4.2基因表达与性状的关系课件-2024-2025学年高一下学期生物人教版必修2

§4-2 基因表达与性状的关系 基因的表达 SHENGWU SHENGWU 2019人教版高中生物必修二课件 学习目标 通过资料分析，建立基因控制性状的两种模型。 01 通过分析材料，认同细胞分化的实质是基因的选择性表达，理解细胞调控基因表达的机制。 02 结合基因、性状与环境三者关系，理解表观遗传现象并学以致用。 03 同一株水毛茛，裸露在空气中的叶和浸在水中的叶，表现出了两种不同的形态。 基因与性状不一定是一一对应的关系 水毛茛 新课引入 复制 蛋白质 转录 翻译 基因（DNA） 复制 RNA 逆转录 中心法则图解 生物的性状 蛋白质如何体现生物性状 环境条件如何影响生物性状 新课引入 基因表达产物与性状的关系①实例1：豌豆的圆粒与皱粒 ①性状对比 ②基因对比： （淀粉在细胞中具有保留水分的作用） 圆粒：饱满，能有效保留水分 皱粒：皱缩，失水 圆粒：含有编码淀粉分支酶的基因 皱粒：插入了一段外来DNA序列， 打乱了编码淀粉分支酶的基因。 实例1：豌豆的圆粒与皱粒 基因表达产物与性状的关系①实例1：豌豆的圆粒与皱粒 编码淀粉分支酶的基因被插入的DNA序列打乱 皱粒豌豆的形成机制 淀粉分支酶异常，活性大大降低 淀粉合成受阻，含量降低 淀粉含量低的豌豆由于失水而皱缩 基因 酶的合成 代谢过程 生物性状 控制 圆粒豌豆 皱粒豌豆 控制 控制 基因控制性状表达的方式 ？ 白化病的病因 编码酪氨酸酶的基因 酪氨酸酶 酪氨酸 黑色素 催化 控制合成 （异常） （缺少） × （不能合成） 白化病患者 × 基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制生物性状。 基因表达产物与性状的关系①实例2：白化病 基因表达产物与性状的关系①实例3：囊性纤维化 编码CFTR蛋白(一种转运蛋白)的基因缺失3个碱基 囊性纤维化病 CFTR蛋白在第508位缺少丙氨酸，空间结构改变 CFTR转运氯离子的功能异常 基因 蛋白质的结构 生物性状 控制 囊性纤维化病 支气管中黏液增多，管腔受阻，细菌在肺部大量生长繁殖，最终使肺部功能受损。 直接控制 基因控制性状表达的方式 症状 病因 70% 结果 基因表达产物与性状的关系①实例4：镰状细胞贫血 红细胞易破裂,患溶血性贫血 控制血红蛋白形成的 基因中一个碱基对变化 血红蛋白的结构发生变化 红细胞呈镰刀状， 基因 蛋白 质结构 性状 血红蛋白的结构正常 红细胞呈圆饼状 控制血红蛋白形成的基因碱基对正常 红细胞正常 基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状 转录 作为酶来控制代谢过程 翻译 蛋白质 基因 RNA 性状 蛋白质直接参与生命活动 间接控制：基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状； 直接控制：基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状； 小结：基因表达产物与性状的关系 基因对性状的间接控制和直接控制大多数是通过蛋白质来起作用的。 间接 直接 1.如图所示为人体内基因对性状的控制过程，下列叙述正确的是( ) A.①②或⑤⑥都表示基因的表达过程，但发生在不同细胞中 B.基因1和基因2的遗传一定遵循基因的自由组合定律 C.生物体中一个基因只能决定一种性状 D.⑤→⑥→⑦过程说明基因可通过控制酶的合成，直接控制生物体的性状 √ 基因选择性表达与细胞分化①分析不同类型细胞中DNA和mRNA的检测结果 检测的3种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白mMRA 珠蛋白mRNA 胰岛素mRNA 输卵管细胞 + + + + - - 红细胞 + + + - + - 胰岛细胞 + + + - - + 这3种细胞合成的蛋白质种类有什么差别？ 说明：“+”表示 检测发现相应的分子，“-”表示检测未发现相应的分子。 　　科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞（有细胞核）和胰岛细胞，对这3种细胞中的DNA和mRNA进行了检测，结果如下表所示。 