接識(shí)別或者結(jié)合順式作用元件核心序列，可對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生激活或阻遏的作用。,不論是啟動(dòng)子還是增強(qiáng)子都必須與特定的蛋白質(zhì)的相互作用才能調(diào)控基因的表達(dá)；真核生物RNA聚合酶不能直接啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，必須要轉(zhuǎn)錄因子裝配到啟動(dòng)子上，RNA聚合酶才能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。,36,順-反式作用元件與順-反式作用,37,2）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)構(gòu),38,DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)特征,α螺旋-轉(zhuǎn)角-α螺旋（hel

17、ix-turn-helix）鋅指（zinc finger）亮氨酸拉鏈（leucine zipper）,39,α螺旋－轉(zhuǎn)角－α螺旋,40,鋅指結(jié)構(gòu),41,亮氨酸拉鏈,42,1.3.3 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,在真核生物中，蛋白質(zhì)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物必須經(jīng)過(guò)加工才能成為成熟的mRNA分子。加工過(guò)程包括三個(gè)方面：加帽、加尾、去掉內(nèi)含子（mRNA剪接）可變剪接（alternative splicing）、RNA編輯,43,1.3.4 翻譯水平的調(diào)控,阻遏

18、蛋白與mRNA結(jié)合，可以阻止蛋白質(zhì)的翻譯；如鐵蛋白mRNA的翻譯取決于鐵的供應(yīng)。成熟的mRNA可以失活狀態(tài)貯存起來(lái)；如種子萌發(fā)時(shí)，用儲(chǔ)存的mRNA合成蛋白。海膽卵內(nèi)的mRNA在受精前是不翻譯的，一旦受精，蛋白質(zhì)的合成立即開(kāi)始。,44,地中海傘藻的生活史,45,千年古蓮發(fā)芽之謎,46,1.3.5 翻譯后調(diào)控,直接來(lái)自核糖體的線(xiàn)狀多肽鏈?zhǔn)菦](méi)有功能的，必須經(jīng)過(guò)加工才具有活性。蛋白質(zhì)的切割蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾,47,真核生物與原核生物正負(fù)調(diào)

19、控作用的比較,真核生物：特異性正調(diào)控與非特異性負(fù)調(diào)控原核生物：非特異性正調(diào)控與特異性負(fù)調(diào)控為什么？,48,2 發(fā)育與細(xì)胞分化,果蠅的發(fā)育基因體細(xì)胞的全能性問(wèn)題,49,2.1 果蠅的發(fā)育基因,胚胎發(fā)育是一個(gè)不同基因先后被激活的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)果蠅胚胎發(fā)育過(guò)程中最先起作用的是母體效應(yīng)基因，這些基因的轉(zhuǎn)錄（RNA）和翻譯（蛋白）產(chǎn)物在受精前已經(jīng)儲(chǔ)存在卵細(xì)胞中母體效應(yīng)基因產(chǎn)生了“位置效應(yīng)”，決定了胚胎極性的形成。,50,,,,間隙基因,配對(duì)規(guī)

20、則基因,體節(jié)極化基因,,同源異型基因,母體效應(yīng)基因：,51,同源異型基因突變體,52,2.2 細(xì)胞的全能性,1958年斯蒂伍德用野生胡蘿卜根的韌皮部細(xì)胞進(jìn)行離體培養(yǎng)，成功地長(zhǎng)出了幼株。,53,在組織培養(yǎng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中的激素種類(lèi)和濃度，可使細(xì)胞脫分化和再分化。,愈傷組織,再生小苗,54,愈傷組織形態(tài)圖,55,,56,克隆羊 —— 多莉,多莉（Dolly）是第一個(gè)使用成熟細(xì)胞克隆的哺乳動(dòng)物，1996年誕生于英國(guó)愛(ài)丁堡附近的羅斯林研究所

21、。因患晚期肺病和關(guān)節(jié)炎，在年僅6歲時(shí)就被處以安樂(lè)死。,57,58,綿羊通常能活12年左右，而多莉只活了6歲，它的早夭再次引起了人們對(duì)克隆動(dòng)物是否會(huì)早衰的擔(dān)憂(yōu)。正值壯年的多莉患有肺部感染和關(guān)節(jié)炎，而這是一種老年綿羊的常見(jiàn)疾病。,克隆動(dòng)物的年齡到底是從0歲開(kāi)始計(jì)算，還是從被克隆動(dòng)物的年齡開(kāi)始累積計(jì)算，還是從兩者之間的某個(gè)年齡開(kāi)始計(jì)算？這是一個(gè)很難回答的問(wèn)題。,59,多莉羊重生！英科學(xué)家宣稱(chēng)4年前又克隆出4只,60,歐洲盤(pán)羊——奧姆布雷塔,2

22、000年，一只叫做奧姆布雷塔的歐洲盤(pán)羊被成功克隆，科學(xué)家這樣做是為了營(yíng)救目前世界上數(shù)目稀少的歐洲盤(pán)羊，避免它們從地球上滅絕消失。,61,克隆馬——普羅梅蒂亞,2003年，意大利克隆出一只叫做普羅梅亞的種馬，并希望通過(guò)克隆的方法能夠制造出更多的意大利種馬。,62,克隆騾子——格姆,騾子是不能生育的，2003年，美國(guó)愛(ài)達(dá)荷州研究小組成功地克隆了一只叫做格姆的騾子。它是第一只被克隆的無(wú)法生育的動(dòng)物。,63,克隆牛——諾托和卡加,1998年日本

