02第2章-原核基因表达及其调控
基因的结构与表达调控
基因结构及其表达的调控第一部分知识拓展一、基因的结构基因是有遗传效应的DNA分子片段；基因的遗传效应是指复制、转录、翻译、调控、突变、重组等功能。
（一）原核细胞的基因结构分为编码区、非编码区。
非编码区由编码区上游和编码区下游的DNA序列组成。
非编码区虽然不能编码蛋白质，但起着调控遗传信息表达的作用。
例如位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。
（二）真核基因是不连续基因1、实例：鸡卵清蛋白mRNA与DNA杂交实验鸡卵清蛋白基因的大小和结构如下：（1）A、B、C、D、E、F、G的序列不能转录，约占75.2%(5641bp)（2）L、1、2、3、4、5、6、7的序列能够转录，约占24.8%(1859bp)2、真核基因的结构（1）基因由编码区和非编码区两部分组成（2）基因编码区结构及转录（以不同动物的β-珠蛋白基因为例）二、基因表达的调控（一）原核基因表达的调控1、大肠杆菌在乳糖存在的环境下，乳糖对其代谢基因表达起到诱导作用2、乳糖操纵元的组成3(真核生物基因表达调控的过程与原核生物有许多共同之处。
例如：在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样存在着许多不同的调控序列。
真核生物通过特异性蛋白与某些调控序列的结合与否，来调控基因的转录。
但是，真核生物基因表达调控比原核生物复杂得多，有许多方面是原核生物所没有的表现在：1、DNA含量高和基因数目多，且与其他物质组成核小体2、转录和翻译在空间与时间上分开，转录在细胞核中进行，翻译在细胞质中进行。
3、前体RNA需要剪接才能成为有功能的成熟的信使RNA。
4、多细胞生物在个体发育过程中要发生细胞分化，分化是不同基因表达的结果。
不同组织细胞的基因活化或受阻的时空序列不同，发育阶段、激素水平是基因表达调控的主要因素，营养和环境因素则为次要影响因素。
第二部分例题讲解例1、人胰岛细胞能产生胰岛素，但不能产生血红蛋白，据此推测胰岛细胞中A、只有胰岛素基因B、比人受精卵的基因要少C、既有胰岛素基因，也有血红蛋白基因和其他基因D、有胰岛素基因和其他基因，但没有血红蛋白基因[答案]C。
原核、真核生物基因及表达调控
原核、真核生物基因及表达调控引言现代生物学中“基因”一词甚为流行，细胞学、遗传学、生物化学等，以及各种生物学课本中，都涉及到“基因”一词。
甚至象典型的宏观生物学科——生态学，也把一片森林称为一个“基因库”[1]。
现代生物学已经完全证明，DNA 分子是由称为核普酸的有机分子线性聚合而成。
基因就是核普酸按一定顺序排列而成的DNA分子片段，它携带着遗传信息。
基因表达(gene expression)是指细胞在生命过程中，把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子。
其实质就是遗传信息的转录和翻译。
在个体生长发育过程中，生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）[2]。
原核生物和真核生物的基因及表达过程有着差异。
随着世界分子生物学研究不断深入，基因表达技术有了很大的提高。
迄今为止，人们已经研究开发出多种原核和真核表达系统用以生产重组蛋白[3]。
一．原核、真核生物基因结构原核生物基因分为编码区与非编码区，所谓的编码区就是能转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成，非编码区位于编码区的上游及下游。
[4]在调控遗传信息表达的核苷酸序列中最重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。
RNA聚合酶是催化DNA转录为RNA，能识别调控序列中的结合位点，并与其结合。
真核生物基因结构见图1：图1 真核生物基因结构二．原核、真核生物基因结构的区别最主要的在于真核基因是不连续的,而原核基因是连续的。
所谓真核基因的不连续，即一个基因的编码序列也叫外显子，被一个或多个非编码序列，又叫内含子所间隔。
[5]这些内含子和外显子同属一个转录单位，转录形成前体。
经过转录的加工，即切去内含子，重新连按外显子，从而得到成熟。
而绝大多数的原核基因是连续的，没有内含子的间隔，转录产生成熟。
不仅如此，而且凡在代谢途径上功能有关的多个基因可能紧密相联，与它们的调控基因一起组成一个操纵子，转录到一条链。
《原核生物基因表达调控》练习题及答案
《原核生物基因表达调控》练习题及答案一、名词解释1.基因表达调控答案：所有生物的信息，都是以基因的形式储存在细胞内的DNA（或RNA）分子中，随着个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子，执行各种生理生物化学功能。
这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达，对这个过程的调节称之为基因表达调控。
2.组成性基因表达答案：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须的或必不可少的，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，也称为基本的基因表达。
3.管家基因答案：某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。
这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达，被称为管家基因。
4.诱导表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
5.阻遏表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