输卵管细胞只能合成卵清蛋白，红细胞只能合成珠蛋白，胰岛细胞只能合成胰岛素 讨论 检测的3种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白基因表达 珠蛋白基因表达 胰岛素基因表达 输卵管细胞 + + + + - - 红细胞 + + + - + - 胰岛细胞 + + + - - + 3种细胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因和胰岛素基因，但只检测到其中一种基因的mRNA，这一事实说明了什么？ 说明：“+”表示 检测发现相应的分子，“-”表示检测未发现相应的分子。 　　科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞（有细胞核）和胰岛细胞，对这3种细胞中的DNA和mRNA进行了检测，结果如下表所示。 细胞中并不是所有的基因都表达，基因的表达存在选择性。 讨论 基因选择性表达与细胞分化①分析不同类型细胞中DNA和mRNA的检测结果 奢侈基因 只在某些细胞中特异性表达的基因。 比如：卵清蛋白基因、胰岛素基因。 管家基因 所有细胞中都表达的基因，指导合成的蛋白质是维持细胞基本生命活动所必须的。 比如：核糖体蛋白基因，ATP合成酶基因。 在不同类型的细胞中,表达的基因可以分为两类 基因选择性表达与细胞分化 奢侈基因的表达是细胞分化的标志 （2）只在某类细胞中特异性表达的基因有 ________________ 。 （1）在所有细胞中都能表达的基因有 __________________。 表达基因的分类: ①核糖体蛋白基因 ②ATP合成酶基因 ③血红蛋白基因 ④卵清蛋白基因 ⑤呼吸酶基因 ⑥胰岛素基因 ③④⑥⑦⑧⑨ ⑧唾液淀粉酶基因 ⑨肌动蛋白基因 ⑦抗体基因 ①②⑤ 基因选择性表达与细胞分化 2.下列哪项能说明某细胞已经发生了分化( ) A.进行ATP的合成 B.进行呼吸酶的合成 C.合成血红蛋白 D.存在血红蛋白基因 √ 在个体发育过程中，不同种类细胞中遗传信息的表达情况不同。 细胞分化的“不变”与“变” 不 变 变 DNA、tRNA、rRNA、细胞的数目 mRNA、蛋白质的种类、细胞的形态、结构和功能 细胞分化的实质就是：基因的选择性表达 基因选择性表达与细胞分化 形态、结构、功能不同 种类相同 表达的类型 选择性表达的基因（奢侈基因） 所有细胞都表达的基因（管家基因） 核糖体蛋白基因ATP合成酶基因 卵清蛋白基因 胰岛素基因 该类基因指导合成的蛋白质是维持细胞基本生命活动所必需 同一个体的不同细胞 细胞分化 基因 导致 举例 举例 意义 基因的选择性表达 基础 与基因表达的调控有关 原因 生物体多种性状的形成 本质 基因表达水平的高低 基因什么时候表达 基因在哪种细胞表达 细胞分化的本质就是基因的选择性表达。 基因什么时候表达、在什么条件下表达、在哪些细胞中表达以及表达水平的高低，都与基因表达的调控有关。 小结：基因选择性表达与细胞分化 Lcyc基因 正常 植株A 开花时表达 Lcyc基因 高度 甲基化 植株B 开花时不表达 × （杂交） F1 （自交） F2 绝大部分植株的花与植株A相似 少部分植株的花与植株B相似 表观遗传——资料1 柳穿鱼花的形态结构 Lcyc基因的表达（转录和翻译） 植株A 植株B 直接 相关 基因 不 相 同 同 开花时 表达 不表达 （甲基化） 问题1: 如何解释甲基化现象？ DNA甲基化抑制了基因的表达！ 表观遗传——资料1 G C 3’ 5’ G C 3’ 5’ G C 3’ 5’ G C 3’ 5’ CH3 CH3 未甲基化修饰 甲基化修饰 Lcyc基因 Lcyc基因 Lcyc基因 Lcyc基因 问题2: 两种基因的碱基序列有没有改变？ 没有 问题3: DNA甲基化可以遗传吗？ 可以，柳穿鱼花的实验可以证明 表观遗传——资料1 植株A 植株B 大部分 少部分 ×  1. F1的花色为什么与植株A的相似？ 讨论 2. 在F2中，为什么有些植株的花与植株B的相似？ F1同时含有来自植株A和B的Lcyc基因。植株A的Lcvc基因能够表达，表现为显性；植株B的Lcyc基因由于部分碱基被甲基化，基因表达受到抑制，表现为隐性。因此，同时含有这两个基因的F1的花与植株A的相似。 F1自交后，F2中有少部分植株含有两个来自植株B的Lcyc基因，由于该基因的部分碱基被甲基化，基因表达受到抑制，因此，这部分植株的花与植株B的相似。 