分子生物学 山西师范分子生物学131第七章原核基因表达调控1概念和分类.docx

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分子生物学山西师范分子生物学131第七章原核基因表达调控1概念和分类

教学单元教案格式

第7章原核基因表达调控模式课程教案

授课题目：

第07章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式

教学时数：

2

授课类型：

理论课□实践课

教学目的、要求：

基因表达调控的基本概念（理解）

原核基因调控机制（掌握）

乳糖操纵子（重点掌握）

色氨酸操纵子（掌握）

其他操纵子（了解）

转录后水平上的调控（了解）

教学重点：

重点阐明：

乳糖操纵子的结构、机制、功能、意义

重点指出：

色氨酸操纵子的结构、机制、功能、意义

教学难点：

绝对难点：

乳糖操纵子的机制

相对难点：

无

教学方法和手段：

老师讲授为主：

讲授视频演示PPT演示讨论。

以电脑幻灯片边演示边讲述为主，（白板课件）辅以板书（黑板板书）

学生回答问题为辅：

（如时间等条件许可的情况下）

注：

以下内容按实际需要进行取舍

要求有多媒体，因为信息量大，许多结构图需要媒体放映，效果才好

教学内容与教学设计：

教学设计

先通过介绍与基因表达调控相关的一系列概念或者已有的观点，然后介绍与调控直接相关的两大类元件：

顺式和反式元件，指明基因表达调控是一个非常复杂的过程，控制转录的开始是最为经济有效的。

然后指明本节课的重点是要搞清楚原核基因表达调控的正负控制，并了解正控制、负控制、阻遏、诱导之间的关系，最后通过两个典型的例子即：

乳糖操纵子和色氨酸操纵子来阐明原核生物的经济调控模式。

教学导入

大肠杆菌的图片、基因组大小、基因的数量

明确指出本节课的重点问题：

基因表达调控的基本概念（理解）

原核基因调控机制（掌握）

乳糖操纵子（重点掌握）

色氨酸操纵子（掌握）

其他操纵子（了解）

转录后水平上的调控（了解）

7.0基因表达调控相关的概念或观点

每个物种都有一套完整的遗传信息。

遗传信息存在于DNA分子中，每个细胞都有相同的DNA，也就是说，每个细胞中都带有完整的遗传信息。

    但是，就高等生物而言，各个细胞、各个部位、各个不同的生长发育时期，并不是所有的遗传都全部表达的。

    高等生物是多细胞的复杂有机体，从一个受精卵开始，在个体发育的过程中逐步分化产生各种类型的细胞和组织。

这种分化就是不同基因表达的结果。

    在正常情况下，一个个体的各类细胞都是按照一定的规律和一定的时空顺序，关闭一些基因，开启另一些基因，并不断地进行严格的调控，以保证个体的发育得以顺利进行。

    为什么一个基因只在它应该发挥作用的部位和时间，才呈现活化状态而表达，在不该发挥作用的部位和时间则处于不活化的关闭状态呢？

必然有一整套的调控系统在起作用。

    基因作用的调控机理相当复杂，至今仍知之不多。

但这个领域是当前研究的热点，随着功能基因组学的飞速发展，研究的进展相当地快。

目前，研究成果多集中在原核生物，对高等生物基因表达的调控机制的研究也已日益增多。

•人类基因组DNA中约含3.5万个基因，但在某一特定时期，只有少数的基因处于转录激活状态，其余大多数基因则处于静息状态。

一般来说，在大部分情况下，处于转录激活状态的基因仅占5%。

•通过基因表达以合成特异性蛋白质，从而赋予细胞以特定的生理功能或形态，以适应内外环境的改变。

7.0.1基因表达调控的概念

•基因表达（geneexpression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。

简言之，是从DNA到蛋白质或者功能RNA的过程。

•基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物或者只通过转录而产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程。

7.0.2基因表达的一般过程包括：

基因结构的活化

→转录起始

→转录过程

→前提加工

→胞浆转运

→mRNA翻译

→蛋白质加工

→蛋白质定位、作用

7.1.3基因调控（generegulation）就是各种因素调节基因表达的过程。

•调控的手段：

原核的调控主要在营养状况和环境因素；

真核生物则是激素水平和发育阶段。

•调控的因素（因子）：

蛋白质（主要）

小分子RNA（某些环节）

7.0.4基因表达的方式

组成性表达（constitutiveexpression）

适应性表达（adaptiveexpression）

1、组成性表达：

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。

组成性基因表达（constitutivegeneexpression）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。