6.反式作用因子答案：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。
它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录。
7.操纵子答案：是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。
8.SD序列答案：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。
根据首次识别其功能意义的科学家命名。
9.阻遏蛋白答案：是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质，在一定条件下与DNA结合，一般具有诱导和阻遏两种类型。
在诱导类型中，信号分子（诱导物）使阻遏蛋白从DNA释放下来；在阻遏类型中，信号分子使阻遏蛋白结合DNA，不管是哪一种情况，只要阻遏蛋白与DNA结合，基因的转录均将被抑制。
原核生物的转录及调控
• 利链菌素（ streptolydigin）：与细菌 RNA pol β亚基结合，抑制转录的延伸。
• 肝素：与细菌RNA pol β’亚基结合，阻 碍其与模板DNA的结合。
第三节 原核生物转录的过程
• RNA的转录包括promotion，elongation，termination 三过程；
TATAAT（pribnow Box）
Initiation site ： +1 site。 RNA transcriptional startpoint （I site） A/G
-35 (R)
-10 (B)
+1 (I) RNA
l Sextama Box与Pribnow Box间距17bp，有利于RNA
2
40000*2
β rpoB
1
155000
β ’ rpoC
1
σ rpoD
1
160000 85000
部位 核心酶 σ因子
可能功能
多样 结合核苷酸 结合模板 起始识别因子
RNA polymerase in prok.
βα σ
α β’
Core Enzyme for elongation 依靠静电作用力 非专一性与非特异DNA 结合 半衰期；60’
βα
σ
α β’ cover 60bp
Holo Enzyme for initiation 依靠空间结构 专一性与 特异DNA结合
半衰期；数小时
Cartoon illustrating separation of the subunits of E. coli RNA polymerase by SDS-PAGE
原核基因表达及其调控概要
质粒pKN402的复制起始位点是耐温型的，在42C时仍然 有很强的复制起始的功能。
电泳后回收片段c
电泳后回收片段1和3 连接
温度对3种表达载体质粒拷贝数的影响
由于pKN402和pCP3的复制子在42C时仍然具有很强的起 始复制能力，因此当培养温度升高到42C时，细胞中的 pKN402和pCP3的拷贝数要比pPLc2833高5～10倍。
Ptac 启动子：
是来自于lac和trp的一组杂合启动子，但是比lac和trp都强 得多，是一组强启动子。包括：
（1） PtacI：PlacUV5的-10区 ＋ Ptrp的-35区； （2） PtacII：Ptrp的-35区（一段合成的包括Pribnow框在
内的46bp的DNA） ＋ Plac的操纵基因； （3） Ptac12：Plac的-10区 ＋Ptrp的-35区
trp promoter色氨酸启动子 由色氨酸阻遏蛋白进行调控：正调控作用。可 形成启动子-阻遏蛋白复合物。
trp 启动子的脱阻遏可通过：
（1）移除色氨酸； （2）加入色氨酸结构类似物，如吲哚丙烯酸（ 3indoleacrylic acid）. 3’--吲哚丙烯酸
trpR 阻遏蛋白 Trp
色氨酸操纵子（trp operon）
第二章 原核微生物的基因表达与操作
2.1 原核微生物的基因表达及其调控 2.2 原核微生物的基因表达产物的分离纯 化
第一节 原核生物的基因表达与调控因素
（1）转录因素； （2）翻译因素； （3）蛋白质的稳定性； （4）胞外分泌的特性
一、原核生物的基因表达
（一）、转录对基因表达的影响
新生RNA序列与模板链 互补；与编码链相同。
（1）为pBR322衍生质粒，插入 了强启动子PlacUV5并在其下 游加入了-半乳糖苷酶的 编码序列（ -gal）21 bp 片断和一个EcoRI位点；
基因表达的调控机理和方法
1.乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子）
（1）人们早在上个世纪初就发现了酵母中酶的诱导现象。即分解 底物的酶只有底物存在时才出现。酶受底物的诱导，这种可诱导现 象在细菌中普遍存在。
在培养基中加入适合底物-乳糖或半乳糖后2~3分钟，β一半乳 糖苷酶可迅速达到5000个酶分子，增加了1000倍，占细菌蛋白总量 的5~10%。 (β一半乳糖苷酶水解乳糖→半乳糖+葡萄糖 2个单糖)。
基因表达及其调控的特点
组成性基因表达（constitutive gene
expression）管家基因的表达方式，较
少受环境影响，在个体各生长阶段的几 乎全部组织中持续表达或变化很小。
管家基因（housekeeping gene）在一个
生物个体的几乎所有细胞中持续表达的 基因。
诱导表达（induction expression）有一些基
5、倒位蛋白通过DNA重组倒位而调节基因表达 倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶。
6、衰减子
衰减子又称为弱化子，位于一些操纵子中第一个结构 基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。如色氨酸 操纵子序列内含有一段衰减子序列.
