《基因表达的调控》 学历案

《基因表达的调控》学历案
一、学习目标
1、理解基因表达调控的概念和意义。

2、掌握原核生物基因表达调控的主要方式，如乳糖操纵子模型。

3、了解真核生物基因表达调控的特点和机制，包括染色质结构、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平的调控。

4、能够分析基因表达调控在生物发育、细胞分化和环境适应中的作用。

二、学习重难点
1、重点
（1）原核生物乳糖操纵子的结构和调控机制。

（2）真核生物基因表达在转录水平和染色质结构方面的调控。

2、难点
（1）真核生物基因表达调控的复杂性和多层次性。

（2）基因表达调控与生物发育、细胞分化和环境适应的关系。

三、知识链接
1、基因的结构和功能
（1）基因是具有遗传效应的 DNA 片段，包含编码区和非编码区。

（2）基因通过转录和翻译过程合成蛋白质，从而发挥生物学功能。

2、中心法则
（1）遗传信息从 DNA 传递到 RNA，再从 RNA 传递到蛋白质的过程。

（2）包括 DNA 复制、转录、翻译等环节。

四、学习过程
（一）导入
我们知道，生物体的各种生命活动都是由基因控制的。

然而，在同
一生物体内，不同的细胞含有相同的基因组，但却具有不同的形态和
功能。

例如，心肌细胞和神经细胞都来自同一个受精卵，但它们的形态、结构和功能却截然不同。

这是为什么呢？原来，基因的表达并不
是一成不变的，而是受到严格的调控。

那么，基因表达是如何被调控
的呢？这就是我们今天要学习的内容——基因表达的调控。

（二）原核生物基因表达调控
1、操纵子模型
（1）乳糖操纵子的结构
乳糖操纵子由调节基因 I、启动子 P、操纵序列 O 和三个结构基因Z、Y、A 组成。

结构基因 Z、Y、A 分别编码β半乳糖苷酶、通透酶和乙酰基转移酶。

（2）乳糖操纵子的调控机制
①负调控
当培养基中没有乳糖时，调节基因 I 表达产生的阻遏蛋白与操纵序列 O 结合，阻止 RNA 聚合酶与启动子 P 结合，从而抑制结构基因的转录。

当培养基中有乳糖时，乳糖经通透酶催化转变为别乳糖，别乳糖与阻遏蛋白结合，使其构象发生改变，从操纵序列 O 上解离下来，RNA 聚合酶得以与启动子 P 结合，启动结构基因的转录。

②正调控
当培养基中葡萄糖浓度低而乳糖浓度高时，cAMP 浓度升高，与cAMP 结合蛋白（CRP）结合形成复合物，该复合物与启动子 P 上游的CAP 位点结合，增强 RNA 聚合酶与启动子的结合能力，促进结构基因的转录。

2、其他原核生物基因表达调控方式
（1）转录衰减
在色氨酸操纵子中，通过前导序列中形成不同的二级结构来调控转录的进行。

（2）σ因子的调控
不同的σ因子可以识别不同的启动子序列，从而调控不同基因的转录。

（三）真核生物基因表达调控
1、染色质结构与基因表达调控
（1）染色质的疏松与紧密状态
染色质处于疏松状态时，基因容易转录；染色质处于紧密状态时，基因难以转录。

（2）组蛋白修饰
组蛋白的乙酰化、甲基化等修饰可以改变染色质的结构，从而影响基因的表达。

（3）DNA 甲基化
DNA 甲基化通常抑制基因的表达。

2、转录水平的调控
（1）顺式作用元件
包括启动子、增强子、沉默子等，它们与转录因子相互作用，调控基因的转录。

（2）反式作用因子
如转录因子，能够结合顺式作用元件，激活或抑制基因的转录。

3、转录后水平的调控
（1）mRNA 前体的加工
包括 5'端加帽、3'端加尾、剪接等过程，对 mRNA 的稳定性和翻译
效率产生影响。

（2）RNA 编辑
通过改变 mRNA 的碱基序列，产生不同的蛋白质产物。

4、翻译水平的调控
（1）mRNA 的稳定性
某些mRNA 寿命较长，能够持续翻译；而有些mRNA 很快被降解，翻译终止。

（2）翻译起始的调控
通过调节起始因子的活性、核糖体与 mRNA 的结合等方式控制翻
译的起始。

5、翻译后水平的调控
（1）蛋白质的修饰
如磷酸化、甲基化、乙酰化等，影响蛋白质的活性和功能。

（2）蛋白质的降解
通过蛋白酶体等途径降解不需要的蛋白质。

（四）基因表达调控与生物发育、细胞分化和环境适应
1、生物发育
在生物体的发育过程中，基因按照特定的时空顺序表达，决定了细胞的分化和器官的形成。

2、细胞分化
不同类型的细胞通过基因表达的差异实现分化，形成具有特定功能的细胞。

3、环境适应
当生物所处的环境发生变化时，基因表达会发生相应的改变，使生物体能够适应环境的变化。

（五）总结
基因表达的调控是一个十分复杂和精细的过程，涉及到原核生物和真核生物多个层面的调控机制。

原核生物通过操纵子等方式快速适应环境变化，真核生物则通过染色质结构、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平等多层次的调控实现基因表达的精确调控，以满足生物发育、细胞分化和环境适应的需求。

（六）练习与巩固
1、简述原核生物乳糖操纵子的负调控机制。

2、举例说明真核生物在转录水平的基因表达调控方式。

3、分析基因表达调控在生物适应环境中的作用。

五、学习评价
1、能够准确描述原核生物和真核生物基因表达调控的主要方式和机制。

2、能够解释基因表达调控在生物发育、细胞分化和环境适应中的意义。

3、能够运用所学知识分析具体的基因表达调控案例。

六、拓展阅读
1、《分子生物学》相关章节，深入了解基因表达调控的细节。

2、相关的科研论文，了解基因表达调控领域的最新研究进展。