特点：

其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。

平时是开启的。

这类基因通常被称为管家基因（housekeepinggene）

2、适应性表达：

诱导和阻遏

指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。

•应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导（induction），这类基因被称为可诱导的基因（induciblegene）；

•相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏（repression），相应的基因被称为可阻遏的基因（repressiblegene）。

7.0.5基因表达的规律——时间性和空间性

1、时间特异性（temporalspecificity）

按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。

多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性（stagespecificity）。

例：

β-珠蛋白基因簇的顺序表达

2、空间特异性（spatialspecificity）

在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。

基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性（cellortissuespecificity）。

7.0.6基因表达调控的生物学意义

•适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）

原核的调控主要在营养状况和环境因素；

•维持个体发育与分化（真核）

真核生物则是激素水平和发育阶段。

7.1基因表达调控的基本原理

7.1.1基因表达的多级调控（多层次性）：

基因组水平、转录水平（基因激活及转录起始）、转录后水平、翻译水平、翻译后水平

7.1.2基因调控的复杂性

7.1.3基因转录激活调节“三要素”

1、特异DNA序列

原核生物的操纵子

真核生物的顺式作用元件

2、调节蛋白

是调节基因转录的蛋白因子，如原核生物的阻遏蛋白和CAP蛋白（降解物基因活化蛋白）、

真核生物的基本转录因子和特异转录因子等即反式作用因子。

3、RNA聚合酶

7.1.3.1真核和原核细胞中的顺式作用原件

操纵子：

特指原核生物基因中由操纵子、调节基因、启动子以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因转录受操纵子等的控制。

操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子

真核生物的顺式作用元件：

是指可影响自身基因表达活性的特异DNA序列。

通常是非编码序列。

包括启动子、增强子及沉默子等。

顺式作用元件（cis-actingelement）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。

是对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因，同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或者内含子中。

顺式作用

起调控作用的DNA序列是在原位置对同处一个DNA分子的靶基因发挥其DNA序列的作用，不转变为任何其他形式，比如RNA、蛋白质

反式作用因子：

反式作用因子（trans-actingfactor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。

是指调节一个基因表达的另一个基因的表达产物（蛋白质或者RNA）。

反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。

原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。

反式作用：

顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：

：

一个基因的产物控制另一个基因的表达的过程，称为反式作用，这种作用要通过基因产物从其合成的场所扩散到其发挥作用的另一个场所的，因此反式作用因子的编码基因与其识别或者结合的靶DNA序列一般不再同一个DNA分子上。

基因的组织结构及顺式作用元件

7.2结构基因和调节基因

结构基因一般是指编码RNA或者蛋白质的任何基因，其产物一般指各种功能蛋白质，如组成细胞和组织的基本成分的结构蛋白、具有催化活性的各种酶和调节蛋白。

调节基因一般特指参与其他基因表达调控RNA或者蛋白质的基因，其产物一般是通过与靶DNA序列上的特定位点结合来其作用的

一个典型的原核生物基因的结构

7.3原核基因表达的一些基本概念

诱导作用（induction）：

细菌应答某种特定物质的出现而合成特定酶的过程，称为。

诱导物（inducer）：

如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶将其自身分解，这种小分子物质就叫做

阻遏作用（repression）：

细菌快速应答环境营养成分的变化的能力不仅表现在分解新底物方面，而且也用来关闭突然在培养基中的化合物的内源性合成，这种效应就是所谓的阻遏作用（repression）。

辅阻遏物（corepressor）：

如果某种小分子物质能够阻止细菌产生合成其自身的酶，这种小分子物质叫做辅阻遏物（corepressor）

7.4原核基因调控分类：

基因控制的作用方式

•负控制：

负调控，关闭基因表达的

•正控制：

正调控，激活基因表达的

7.4.1、负调控negativeregulation

•在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控制系统就叫做负控系统。

•调节蛋白质叫做阻遏蛋白,分为两类：

有活性的、没有活性的

•两种类型：

负控诱导和负控阻遏

7.4.2、正调控positiveregulation

•在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。

•其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白），

同样分为两类：

没有活性的、有活性的

•两种类型:

正控诱导和正控阻遏

问题：

可诱导的调节：

上升?