7、RNA聚合酶抑制物 细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合酶活性降低， RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止，这种现象称为严 谨反应。机制：当氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的 tRNA增加，在ATP存在下，产生pppGpp和ppGpp， 后者与RNA聚合酶结合形成复合物，进而使RNA聚合酶 构象变化，活性降低。
启动子功能：： （1）决定转录方向及那一条DNA链作模板。（以信 息链的互补链作模板，转录mRNA与信息链一致）
（2）决定转录效率。 E.coli启动子，在-35、－10的 两个区序列称为一致性序列。通过比较大量的E.coli启 动子，表明这两个序列中各碱基的出现频率为-35区： TGACA；-10区：TATAAT。如果某一个启动子与上 述序列越接近，基因的转录效率越强。反之就弱。
原核生物基因表达调控概述
原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。
这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。
调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。
细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。
这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。
二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。
而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。
（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。
反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
基因的表达与调控
No RNA
R-
1 No RNA R-
No RNA
RNA
RNA
RNA
RNA
No RNA
No RNA
1
21
2
2
32
3
3、基因的微细结构
20世纪50年代的生化技术还无法进行DNA的序列 测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术， 对T4噬菌体rⅡ区基因的微细结构进行了详细分析。
野生型T4噬菌体 可侵染B株和K12株 噬菌斑小而模糊
功能上被互补（顺反）测验所规定的核苷酸 序列。
假定有两个独立起源的隐性突变，如a1与a2，它 们具有类似的表型。
如何判断它们是属于同 一个基因的突变，还是分 别属于两个基因的突变？ 即如何测知它们是否是等 位基因？
二、基因的微细结构
1、互补作用与互补测验(顺反测验)
需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突 变间有无互补皱粒表现型是由于缺少了淀粉档分享dnagtacatcatgtacttgaaacttgacctggagaacttgaacttaaatttmrna密码子guacaucuuacuccugaagaaaaa氨基酸dnagtacatmrna密码子gua氨基酸dnaaaatttmmrna密码根据红色面包霉的研究提出了一个基因一个酶的假说后来又被修改为一个基因种多肽链
Enzymes
B
CAP
G
R
ZY A
a
b
P
X
在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就不能 形成正调控因子cAmp-CAP，因此，基因不表达。
目前，通过遗传分析证明了lac操纵元的存在； 已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白 的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序 列结合的结构。
基因表达调控-1
β-半乳糖苷透过酶 使乳糖能透过细菌壁 半乳糖苷透过酶: 半乳糖苷透过酶 β-半乳糖苷乙酰基转移酶 半乳糖苷乙酰基转移酶 启动区（promotor, P）： 启动区（ ）：lacP ）： 操纵区（ ）：lacO 操纵区（operator, O）： ）： 调节基因（ ）：产生阻遏蛋白 ）：产生阻遏蛋白， 调节基因（I）：产生阻遏蛋白，结合到操纵基因
二、原核生物和真核生物的基因表达调控策略
原核生物的基因调控
取决于环境因素及细胞对环境条件的适应 在DNA、转录和翻译三个水平上进行 、转录和翻译三个水平上进行 操纵子—原核生物转录调控的主要方式 操纵子 原核生物转录调控的主要方式
真核生物的基因调控
比原核生物复杂得多（多细胞生物） 比原核生物复杂得多（多细胞生物） 基因表达调控贯穿于DNA到有功能蛋白质的全过程 到有功能蛋白质的全过程 基因表达调控贯穿于 未发现操纵子的存在
30
Trp操纵子的阻遏调节系统 操纵子的阻遏调节系统
调节区
trpR
RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶 O P
结构基因
Trp 低时
辅 阻 遏 蛋 白
mRNA
Trp 高时
Trp(诱导物 诱导物) 诱导物
31
（二）Trp 操纵子的衰减作用
前导序列： 基因上游一个长162bp的DNA片段。 片段。 前导序列： 在trpE基因上游一个长 基因上游一个长 的 片段
