原核细胞基因表达调控机制-文档资料
原核生物中的基因表达调控机制研究
原核生物中的基因表达调控机制研究原核生物是一类简单的微生物，其基因组通常比真核生物要小很多。
然而，尽管其基因组规模远远小于真核生物，原核生物也拥有多种复杂而精密的基因表达调控机制来满足其生存需要。
基因表达调控机制是指在细胞内对DNA的转录和翻译过程进行调节以产生所需要的蛋白质的过程。
在原核生物中，这些机制通常包括三个主要组成部分：传感器、转录因子和mRNA降解。
传感器细菌细胞的传感器是一类直接感知化学和物理变化的蛋白质。
这些蛋白质用于检测环境中的外部刺激，并转化成细胞内部的信号，从而控制细胞中各种基因的表达。
例如，细菌常见的一种细胞外信号分子是叫做靶向短肽的核苷酸（Quorum sensing），这种信号分子可以诱导细菌在其群落中一起合作，发生种种复杂的行为，并在人类的疾病中扮演重要角色。
转录因子转录因子主要控制DNA的转录。
这些蛋白质最早是作为一类拟合法因子，即可以结合在DNA上而不影响其双链结构的物质而被发现的。
现在，我们知道转录因子可以主导转录过程，根据它们的不同类型，可以启动（激活基因）、抑制（抑制基因）基因转录和发生微调等。
细菌细胞往往通过转录因子对基因转录进行快速、有选择性的调节，以应对不同的环境刺激。
例如，环境中特定的营养成分缺乏时，细菌会使用转录因子来控制PMF或pH梯度、调节某些基因或启动新的代谢通路。
mRNA降解mRNA降解是另外一个调控基因表达的机制。
在原核生物中，mRNA降解是通过一个复杂的蛋白质网络对它进行分解的。
这种分解方式保证了细菌细胞可以在短时间内适应新的环境，以更好地执行工作任务。
例如，在感染宿主的过程中，一些细菌会分泌出一种通过mRNA降解来进行快速调节的蛋白质。
综上所述，原核生物中的基因表达调控机制是十分复杂而又精密的，它们与细菌细胞的应答和适应机制密不可分。
这些机制的绝大多数已经通过大量的研究得到了认识，并且得到了高度的精确度和准确度的分析。
尽管如此，道路依然漫长，原核生物中的基因表达调控机制仍有很多方面需要进一步探索，为我们更深入地了解这些古老而神秘的生命之源提供了良好的平台。
原核基因表达调控资料讲解62页PPT
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原核生物基因表达调控
第六章基因的调控1：原核生物基因表达调控第一节概述机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。
转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。
通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。
RNA的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。
此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA分子的组成和功能。
在真核细胞中，还可对RNA从核到胞浆中的转运进行调控。
但是在细菌中，mRNA只要一合成，就可用于翻译。
翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。
DNA转录的起始和RNA翻译的起始路线也很相似。
在原核生物和真核生物最常见的调控是转录过程的调控。
因此本章先讨论转录调控，然后，再介绍翻译水平的调控。
为了便于理解，在介绍具体的调控过程之前，先介绍一些基本概念。
1．顺式作用组件和反式作用因子基因活性的调控主要通过反式作用因子(通常是蛋白质)与顺式作用组件(通常在DNA上)相互作用而实现。
基因是编码可扩散产物的DNA序列，基因所编码的产物可以是蛋白质(大多数基因都编码蛋白质)，也可以是RNA(tRNA和rRNA)。
其最重要的特点是基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所。
游离基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用trans-acting)。
因此反式作用因子(trans-actingfactor)的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。
顺式作用(cis-acting)的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA 序列的作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA。
有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA，而是RNA。
因此，顺式作用组件(cis-actingelement)是指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，多位于基因旁侧或内含子中。
基因的表达与调控上原核生物的基因调控
核心启动子包含转录因子结合位点，是转录因子结合和转录起始的主要区域。
增强子
增强子是启动子附近的DNA序列，能够与调控蛋白相互作用，显著影响基因表达的水平。
原核生物中的调控网络
在原核生物中，基因调控形成复杂的网络，不同的转录因子相互作用，通过正向和负向调控形成调节回路，确 保基因表达的准确调节。
1
转录因子交互作用
转录因子与其他转录因子相互作用，构
正向和负向调控环路
2
建复杂的调控网络。
正向和负向调控环路通过转录因子之间
的相互作用，在基因表达调控中起到重
要作用。
3
调控网络的稳定性
调控网络的稳定性可确保基因表达对环 境和发育的适应性。
未来研究方向和挑战
虽然我们已经取得了对原核生物基因调控机制的许多了解，但仍面临着许多 挑战。未来的研究应重点关注调控网络的复杂性、新型调控因子பைடு நூலகம்发现以及 调控机制的进一步解析。
基因的表达与调控上原核 生物的基因调控
本演示将介绍基因表达与调控的概念，原核生物基因调控的基本机制，正向 调控和负向调控，启动子的结构和功能，转录因子及其作用，原核生物中的 调控网络，以及未来研究方向和挑战。
基因调控的基本机制
在原核生物中，基因调控通过转录因子与启动子相互作用，调整基因的转录水平。转录因子与DNA结合后激活 或抑制转录过程。
转录因子的作用
转录因子能够识别与结合启动子上的特定序列，直 接影响基因的表达。
正向调控和负向调控
转录因子的激活和抑制作用分别对应基因的正向调 控和负向调控。
启动子的结构和功能
启动子是基因调控的关键元件，通常包括核心启动子和增强子。核心启动子位于转录起始点附近，而增强子则 能够进一步调控基因的表达。