P F1 F2 表观遗传——资料1 某种实验小鼠的毛色受一对等位基因Avy和a控制，Avy为显性基因，表现黄色体毛，a为隐性基因，表现黑色体毛。 × P F1 AvyAvy （黄色） aa （黑色） Avya （?色） 表现不同毛色，介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型 Avy基因 调控 黄色 颜色越深 甲基化 程度越高 抑制 抑制越明显 未甲基化 CH3 Avy基因 甲基化 表观遗传——资料2 1. 上述资料中，柳穿鱼花和小鼠性状改变的原因是什么？ 2. 上述两个例子展示的遗传现象有什么共同点？这对你认识基因和性状的关系有什么启示？ 柳穿鱼花的形态改变是因为Lcyc基因的部分碱基被高度甲基化，小鼠毛色的改变是因为Avy基因的前端有一段影响Avy基因表达的特殊的碱基序列被甲基化。发生在基因或基因前端的甲基化修饰均导致相关基因的表达受到抑制，进而影响性状。 都表现为基因的碱基序列不变，但部分碱基发生了甲基化修饰，抑制了基因的表达，进而对性状产生影响。这种DNA甲基化修饰可以遗传给后代，使后代出现同样的性状。 讨论 表观遗传——资料2 (1)概念： 生物体基因的碱基序列 ，但 和 发生 的现象； 保持不变 基因表达 表型 可遗传变化 (2)特点: ①DNA不变； ②可遗传； (3)调控机制: ①DNA甲基化修饰； (主要抑制转录) ②染色体组蛋白甲基化、乙酰化等； ③非编码RNA干扰（例如miRNA）； (主要抑制翻译) ③可逆性； ④普遍性 (4)发生时期: 普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中 表观遗传 组蛋白被修饰后，染色质形态发生变化，有利于基因表达(组蛋白乙酰化促进表达)或不利于基因表达(组蛋白甲基化抑制表达)。 (5)表观遗传实例 基因甲基化决定了蜜蜂发育成工蜂还是蜂王，二者在DNA序列方面是完全一致的，为什么发育结果不同呢？ 蜂王 工蜂 表观遗传实例3：蜂王与工蜂发育 从外在看因为蜂王幼虫吃的是蜂王浆，住的是大蜂巢， 从内在看，蜂王浆、大蜂巢等减少了基因甲基化，使幼虫得以发育成蜂王，而工蜂幼虫的甲基化太高只能发育成工蜂，体型、生殖能力都有差别。 基因组成相同的同卵双胞胎所具有的微小差异就与表观遗传有关。 表观遗传实例4：同卵双胞胎 什么因素影响DNA的甲基化? 吸烟会使人体细胞内DNA的甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响，还有研究发现，吸烟可使男性精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明显升高。 环境 DNA甲基化 诱发 表观遗传与社会的联系 基因通过其表达产物——蛋白质来控制性状。细胞内的基因表达与否以及表达水平的高低都是受到调控的。 细胞分化的实质是基因选择性表达的结果，表观遗传能够使生物体在基因的碱基序列不变的情况下，发生可遗传的性状改变。 有些性状是由单个基因控制的。 有些性状是由多个基因控制的。 人的身高是由多个基因决定的，其中每个基因对身高都有一定的作用。 3.有的一个基因可决定或影响多种性状。 我国科学家研究发现水稻中的Ghd7基因编码的蛋白质不仅参与了开花的调控，而且对水稻的生长、发育和产量都有重要作用。 4.性状是基因与环境共同作用的结果。 后天的营养和体育锻炼等对人的身高也有重要作用； 水毛茛两种类型叶的形成也与环境因素相关。 基因与性状的关系 基因与性状不一定是一一对应的关系 ③ ② ① 残翅果蝇 翅长接近正常的果蝇 残翅果蝇幼虫 31℃培养 残翅果蝇在25℃培养下，产生的后代仍然是长翅。 请针对高温培养残翅果蝇幼虫得到翅长接近正常果蝇成虫的原因提出假说，进行解释。 提示：翅的发育是否经过酶催化的反应？酶与基因的关系是怎样的？酶与温度的关系是怎样？ 基因与性状的关系（思维训练） 果蝇翅的发育需要经过酶催化的反应，而酶是在基因控制下合成的，酶的活性受温度、pH等条件的影响。 后代 25℃ 生物体性状 精确调控 基因 基因 表达产物 环境 错综复杂的网络 基因与基因、基因与基因表达产物、基因与环境之间存在着复杂的相互作用，这种相互作用形成了一个错综复杂的网络，精细地调控着生物体的的性状。 基因与性状的关系 小结 $