13
负控诱导
负调控
负控阻遏
可诱导调节
正控诱导
正调控
正控阻遏
可阻遏调节
基因表达的调控
基因表达调控(gene regulation或gene control)：对 基因表达调控 或 ： 基因表达过程的调节。 基因表达过程的调节。 基因表达的组织特异性(tissue specificity)： 基因表达的组织特异性(tissue specificity)：不同组 织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因 织细胞中不仅表达的基因数量不相同， 表达的强度和种类也各不相同。 表达的强度和种类也各不相同。 基因表达的阶段特异性(stage specificity)： 基因表达的阶段特异性(stage specificity)：细胞分 化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。 化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。
魔斑的主要作用： 魔斑的主要作用： (1) ppGpp—四磷酸鸟苷(魔斑I magic spot I) ppGpp—四磷酸鸟苷(魔斑I 调控一些反应的效应物，主要功能是： 调控一些反应的效应物，主要功能是： 抑制rRNA基因的启动子与RNA聚合酶与结合的专一性 基因的启动子与RNA聚合酶与结合的专一性； ① 抑制rRNA基因的启动子与RNA聚合酶与结合的专一性； 抑制多数或大多数基因转录的延伸。 ② 抑制多数或大多数基因转录的延伸。 (2) pppGpp—五磷酸鸟苷(魔斑II magic spot II) pppGpp—五磷酸鸟苷(魔斑II 当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp， 当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急 反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成， 反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操 纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统， 纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋 白水解酶等。 白水解酶等。 空转反应（ reaction） 空载tRNA 空转反应（idling reaction）－空载tRNA 松驰型突变（relaxed(rel)mutants） 松驰型突变（relaxed(rel)mutants） 应急因子（ factor） 应急因子（stringent factor）：RelA
5 第二章 原核生物基因表达调控
2.依赖于Rho因子的终止子
在体外实验中，发现尽管有该类终止子存在，但RNA聚合酶
只在终止子处暂停，转录并不终止。向该反应系统中加入ρ因子，
则可使转录在特定的位点终止。这种终止称为依赖ρ因子的转录
终止。
依赖于Rho因子的终止子不但柄部G•C含量较低，因而暂停
•
枯草杆菌在芽孢形成过程中采取更换σ因子的策略
2. 枯草杆菌噬菌体SP01的感染周期
一组基因的表达导致另一组基因随后表达，称为基因表达的
时序调控或级联调控，这是噬菌体感染周期中的普遍特征。 在枯草杆菌噬菌体SP01的感染周期中，其基因表达的时序调 控是由一系列的σ因子来实现的。 SP01的感染周期经历早中晚三个阶段： i. 刚刚感染时，早期基因被转录。
其一致序列为T80A95T45A60A50T96，又称为Pribnow框.
Pribnow盒是RNA聚合酶的牢固结合位点,又称结合位点,或称
为解链区。
该区域富含AT对,熔点较低, RNA聚合酶的结合使得这个AT丰
富区消耗较低的能量而解旋，此时RNA聚合酶与启动子的复合物便
由封闭复合物(closed-promoter complex) 转变为开放复合物(openpromoter complex) ，转录启动。 （2）－35区 在转录起始点上游－35bp处，有另一个保守序列，称 为－35序列。其一致序列为T82T84G78A65C54A45。该保守序列又称
• 转 录 起 始 主 要 由 DNA 分 子 上 的 启 动 子 （promoter)控制;终止由终止子控制. • DNA链上提供转录终止信号的序列称为终 止子（terminator）。是一个基因的末端或 是一个操纵子的末端的一段特定序列。
原核表达操作步骤及注意事项
原核表达操作步骤及注意事项时间：2010-03-03 14:05:01 来源：作者：点击：1046次将克隆化基因插入合适载体后导入大肠杆菌用于表达大量蛋白质的方法一般称为原核表达。
这种方法在蛋白纯化、定位及功能分析等方面都有应用。
大肠杆菌用于表达重组蛋白有以下特点：易于生长和控制；用于细菌培养的材料不及哺乳动物细胞系统的材料昂贵；有各种各样的大肠杆菌菌株及与之匹配的具各种特性的质粒可供选择。
但是，在大肠杆菌中表达的蛋白由于缺少修饰和糖基化、磷酸化等翻译后加工，常形成包涵体而影响表达蛋白的生物学活性及构象。
表达载体在基因工程中具有十分重要的作用，原核表达载体通常为质粒，典型的表达载体应具有以下几种元件：（1）选择标志的编码序列；（2）可控转录的启动子；（3）转录调控序列(转录终止子，核糖体结合位点)；（4）一个多限制酶切位点接头；（5）宿主体内自主复制的序列。
