第7章-原核细胞基因工程说课讲解
工学]第七章 原核生物基因表达的调控
![工学]第七章 原核生物基因表达的调控](https://img.taocdn.com/s3/m/5ca07dec541810a6f524ccbff121dd36a32dc4e5.png)
3、阻遏物lac I基因产物及功能
Lac 操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成 型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。 当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可 能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操 纵子在这些突变体中就不可诱导。
第五十页，共113页。
分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；
培养基：加入乳糖
少量乳糖
透过酶
进入细胞 β-半乳糖苷酶
异构乳糖
诱导物 诱导lac mRNA的生物合成
大量乳糖进入细胞
多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）
异构乳糖
第四十七页，共113页。
CH2OH
HO
O
H
O
OH H
H
HH
H
OH
H OH
OH H H
H
＋ H2O
O OH
CH2OH
乳糖
CH 2OH
HO
O
H
OH H
H
H OH
H HO
OH H H
OH H
H
O OH
O CH2
异构乳糖
CH2OH
H
O OH
HLeabharlann OH H＋HO
H
H
OH
葡萄糖
CH2OH
HO
O OH
H
OH H
H
H
H OH
半乳糖
图 16- 乳糖分解的不同产物
第四十八页，共113页。
诱导物的加入和 去除对lac mRNA 的影响
第三十五页，共113页。
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。
《现代分子生物学》第七章原核生物基因表达调控
阻抑蛋白的作用机制
1. 阻抑蛋白及其靶DNA序列的对称性 阻抑蛋白识别位点的共有特点就是具有对
称性。靠近对称轴的一对反向重复序列在 阻抑蛋白结合过程中起主要作用。阻抑蛋 白的结构也具有对称性。
阻遏蛋白的结构：
N端1～59aa－头部片段：为HTH，与操纵 基因DNA的大沟结合；
核心区：有6个折叠，诱导物就结合在两 个核心区之间的裂缝中；
lacI编码可扩散的产物，理论上它不必位于 结构基因附近。将lacI基因转移到其他任何 地方都能很好地发挥作用，因此lacI的表达 产物属于反式作用因子。
lacI基因的表达产物称为乳糖操纵子阻抑蛋 白（lac repressor）。它的功能是阻止结构 基因的表达。因此，乳糖操纵子的调控属 于负调控。
原核生物操纵子中的全部结构基因从同一个 启动子开始转录成单个mRNA分子。
一、诱导作用和阻抑作用
细菌应答某种特定物质出现而合成特定酶 的过程，称为诱导作用（induction）。大肠 杆菌乳糖操纵子是这种机制最好的范例。
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诱 导物（inducer）。
诱导作用和阻抑作用都能对细菌的代谢能力 进行调控。前者调节细菌使用某种物质的能 力，后者调节合成特定代谢中间产物的能力。 每种调节的诱发剂都是小分子物质，或为酶 的底物，或为酶所催化合成的产物。
高中生物 第七章原核基因表达的调控
课次：16教学目的：使学生了解基因表达调控是生命必需、色氨酸操纵子调控机制，掌握基因表达调控的几个基本概念、乳糖操纵子的负性调控机理。
重点：顺式作用元件和反式作用因子，乳糖操纵子阻抑蛋白的负性调控难点：乳糖操纵子阻抑蛋白的负性调控复习旧课：提问1人，了解教学效果。
导入新课：第七章原核基因表达的调控一、基因表达调控是生命的必需基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。
对基因表达过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。
基因表达调控主要表现在以下几个方面：基因表达调控包括：①转录水平上的调控；②转录后水平上的调控：a.mRNA加工成熟水平上的调控；b.翻译水平上的调控。
第一节概述乳糖操纵子(lac operon)的结构发现：1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长；基本概念1 结构基因和调控基因结构基因（structural gene）：编码蛋白质或RNA的任何基因。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
调控基因（regulator gene）：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
其编码产物与DNA上的特定位点结合调控基因表达。
2 操纵基因操纵基因（operator gene）：调控蛋白特异性结合的一段DNA序列；⏹调控蛋白结合在操纵基因的序列上，会影响其下游基因转录的强弱：⌦负性调控：减弱或阻止其调控基因转录，相应的调控蛋白称为阻抑蛋白；⌦正性调控：增强或起动其调控基因转录，相应的调控蛋白称为激活蛋白。
3 启动子和终止子⏹启动子(promoter, P) ：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。
⏹终止子(terminator, T) ：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。
分子生物学 ch7原核生物基因表达调控
调节蛋白
由调节基因lacI编码，单顺反子，有自身弱启 动子，能独立地组成型表达 阻遏蛋白一个结合位点是诱导物结合位点， 可被小分子诱导物结合，改变其构型，从而 影响与操纵基因结合的活性 阻遏蛋白一个结合位点是操纵基因结合位点， 分 调节蛋白以四聚体形式与操纵基因Olac结合， 子 阻遏结构基因的表达 生
物 学
CAP（降解物活化蛋白）或CRP（环腺苷酸受体 蛋白）是分子量为22.5kd的二聚体，CRP单体具有 DNA结合区和转录激活区，二聚体被单个cAMP活化， cAMP－CAP复合物与启动子结合，促进基因表达
葡萄糖分解代谢降低cAMP水平，使得其他分解代
谢受阻
CAP
RNA聚合酶结合
-35 cAMP
——阻遏蛋白(repressor)的结合操纵序列 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍
RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶
不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
pol 启动序列 操纵序列 编码序列 阻遏蛋白
激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的
DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增
无效应物（辅阻遏物）——基因表达
操纵子分类
四类： 可诱导的正调控型：（ara O）： 可阻遏的正调控型 可诱导的负调控型（lac O)、 可阻遏的负调控型（trp O）
有 效 应 物 ＊ 基 因 表 达 无 效 应 物 ＊ 基 因 表 达
调节蛋白结合－阻遏基因表达 （阻遏蛋白）
负调控
调节蛋白结合－基因表达 （激活蛋白）
酶和转乙酰酶，结构基因由位于上游的一个lac启动子（lacP）起始
转录；lac操纵基因（lacO）位于lacP启和lacZ之间，并且和lacP有 部分重叠，其上可结合位于上游具有独立转录单位的lac调节基因
第七章 基因的表达与调控(上)
——原核基因表达调控模式1．本章教学目的要求：介绍原核调控的特点及多种原核调控的系统。
2．教学内容及要求：要求掌握乳糖操纵子与负控诱导系统和色氨酸操纵子与负控阻遏系统；理解转录后调控；了解其他调控。
3．重点、难点：乳糖操纵子与负控诱导系统和色氨酸操纵子与负控阻遏系统。
4．教学方法教学手段说明：课件讲授。
5.授课学时：6学时1.基因表达的概念及意义基因表达 (gene expression) 是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定的物质如蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。
注意：由rRNA 和 tRNA 编码基因转录生成 RNA 的过程也属于基因表达，也就是说并非所有基因的表达过程都会产生蛋白质。
其生物学意义：适应环境、维持生长和增殖；维持个体发育与分化。
2. 基因表达的时间特异性和空间特异性(1) 基因表达的时间特异性 (temporal specificity) 是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。
(2) 基因表达的空间特异性 (spatial specificity) 是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。
3.基因表达的方式。
(1) 组成性基因表达 (constitutive gene expression) 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。
其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，一般只受启动序列或启动子与RNA 聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节。
这类基因通常被称为管家基因 (housekeeping gene) 。
(2) 诱导和阻遏表达：区别于组成型基因表达，诱导和阻遏表达极易受环境变化影响。
诱导 (induction) 表达是指在特定环境因素剌激下，基因被激活，从而使基因的表达卢物增加。
第7章+原核生物基因表达的调控
3.2.1 Trp操纵子的阻遏系统
操纵基因试验鉴定
足迹法鉴定蛋白质在DNA上的结合部位
操纵基因的结构特征：长21bp，与启动子-10区和编码
链部分重叠，含反向重复序列。
操纵位点的回文序列
阻遏蛋白与操纵基因的结合方式：每个单体靠次 级键与操纵基因的一半相结合。λ 阻遏蛋白为二聚 体。
DNA结合蛋白与DNA之间的相互作用
4 其它操纵子
4.1 组氨酸等的操纵子
His操纵子可单独依靠弱化子的结构实现其 控制作用。只有一种负控制作用（即弱化作用）。
4.2 大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)
gal operon包括3个结构基因: galE编码: 异构酶(UDP-galactose-4-epimerase) galT编码: 半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶
特点: (1)trpR和trpABCDE不连锁；(2) 有衰减子(attenuator)/ 弱化子;(3) 启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列 (Leader)所隔开
trp操纵子结构
返回
Leader Sequence of the trp Operon
3.2 调控机制
阻遏作用：当Trp充分时，阻遏蛋白与Trp结合 而被活化，阻止转录。
奢侈基因（luxury gene），指编码组织特异性蛋白的
基因(tissue-specific gene) ，对细胞分化有重要影响， 如角蛋白基因、肌动蛋白基因和血红蛋白基因等。
第七章原核生物基因表达的调控
四、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） • 维持个体发育与分化（真核）
第十一页，编辑于星期四：二点 三十分。
第二节 原核基因调控机制
一、原核基因表达调控环节 1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
第七页，编辑于星期四：二点 三十分。
三、基因表达的规律 ——时间性和空间性
1、时间特异性（temporal specificity） 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(stage specificity)。
辅阻遏物
辅阻遏物 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种 物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。
第二十二页，编辑于星期四：二点 三十分。
3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白
（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。
根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏： n 在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结
2、降解物对基因活性的调节
3、弱化子对基因活性的影响
4、细菌的应急反应
第二十九页，编辑于星期四：二点 三十分。
第三节 乳糖操纵子(lac operon)
一、乳糖操纵子的结构
第三十页，编辑于星期四：二点 三十分。
• Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳 糖
• Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷 （如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入 细胞内。
解释：
本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac