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藏在細胞的DNA分子中的。隨著個體的發(fā)育，DNA有序地將遺傳信息通過轉錄和翻譯轉變成蛋白質，執(zhí)行各種生理生化功能，完成生命的全過程。 從DNA到蛋白質，叫做“基因表達”，對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為“基因表達調(diào)控”。,1 基因表達與調(diào)控,2,生物的所有基因不是同時全部都表達，大腸桿菌含有約4000個基因，一般情況下只有5－10%在高水平轉錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，有的就暫時不

2、表達。 基因表達調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學研究的中心課題。要了解動、植物生長發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結構特征和生物學功能，就必須弄清楚基因表達調(diào)控的時間和空間概念。,3,1.1 基因表達的時間性與空間性,時間特異性,4,空間特異性,基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性（cell or tissue specificity）。,在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織

3、空間出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性（spatial specificity）。,5,生物的基因表達不是雜亂無章的，而是受著嚴密、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調(diào)控也是生命本質所在。,從上所述，不難看出：,6,組成性表達(constitutive expression)誘導和阻遏表達 (induction and repression expression）,1.2 基因表達的方式,7,組成性表達

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

5、是屬于基因表達的“負調(diào)控”。,9,1.2 原核基因的調(diào)控——操縱子學說,1960年，法國的Monod與Jacob在《法國科學院院報》上發(fā)表了一篇論文，提出“乳糖操縱子學說”，認為乳糖代謝中的兩個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，這一學說使我們從分子水平開始認識基因表達的調(diào)控，具有劃時代的意義，因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學獎。,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 結構基因,DNA,啟動子,操縱子,β半乳糖苷酶,半乳糖苷酶通透酶,半乳糖乙酰轉移酶,調(diào)控基因,1.2.1 乳糖操縱子的結構,阻遏蛋白,,,,,,,,12,β-半乳糖苷酶：一種β-半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。β-半乳糖苷透過酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內(nèi)。β-半乳糖苷

7、乙?；D移酶：把乙酰輔酶A上的乙?；D到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,13,1.2.2 乳糖操縱子的 負調(diào)控,無乳糖存在時，阻遏物可以結合在操縱基因上， 阻止轉錄過程 ，基因關閉；有乳糖存在時，乳糖與阻遏物結合，使阻遏物不能結合操縱基因，基因開放。,14,I,P,O,Z,Y,A,,控制位點 結構基因,DNA,啟動子,操縱子,β半乳糖苷酶,半乳糖苷酶通透酶,半乳糖乙酰轉移酶,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）的復合體，是乳糖操縱子的正調(diào)控因子。,16,17,,2,無葡萄糖，無乳糖：,無葡萄糖，有乳糖：,RNA聚合酶,有葡萄糖，無乳糖：,有葡萄糖，有乳糖：,葡萄糖和乳糖對cAMP-CAP調(diào)節(jié)操作子的可能模式,18,當培養(yǎng)基中葡萄糖濃度升高而乳糖濃度降低時,,,,,,細胞中cAMP濃度降低,缺乏乳糖與阻遏蛋白結合,,,,CAP失活,,,阻

9、抑蛋白與操縱基因結合,,RNA聚合酶不能與啟動基因結合,,,,,,基因轉錄被阻遏,,,,,,,阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié),,19,,,當培養(yǎng)基中葡萄糖濃度降低而乳糖濃度升高時,,,,,細胞中cAMP濃度升高,,乳糖作為誘導劑與阻抑蛋白結合,,,,,cAMP與CAP結合并使之激合,,,,促使阻抑蛋白與操縱基因分離,,,CAP促進RNA聚合酶與啟動基因結合,,,,,,基因轉錄激活,,,,,,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調(diào)控;(2) 受cAMP-CAP的正調(diào)控系統(tǒng)，葡萄糖通過調(diào)節(jié)cAMP的合成間接調(diào)控這一過程。 若有葡萄糖或葡萄糖／乳糖共同存在時，先利用葡萄糖是最節(jié)能。通過降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結合而抑制lac操縱子轉錄，使細菌只能利用葡萄糖 。乳糖操縱子強的誘導作用既需要乳糖存在又需缺乏葡萄糖。,21,DNA水平上的調(diào)控轉錄水平的調(diào)控轉錄后調(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

