基因表达和调控-现代生物学导论

10基因表达和调控10.1基因突变10.2原核生物基因的表达与调控10.3真核生物基因的表达与调控10.4基因与人类疾病10.5HIV的结构与分子遗传机制细胞中核酸序列的改变通过基因表达有可能导致生物遗传特征的变化。这种核酸序列的变化称为基因突变(mutation)。10.1基因突变基因突变可以是DNA序列中单个核苷酸或碱基发生改变，也可以是一段核酸序列的改变。DNA序列中涉及单个核苷酸或碱基的变化称为点突变。在一个基因内发生的点突变通常有两种情况：一是一种碱基或核苷酸被另一种碱基或核苷酸所替换；二是一个碱基的插入和缺失一种碱基被另一种替换点突变——替换同义突变错义突变点突变——替换错义突变的例子——镰状细胞贫血症编码血红蛋白b肽链上一个决定谷氨酸的密码子GAA变成了GUA，使得b肽链上的谷氨酸变成了缬氨酸，引起了血红蛋白的结构和功能发生了根本的改变点突变——插入或缺失会造成翻译过程中其下游的三联密码子都被错读，产生完全错误的肽链或肽链合成提前终止。基因突变的原因多种多样：DNA复制错误造成碱基的替换、插入或缺失等自发突变外界因素如某些化学物质［诱变剂］、紫外线、电离辐射等也可能诱导基因突变的发生DNA损伤或突变的修复机制基因突变改变了蛋白质（酶）的结构与功能，可能使生物体的形态、结构、代谢过程和生理功能等特征发生改变，严重的突变则影响生物体的生活力或导致生物个体的死亡。DNA转录和RNA翻译，即遗传信息从基因流向RNA又流向蛋白质的过程总称为基因表达基因表达可以在不同的水平上进行调控，如控制基因的开启、关闭和活性的大小，影响和控制转录和翻译等都属于基因表达的调控在高度复杂的生物细胞及其多种多样的代谢过程中，基因的表达是高度有序的。10.2原核生物基因的表达和调控乳糖操纵子学说乳糖进入肠道后，大肠杆菌会立刻制造出一些特殊的酶，其中最主要的为b-半乳糖苷酶，来吸收和利用作为细胞能源的乳糖。法国科学家Monod和Jacob发现，大肠杆菌在不含乳糖的葡萄糖培养基中不会分泌b-半乳糖苷酶；相反，含有乳糖时，会合成b-半乳糖苷酶，使乳糖水解。经过一系列的实验后，他们又发现，大肠杆菌在没有乳糖的环境中不产生编码b-半乳糖苷酶的mRNA。1961年，他们提出了一种模型即乳糖操纵子学说。乳糖操纵子学说结构基因：编码b-半乳糖苷酶（Z）、透性酶（Y）和硫半乳糖苷乙酰转移酶（A）的基因。操纵子：包括启动子、操纵基因和结构基因调节基因、阻遏蛋白乳糖+阻遏蛋白，改变阻遏蛋白的形状原核生物——操纵子，真核生物——？10.3真核生物基因的表达和调控真核生物基因表达与调控的复杂性：（1）真核生物具有由核膜包被的细胞核，其基因的转录发生在细胞核中，而翻译则发生在细胞质中（2）真核生物基因数目比原核生物多，大多数基因除了有不起表达作用的内含子，另外还有更多调节基因表达的非编码序列，真核生物所转录的前体mRNA必须经过加工成熟后才进入表达阶段。真核生物基因表达与调控的复杂性真核生物基因表达与调控的复杂性：(3)真核生物染色质由DNA与5种组蛋白结合组成，它们折叠和缠绕形成核小体，核小体及染色质进一步折叠缠绕形成超级结构状态的细胞分裂中期染色体。染色质的结构对基因的表达起总体控制作用。（4）化学信号包括某些激素的诱导控制作用。（5）基因组内DNA的化学修饰（6）发育过程中高度分化的机制真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上10.4基因与人类疾病精妙的基因表达和调控机制，保证了细胞中DNA的复制、转录、翻译和各种代谢反应的高效和有序性，从而保证了生命的健康。由于环境因素，或遗传因素，或环境与遗传因素的相互作用等，都可能导致基因突变的发生，也可能导致基因表达调控的失常。其结果便造成了某些与基因相关的人类疾病的发生。从分子水平来解释某些与基因表达相关的人类重大疾病为基因诊断和治疗提供了依据。癌症癌是细胞生长与分裂失控引起的疾病，其根源是体细胞中调节细胞生长与分裂的基因异常表达。控制细胞生长与分裂的基因发生突变可以是随机自发的突变，更多的是一些环境因子作用的结果。例如，某些致癌因子、化学诱变剂、X射线、放射性辐射、病毒感染等都可能引起基因发生突变，使细胞生长与分裂失控，从而引发癌症。逆转录病毒癌基因病毒的多种复制方式病毒学家Temin：逆转录RNADNAVarmus和Bishop：RSV中的src基因第一个癌基因1987年诺贝尔奖癌基因起源于原癌基因原癌基因是一些与调节和控制细胞生长、分裂和细胞周期相关的基因。原癌基因的结构变化或者失控就会演变成癌基因。4种类型的突变癌的发生是一个多次突变积累的复杂过程细胞凋亡发生异常10.5HIV的结构与分子遗传机制艾滋病的英文缩写AIDS的全称为获得性免疫缺陷综合症（acquiredimmunedeficiencysyndrome）。引起艾滋病的元凶是一种人类免疫缺陷病毒HIV的结构HIV的分子遗传过程HIV基因组（RNA）进入T淋巴细胞，在逆转录酶的作用下，以HIV的RNA为模板，产生了与RNA互补的DNA链。前病毒DNA转录生成新的RNA片段，同时合成衣壳蛋白等，在宿主细胞中，新合成的RNA、逆转录酶及蛋白质等又装配生成更多的病毒颗粒，它们以出芽的方式从宿主细胞中释放出来，又去攻击其他的T淋巴细胞。细胞中核酸序列的改变称为基因突变，它有可能导致生物遗传特征的变化。DNA序列中涉及单个核苷酸或碱基的变化称为点突变，点突变包括碱基或核苷酸的替换和插入或缺失。乳糖操纵子学说解释了大肠杆菌细胞中编码b-半乳糖苷酶基因表达的调控原理。绝大多数真核生物细胞不存在类似于原核生物的操纵子。真核生物细胞基因的表达调控要比原核生物复杂得多，且可以发生在不同的水平上。癌是细胞生长与分裂失控引起的疾病，其根源是体细胞中调节细胞生长与分裂的基因异常表达。引起艾滋病的元凶是一种人类免疫缺陷病毒HIV，HIV基因组（RNA）进入T淋巴细胞，逆转录产生与RNA互补的DNA链。前病毒DNA转录生成新的RNA片段，同时合成衣壳蛋白等，在宿主细胞中装配生成更多的病毒颗粒，以出芽的方式从宿主细胞中释放出来，又去攻击其他的T淋巴细胞。本章摘要