23、成功克隆了兩頭母牛“諾托”和“卡加”，隨后克隆了數(shù)千頭母牛，這項(xiàng)技術(shù)為其他克隆技術(shù)生產(chǎn)出更好的肉質(zhì)和牛奶做出巨大貢獻(xiàn)。,64,美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室克隆了出了5頭雌性豬，其中最大的一頭叫做米莉。這些克隆豬能生長(zhǎng)出適合人類(lèi)的器官和細(xì)胞組織。,克隆豬——米莉,65,克隆魚(yú)——鯽魚(yú),1963年，一條亞洲鯉魚(yú)被成功克?。皇曛?，我國(guó)科學(xué)家童第周又克隆了一條歐洲鯉魚(yú)。,66,克隆雪貂——利比和利麗,2004年，美國(guó)依阿華大學(xué)首次成功克隆出雪貂利比和利麗，

24、這對(duì)于研究呼吸管疾病非常有用，同時(shí)雪貂也是瀕危滅絕的物種。,67,克隆狼,2005年，首爾國(guó)立大學(xué)成功地克隆了兩只灰狼，這是保護(hù)環(huán)境和野生動(dòng)物的一種有效措施。,68,克隆狗——史努比,2005年，韓國(guó)科學(xué)家挑戰(zhàn)了一項(xiàng)克隆技術(shù)，最終他們利用干細(xì)胞移植手術(shù)培育出世界上第一只克隆狗，并將這只克隆狗命名為史努比。,69,克隆貓——科畢,這只名叫科畢的貓于2001年成功克隆，從此開(kāi)辟了寵物克隆市場(chǎng)，并最終形成了克隆寵物的國(guó)際性行業(yè)。,70,克隆鼠

25、——拉夫爾,2002年，一只叫做拉夫爾的大老鼠終于成功地被克隆，它經(jīng)過(guò)15次克隆才最終成功。大老鼠的克隆技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)，并且大老鼠的克隆對(duì)于人類(lèi)醫(yī)學(xué)研究意義重大。,71,克隆猴——特拉,2000年，實(shí)驗(yàn)室首次成功克隆了一只叫做“特拉”的獼猴，后來(lái)科學(xué)家們陸續(xù)克隆了多只猴子，可用于研究人員測(cè)試糖尿病等病癥。,72,克隆人？？？,73,克隆人的社會(huì)倫理問(wèn)題,美國(guó)科幻小說(shuō)家D.Rorvick寫(xiě)的《The cloning of man》

26、 一位富有的商人希望自己能永遠(yuǎn)活在世上，于是就將自己的體細(xì)胞移植到一枚去核受精卵中，在體外發(fā)育到胚泡期，將小胚胎移植到代理母親子宮內(nèi)，經(jīng)過(guò)懷孕最后生下一個(gè)健康的男嬰。這位男嬰就是這位富商的CLONE。,74,克隆人的出現(xiàn)會(huì)搞亂人際關(guān)系。克隆人出來(lái)以后，他跟這個(gè)基因提供者之間不知道是什么關(guān)系。父子也不像，母子，母女，都說(shuō)不太清楚； 克隆技術(shù)會(huì)導(dǎo)致基因多樣性的喪失。有性繁殖不斷導(dǎo)致新的基因的出現(xiàn)，單性復(fù)制會(huì)導(dǎo)致基因多樣性的

27、喪失，危害整個(gè)物種的安全；,懷疑會(huì)不會(huì)有戰(zhàn)爭(zhēng)狂人復(fù)制很多希特勒，給世界造成新的災(zāi)難。,人們對(duì)克隆人技術(shù)的一些擔(dān)憂(yōu),75,當(dāng)你發(fā)現(xiàn)世界上有一個(gè)與你完全一樣的人存在，你會(huì)怎想？,76,當(dāng)你突然發(fā)現(xiàn)自己才是克隆人，活著就是為了給“主人”提供器官，你又會(huì)怎么想？,77,基因工程技術(shù)給人類(lèi)提供了無(wú)限的改變自身基因的能力，是否會(huì)產(chǎn)生超乎常人的突變?nèi)?？引起?yán)重的社會(huì)后果？,78,是否絕對(duì)禁止克隆人研究？,美國(guó)、英國(guó)：允許以治療研究為目的的人體胚胎克隆

28、實(shí)驗(yàn)；日本：禁止克隆人，禁止一切將人與動(dòng)物細(xì)胞相互移植的克隆行為，克隆人者將被處以10年監(jiān)禁； 德國(guó)、歐盟：實(shí)施胚胎保護(hù)法，嚴(yán)格禁止克隆人及人體胚胎的研究；歐盟：議會(huì)投票否決人體克隆的一切研究。 中國(guó)：反對(duì)克隆人，不贊成、不允許、不支持、不接受任何克隆人實(shí)驗(yàn)，但主張對(duì)治療性和生殖性克隆加以區(qū)別。,79,人類(lèi)胚胎克隆具有重要的醫(yī)學(xué)研究?jī)r(jià)值,利用人體細(xì)胞克隆人類(lèi)早期胚胎，然后從中提取未完全發(fā)育的干細(xì)胞，能培育出各種人體組織，如骨髓、