11、的調(diào)控,22,1.3.1 DNA水平的調(diào)控,通過改變基因組中有關基因的數(shù)量和結構順序而控制基因的表達。 包括: 基因擴增 基因丟失 基因重排 基因的化學改變 其中有些改變是可逆的,23,基因擴增,兩棲動物蟾蜍的卵母細胞很大，是正常體細胞的100倍，需要合成大

12、量蛋白質，所以需要大量核糖體。在卵母細胞發(fā)育過程中，rRNA基因數(shù)目臨時增加4000倍。,24,基因丟失,馬蛔蟲2n＝2，但染色體上有多個著絲粒。第一次卵裂是橫裂，產(chǎn)生上下2個子細胞。第二次卵裂時，一個子細胞仍進行橫裂，保持完整的基因組，而另一個子細胞卻進行縱向分裂，丟失部分染色體。一部分細胞總是保留完整的基因組，將來發(fā)育為生殖細胞；丟失了部分染色體的細胞分化為體細胞。,25,馬蛔蟲受精卵的早期分裂,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基因組中編碼蛋白質的基因大概只有30000個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）的分子結構,28,在人類基因組中，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四個基因片斷組合而成完整的輕鏈基因由VL、J和C 3個片段組

14、合而成。,29,人類抗體重鏈基因結構,30,抗體輕鏈的形成過程,,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-3'二核苷酸對上。有時CG二核苷酸對上的兩個C都甲基化，稱為完全甲基化，只有一個C甲基化稱為半甲基化。,32,甲基化可以調(diào)控基因表達,DNA的甲基化可以引起基因的失活；基因表達的活

15、性與甲基化程度呈負相關；甲基化的程度可以在轉錄的充分激活和完全阻遏之間起調(diào)節(jié)作用。,33,1.3.2 轉錄水平的調(diào)控,順式作用元件（cis-acting element）是指DNA分子上對基因表達有調(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： 啟動子、增強子、沉默子,34,啟動子,增強子,35,反式作用因子（trans-actin

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

17、ix-turn-helix）鋅指（zinc finger）亮氨酸拉鏈（leucine zipper）,39,α螺旋－轉角－α螺旋,40,鋅指結構,41,亮氨酸拉鏈,42,1.3.3 轉錄后調(diào)控,在真核生物中，蛋白質基因的轉錄產(chǎn)物必須經(jīng)過加工才能成為成熟的mRNA分子。加工過程包括三個方面：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結合，可以阻止蛋白質的翻譯；如鐵蛋白mRNA的翻譯取決于鐵的供應。成熟的mRNA可以失活狀態(tài)貯存起來；如種子萌發(fā)時，用儲存的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，蛋白質的合成立即開始。,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,直接來自核糖體的線狀多肽鏈是沒有功能的，必須經(jīng)過加工才具有活性。蛋白質的切割蛋白質的化學修飾,47,真核生物與原核生物正負調(diào)

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

20、則基因,體節(jié)極化基因,,同源異型基因,母體效應基因：,51,同源異型基因突變體,52,2.2 細胞的全能性,1958年斯蒂伍德用野生胡蘿卜根的韌皮部細胞進行離體培養(yǎng)，成功地長出了幼株。,53,在組織培養(yǎng)中，通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中的激素種類和濃度，可使細胞脫分化和再分化。,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）是第一個使用成熟細胞克隆的哺乳動物，1996年誕生于英國愛丁堡附近的羅斯林研究所

21、。因患晚期肺病和關節(jié)炎，在年僅6歲時就被處以安樂死。,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克隆動物是否會早衰的擔憂。正值壯年的多莉患有肺部感染和關節(jié)炎，而這是一種老年綿羊的常見疾病。,克隆動物的年齡到底是從0歲開始計算，還是從被克隆動物的年齡開始累積計算，還是從兩者之間的某個年齡開始計算？這是一個很難回答的問題。,59,多莉羊重生！英科學家宣稱4年前又克隆出4只,60,歐洲盤羊——奧姆布雷塔,2