下降？

可阻遏的调节：

下降？

上升？

正调控：

开放！

上升！

•负调控：

关闭！

下降！

7.4.3原核基因调控的主要特点

1、可诱导调节

●一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化.

●调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节

2、可阻遏调节

●一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来开启的状态转变为关闭状态，基因的表达被阻遏.

●调节合成代谢的操纵子

7.5原核基因调控机制----乳糖操纵子模型

•操纵子：

在原核生物中，很多功能上相关的基因前后相连成串，由一个共同的控制区进行转录的控制，包括结构基因和控制区以及调节基因的整个核苷酸序列叫做操纵子。

•控制区：

包括操作子和启动子。

•结构基因：

产生mRNA并作为模板合成蛋白质

•调节基因：

产生一种阻遏蛋白与操纵位点相互作用，这个操纵位点一般总是与它所控制的结构基因相毗邻。

•二者的作用：

阻遏蛋白与操纵位点结合从而阻碍了结构基因的转录，在诱导过程中，诱导物通过与阻遏蛋白相结合而阻止阻遏蛋白与操纵位点的结合。

诱导的发现----------阻遏的发现------------诱导的问题------------三个酶的功能

一旦培养基中加入乳糖时，细胞中就会快速地、大量地合成β－半乳糖苷酶

乳糖不仅诱导β-半乳糖苷酶的产生，而且同时还诱导了另外两种酶的大量产生

•这三种酶实际上同属于一个代谢过程，它们的功能是相关的，而在原核生物当中，功能相关的基因往往排列在一起，共同受同一个启动子的控制，一起转录，一起翻译。

•β－半乳糖苷酶负责分解乳糖，

•β－半乳糖苷透性酶负责把乳糖转移进细胞内，

•β－半乳糖苷乙酰基转移酶负责把乙酰基转移到β－半乳糖苷上，

7.5.1乳糖操纵子的结构

•在培养基中没有乳糖的时候，调节基因lacI表达的产物是一种阻遏蛋白单体，这种单体可以组装成四聚体结合在操作子上，而操作子又距离启动子比较近，四聚体结合上去后，占据了一定的核苷酸序列，以至于占据了RNA聚合酶在启动子上的应该占据的一定位置，这样就阻止了RNA聚合酶与启动子的结合。

后面的基因当然不能转录。

基因表达受到阻遏。

这就是调节蛋白对这三个基因的控制，这种控制是什么控制呢？

当然是一种负控制，但是？

•这种负控制是以被诱导。

调节基因的产物阻遏蛋白分子上除了有一个与DNA也就是操作子结合的位点之外还有另外一个位点即：

乳糖结合位点。

当培养基中有乳糖时，乳糖就可以进入到细胞中并且与阻遏蛋白发生结合，从而使得阻遏蛋白四聚体发生一定的构象变化，变化的结果就是脱离了操作子，这样就解除了操纵子的阻遏状态，使得操纵子得以开放，于是基因就表达。