原核生物的基因表达与调控
非编码RN的作用
参与基因表达调 控：非编码RN 可以调控基因的 表达影响蛋白质 的合成
参与转录后调控： 非编码RN可以 参与转录后的调 控影响mRN的 稳定性和翻译效 率
参与翻译调控： 非编码RN可以 参与翻译调控影 响蛋白质的合成 和翻译后修饰
参与表观遗传调 控：非编码RN 可以参与表观遗 传调控影响基因 的表达和功能
别
翻译起始调控： 包括正调控和 负调控影响翻
译效率
正调控：包括 启动子、增强 子等促进翻译
起始
负调控：包括 沉默子、终止 子等抑制翻译
起始
翻译延伸的调控
核糖体：蛋白质合成的场 所
起始密码子：蛋白质合成 的起始点
终止密码子：蛋白质合成 的终止点
延伸因子：参与蛋白质合 成的延伸过程
释放因子：参与蛋白质合 成的释放过程
时序调控机制的研究进展
发现基因表达调控的时序性
研究基因表达调控的调控网络
研究基因表达调控的机制 发现基因表达调控的调控因子
研究基因表达调控的调控机制在原核生物 中的作用
研究基因表达调控的调控机制在原核生物 中的调控机制
07
原核生物基因表达调控的应用前景
基因工程与合成生物学中的应用
基因工程：通过基因重组 技术将外源基因导入原核 生物实现基因表达调控
合成生物学：通过设计、 构建和优化基因回路实现 原核生物的基因表达调控
生物制药：利用原核生物 基因表达调控技术生产药 物、疫苗等
生物能源：利用原核生物 基因表达调控技术生产生 物燃料如乙醇、生物柴油 等
环境保护：利用原核生物 基因表达调控技术降解污 染物实现环境修复
农业：利用原核生物基因 表达调控技术改良作物品 种提高作物抗病、抗虫、 抗逆能力
06---原核生物基因表达调控
• 不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。
– 原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起 着举足轻重的影响。
– 在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和 发育阶段是基因表达调控的最主要手段，营养和 环境因素的影响力下降。
2020/5/1
原核生物的基因表达调控
2020/5/1
乳糖操纵子模型
1. 酶的诱导——lac体系受调控的证据
• 用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基 中 加 入 乳 糖 1 ～ 2 分 钟 后 ， 编 码 β- 半 乳 糖 苷 酶 和 透 过 酶 的 lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。
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乳糖操纵子模型
2.2. 大肠杆菌对乳糖的反应 • 在以甘油为碳源的培养基中 • 加乳糖以前，lac操纵子本底水平表
达 • 加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大
量表达 • 乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大于异
构乳糖，阻遏状态重新形成， mRNA水平下降。 • β-半乳糖苷酶半衰期长，其活性下 降滞后。
• 两个矛盾：
– 诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需 要转运酶，转运酶的合成有需要诱导。
– 人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正诱导物是异构乳糖 ，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。
• 解释：在没有诱导物的情况下，转运酶和β-半乳糖苷 酶仍有本地水平的表达。阻遏物的结合并非绝对紧密 ，偶尔会掉下，使得转录可以进行。表达量足以使诱 导过程得以启动。
2020/5/1
原核生物的基因表达调控
4. 降解物对基因活性的调节 • 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳
原核生物的基因调控机制
原核生物的基因调控机制原核生物是指没有核膜分隔细胞质和核的生物，包括细菌和蓝藻等单细胞有核生物。
相对于真核生物而言，原核生物在基因调控机制上显得比较简单，但是其基因调控机制的研究对于我们理解生命的本质和人工合成生命具有重要意义。
1. 基本特征原核生物的基因组通常比真核生物小得多，只有数千到数百万个碱基对，但是它们在适应各种环境和生存的压力方面却表现出很高的灵活性和多样性。
而基因表达的调控就对这种适应力至关重要。
基因调控有两方面的意义：在不同的环境中合理表达适当的基因，以达到适应环境的目的，而另一方面，也保证了细胞内部各个代谢通路之间的协同作用。
2. 基质和细胞质中的基因调控首先，我们需要明确一点，原核生物没有真正意义上的细胞器（除了细菌的核壳和蓝藻的一些细胞膜片）。
所有的物质在细胞质中自由扩散，包括DNA，这给基因调控带来了额外的因素。
通过对E. coli基因调控的大量实验研究，人们发现，在基质和细胞质中对细胞材料的获取和代谢是通过基因调控进行控制的。
这些代谢通路可以直接影响特定基因的表达，从而刺激或阻止细胞完成特定任务。
3. 负反馈回路的基因调控许多细菌通过一种被称为“负反馈回路”的机制来根据需要调节基因表达。
这个机制基于蛋白质-DNA相互作用，并通过控制特定基因的转录和翻译进行管理。
在负反馈回路中，启动子与特定的蛋白质结合，阻止转录机器进行工作，从而阻止与之对应的基因的表达。
然而，随着时间的推移，该蛋白质被人体分解或降解，基因被再次激活，产生更多的蛋白质。
该蛋白质的过剩则会在细胞中累积，随着时间的推移，其甚至可能会影响到自己的合成。
4. 其他机制除负反馈回路外，其他基因调控机制也在原核生物中起着非常重要的作用，如阳性反馈、形态诱导、环境感应等。
通过这些机制，原核生物可以对环境的变化做出更快速、更灵敏的响应，以适应不同的压力。
5. 总结尽管相对于其他生物而言，原核生物的基因调控机制表现出一定的简单性，但其对环境变化的快速感应和适应能力远不逊于其他生物。
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1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
原核基因表达调控资料讲解
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。