22、000年，一只叫做奧姆布雷塔的歐洲盤羊被成功克隆，科學家這樣做是為了營救目前世界上數(shù)目稀少的歐洲盤羊，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，美國愛達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法生育的動物。,63,克隆牛——諾托和卡加,1998年日本

23、成功克隆了兩頭母?！爸Z托”和“卡加”，隨后克隆了數(shù)千頭母牛，這項技術為其他克隆技術生產(chǎn)出更好的肉質和牛奶做出巨大貢獻。,64,美國的實驗室克隆了出了5頭雌性豬，其中最大的一頭叫做米莉。這些克隆豬能生長出適合人類的器官和細胞組織。,克隆豬——米莉,65,克隆魚——鯽魚,1963年，一條亞洲鯉魚被成功克?。皇曛?，我國科學家童第周又克隆了一條歐洲鯉魚。,66,克隆雪貂——利比和利麗,2004年，美國依阿華大學首次成功克隆出雪貂利比和利麗，

24、這對于研究呼吸管疾病非常有用，同時雪貂也是瀕危滅絕的物種。,67,克隆狼,2005年，首爾國立大學成功地克隆了兩只灰狼，這是保護環(huán)境和野生動物的一種有效措施。,68,克隆狗——史努比,2005年，韓國科學家挑戰(zhàn)了一項克隆技術，最終他們利用干細胞移植手術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，從此開辟了寵物克隆市場，并最終形成了克隆寵物的國際性行業(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15次克隆才最終成功。大老鼠的克隆技術較難實現(xiàn)，并且大老鼠的克隆對于人類醫(yī)學研究意義重大。,71,克隆猴——特拉,2000年，實驗室首次成功克隆了一只叫做“特拉”的獼猴，后來科學家們陸續(xù)克隆了多只猴子，可用于研究人員測試糖尿病等病癥。,72,克隆人？？？,73,克隆人的社會倫理問題,美國科幻小說家D.Rorvick寫的《The cloning of man》

26、 一位富有的商人希望自己能永遠活在世上，于是就將自己的體細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)過懷孕最后生下一個健康的男嬰。這位男嬰就是這位富商的CLONE。,74,克隆人的出現(xiàn)會搞亂人際關系?？寺∪顺鰜硪院?，他跟這個基因提供者之間不知道是什么關系。父子也不像，母子，母女，都說不太清楚； 克隆技術會導致基因多樣性的喪失。有性繁殖不斷導致新的基因的出現(xiàn)，單性復制會導致基因多樣性的

27、喪失，危害整個物種的安全；,懷疑會不會有戰(zhàn)爭狂人復制很多希特勒，給世界造成新的災難。,人們對克隆人技術的一些擔憂,75,當你發(fā)現(xiàn)世界上有一個與你完全一樣的人存在，你會怎想？,76,當你突然發(fā)現(xiàn)自己才是克隆人，活著就是為了給“主人”提供器官，你又會怎么想？,77,基因工程技術給人類提供了無限的改變自身基因的能力，是否會產(chǎn)生超乎常人的突變?nèi)?？引起嚴重的社會后果?78,是否絕對禁止克隆人研究？,美國、英國：允許以治療研究為目的的人體胚胎克隆

28、實驗；日本：禁止克隆人，禁止一切將人與動物細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、歐盟：實施胚胎保護法，嚴格禁止克隆人及人體胚胎的研究；歐盟：議會投票否決人體克隆的一切研究。 中國：反對克隆人，不贊成、不允許、不支持、不接受任何克隆人實驗，但主張對治療性和生殖性克隆加以區(qū)別。,79,人類胚胎克隆具有重要的醫(yī)學研究價值,利用人體細胞克隆人類早期胚胎，然后從中提取未完全發(fā)育的干細胞，能培育出各種人體組織，如骨髓、