换句话说就是原先被阻遏的操纵子被诱导开放了。

一些矛盾------------第二个问题---------第三个问题--------第四个问题

•乳糖并不能直接与阻遏蛋白结合，而是乳糖首先转变为别乳糖，别乳糖与阻遏蛋白结合。

•当乳糖被消耗完了以后，阻遏蛋白就可以重新结合于操作子，lac操纵元的结构基因又回到了关闭状态

阻遏物LacI基因本身是一种由弱启动子控制的组成型表达，细胞中总是存在一定量的阻遏蛋白

•葡萄糖的存在对乳糖操纵子的影响

•首先要清楚一点就是：

乳糖操纵子本身表达的基因就是为了降解细胞中的乳糖，使之成为葡萄糖和半乳糖的，这样有利于大肠杆菌直接利用。

•如果细胞中有葡萄糖，就没有必要分解乳糖。

当二者共同存在时，细胞总是对乳糖视而不见，乳糖操纵子不表达。

这就是葡萄糖对它的影响。

这种影响称为代谢物阻遏效应。

7.5.2乳糖操纵子的精细结构---与CAP位点的正调控

CAP激活转录包含两种方式（效果）：

•第一种方式是直接作用于RNA聚合酶。

CAP直接作用于RNA聚合酶的α亚基，而且CAP必须与RNA聚合酶在同一个面上才有活性。

•另一种是作用于DNA,改变其结构，以协助RNA聚合酶的结合。

在CAP-DNA复合物中，DNA呈弯曲状态，弯曲点位于二重对称的中心。

CAP结合以后，DNA双螺旋结构有很大的变化。

cAMP是一种全局性的调节信号

•CRP（cyclicAMPreceptorprotein）是一种全局性的调节子，可以激活乳糖操纵子、半乳糖操纵子和麦芽糖操纵子的表达。

当CRP与cAMP结合后，cAMP-CRP形成二聚体，结合至启动子的上游识别位点，协作RNA聚合酶与启动子结合

整个lacoperon是一种协调调节

当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用

如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。

cAMP-CAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。

单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。

葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolicrepression）。

作业布置：

1．多数氨基酸都有两个以上密码子，下列哪组氨基酸只有一个密码子？

A．苏氨酸、甘氨酸

B．脯氨酸、精氨酸

C．丝氨酸、亮氨酸

●D．色氨酸、甲硫氨酸

E．天冬氨酸和天冬酰胺

2．tRNA分子上结合氨基酸的序列是

A．CAA-3′

●B．CCA-3′

C．AAC-3′

D．ACA-3′

E．AAC-3′

3．遗传密码

A．20种氨基酸共有64个密码子

●B．碱基缺失、插入可致框移突变

●C．AUG是起始密码

D．UUU是终止密码

●E．一个氨基酸可有多达6个密码子

A、mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子不一定严格配对

B、转肽酶

C、酯键

D、磷酸化酶

E、N-C糖甘键

4、是翻译延长所必需的B

5、氨基酸与tRNA连接D

6、遗传密码的摆动性A

练习之填空题

1．蛋白质的生物合成是以______作为模板，______作为运输氨基酸的工具，_____作为合成的场所。

2．细胞内多肽链合成的方向是从_____端到______端，而阅读mRNA的方向是从____端到____端。

3．核糖体上能够结合tRNA的部位有_____部位，______部位。

4．蛋白质的生物合成通常以_______作为起始密码子，有时也以_____作为起始密码子，以______，______，和______作为终止密码子。

5．SD序列是指原核细胞mRNA的5ˊ端富含_____碱基的序列，它可以和16SrRNA的3ˊ端的_____序列互补配对，而帮助起始密码子的识别。

6．原核生物蛋白质合成的起始因子（IF）有_____种，延伸因子（EF）有_____种，终止释放（RF）有_____种；而真核生物细胞质蛋白质合成的延伸因子通常有_____种，真菌有_____种，终止释放因子有_____种。

7．原核生物蛋白质合成中第一个被掺入的氨基酸是_____。

8．无细胞翻译系统翻译出来的多肽链通常比在完整的细胞中翻译的产物要长，这是因为_____。

9．已发现体内大多数蛋白质正确的构象的形成需要_____的帮助。

10．分子伴侣通常具_____酶的活性。

11．蛋白质内含子通常具有_____酶的活性。

12．某一tRNA的反密码子是GGC，它可识别的密码子为_____和_____。

13．环状RNA不能有效地作为真核生物翻译系统的模板是因为_____。

14．在真核细胞中，mRNA是由_____经_____合成的，它携带着_____。

它是由_____降解成的，大多数真核细胞的mRNA只编码_____。

15．生物界总共有_____个密码子。

其中_____个为氨基酸编码；起始密码子为_____；终止密码子为_____，_____，_____。

16．氨酰-tRNA合成酶对_____和_____均有专一性，它至少有两个识别位点。

17．原核细胞内起始氨酰-tRNA为_____；真核细胞内起始氨酰-tRNA为_____。

18．原核生物核糖体50S亚基含有蛋白质合成的_____部位和_____部位，而mRNA结合部位_____。

19．许多生物核糖体连接于一个mRNA形成的复合物称为_____。

20．肽基转移酶在蛋白质生物合成中的作用是催化_____和_____。

21．核糖体___亚基上的___协助识别起始密码子。

22．延长因子G又称___，它的功能是___，但需要___。

23．ORF是指___，已发现最小的ORF只编码___个氨基酸。

24．基因表达包括_____和_____。

25．遗传密码的特点有方向性、连续性_____和_____。

26．氨酰-tRNA合成酶利用_____供能，在氨基酸_____基上进行活化，形成氨基酸AMP中间复合物。

27．原核生物肽链合成启始复合体由mRNA_____和_____组成。

28．真核生物肽链合成启始复合体由mRNA_____和_____组成。

29．肽链延伸包括进位_____和_____三个步骤周而复始的进行。

30．原核生物肽链合成后的加工主要包括_____和_____。

可以参考的答案

1．mRNA；tRNA；核糖体

2．N端→C端；5ˊ端→3ˊ端

3．P位点；A位点。

4．AUG；GUG；UAA；UAG；UGA

5．嘌呤；嘧啶

6．3；3；3；2；3；1

7．甲酰甲硫氨酸

8．没有经历后加工，如剪切

9．分子伴侣

10．ATPase

11．核酸内切酶

12．GCU；GCC

13．缺乏帽子结构，无法识别起始密码子

14．DNA；转录；DNA的遗传信息；hnRNA；一条多肽链

15．64；61；AUG；UAA；UAG；UGA

16．氨基酸；tRNA

17．fMet-tRNA；Met-tRNA

18．氨酰基；肽酰基；大小亚基的接触面上

19．多核糖体

20．肽键的形成；肽链从tRNA上分离出来。

21．小亚基；16SRNA

22．移位酶；催化核糖体沿mRNA移动；GTP135

23．开放的阅读框架；7

24．转录；翻译

25．简并性；通用性

26．ATP；羧

27．70S核蛋白体；.fMet-tRNAfMet

28．80S核蛋白体；Met-tRNAiMet

29．转肽、移位

30．剪裁；天然构象的形成

课后小结：

该内容的教学设计上，本教案采用了强化知识点之间的联系，多种媒体结合，难点问题采用不同形式多次分解的方式，提高学生的认识，采用了联系、引导、提问、尤其是问题引导式教学和俗语话类比的教学方式，非常有助于学生理解和记忆，能够达到充分发挥学生求知主动性的目的和教学效果。

总的来说以上所设计的解决重点、难点的方法，贯彻了新教改的教学思想，多年来采用这种方法都收到良好的教学效果，实现了教学计划的教学目标。

设计的理念：

问题引导式教学与俗语化分解相结合

给出已经有的观点

阐明概念

简单的是什么

信号？

人类珠蛋白基因家族分为α和β两个基因簇。

位于第16号染色体短臂上的α-珠蛋白基因簇以5′-ζ-ψζ-ψα-α_2-α_1-θ-3′顺序排列，其中ζ为胚胎型功能基因，α为胎儿型和成年型功能基因。

全长约40kb；位于第11号染色体短臂上的β-珠蛋白基因簇以5′-ε-Gγ-Aγ-ψβ-δ-β-3′顺序排列，其中ε为胚胎型功能基因，Gγ和Aγ为胎儿型功能基因，δ与β是成年型功能基因。

总长度约75kb；这两个基因簇的全部DNA序列均已测定。

珠蛋白基因在个体发生中表现为依次表达，并具有高度的组织特异性和发育阶段特异性

解释：

在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵子和调节基因组成。

在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。

强调：

大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。

这种结合通常是非共价键结合

大肠杆菌乳糖操纵子是这种机制最好的范例。

大肠杆菌色氨酸操纵子即是阻抑作用的例子

设置问题

没有必然的关系

Jacob和Monod利用大肠杆菌的F因子的性导试验和互补遗传实验进行了大量的分析终于于1961年发现了大肠杆菌的乳糖操纵子。

设问：

那么，这个操纵子是怎样控制这三个基因的表达的呢？

图操纵子原本是关闭的，细胞中没有透性酶，乳糖是怎么进来的？

CAP存在原因:

lacP是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