原核表达一般程序如下：获得目的基因－准备表达载体－将目的基因插入表达载体中（测序验证）－转化表达宿主菌－诱导靶蛋白的表达－表达蛋白的分析－扩增、纯化、进一步检测一、试剂准备1、LB培养基。
2、100mM IPTG（异丙基硫代-β-D-半乳糖苷）：2.38g IPTG溶于100ml ddH2O中，0.22μm滤膜抽滤，-20℃保存。
二、操作步骤（一）获得目的基因1、通过PCR方法：以含目的基因的克隆质粒为模板，按基因序列设计一对引物（在上游和下游引物分别引入不同的酶切位点），PCR循环获得所需基因片段。
2、通过RT-PCR方法：用TRIzol法从细胞或组织中提取总RNA，以mRNA为模板，逆转录形成cDNA 第一链，以逆转录产物为模板进行PCR循环获得产物。
（二）构建重组表达载体1、载体酶切：将表达质粒用限制性内切酶（同引物的酶切位点）进行双酶切，酶切产物行琼脂糖电泳后，用胶回收Kit或冻融法回收载体大片段。
2、PCR产物双酶切后回收，在T4DNA连接酶作用下连接入载体。
分子生物学课后习题答案
第一章绪论☐DNA重组技术和基因工程技术。
DNA重组技术又称基因工程技术，目的是将不同DNA片段（基因或基因的一部分）按照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。
DNA重组技术是核酸化学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶，而限制性内切酶DNA连接酶及其他工具酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。
DNA重组技术有着广泛的应用前景。
首先，DNA重组技术可以用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低的多肽，如激素、抗生素、酶类及抗体，提高产量，降低成本。
其次，DNA重组技术可以用于定向改造某些生物的基因结构，使他们所具有的特殊经济价值或功能成百上千倍的提高。
☐请简述现代分子生物学的研究内容。
1、DNA重组技术(基因工程)2、基因表达调控(核酸生物学)3、生物大分子结构功能(结构分子生物学)4、基因组、功能基因组与生物信息学研究第二章遗传的物质基础及基因与基因组结构☐核小体、DNA的半保留复制、转座子。
核小体是染色质的基本结构单位。
是由H2A、H2B、H3、H4各两分子生成八聚体和由大约200bp的DNA构成的。
核小体的形成是染色体中DNA压缩的第一步。
DNA在复制过程中，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。
这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。
因此，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式被称为DNA的半保留复制。
转座子是存在染色体DNA上的可自主复制和移位的基本单位。
转座子分为两大类：插入序列和复合型转座子。
☐DNA的一、二、三级结构特征。
DNA的一级结构是指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成。
DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。
分为左手螺旋和右手螺旋。
DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。
原核生物基因表达调控
20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起 始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
ＰＯ
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
（阻遏蛋白）
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能 将乳糖转变为异构乳糖
原核生物基因表达调控的方式
原核生物基因表达调控的方式
1.DNA、染色体水平调控：基因丢失、基因修饰、基因重排、基因扩增、染色体结构变化。
2.转录水平调控（主要调控方式）：转录起始、延伸、终止均有影响。
原核生物借助于操纵子，真核生物通过顺式作用元件和反式作用因子相互作用进行调控。
3.转录后水平调控：主要指真核生物原初转录产物经过加工成为成熟的mRNA，包括加帽、加尾、甲基化修饰等。
4.翻译水平调控：对mRNA稳定性的调控、反义RNA对翻译水平的调控等。
5.翻译后水平调控：蛋白质的剪切、化学修饰（磷酸化、乙酰化、糖基化等）、转运等。
6.mRNA降解的调控。
分子生物学：原核基因表达调控模式
添加葡萄糖后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到 满足，葡萄糖是最方便的能源，细菌无需开动一些不 常用的基因去利用这些稀有的糖类。
葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少
环腺苷酸（cAMP）的合成，与它相结合的蛋白质，
即 环 腺 苷 酸 受 体 蛋 白 CRP 又 称 分 解 代 谢 物 激 活 蛋 白 CAP，因找不到配体而不能形成复合物。
负控诱导 阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结 构基因不转录；与之结合则转录。
负控阻遏 阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。 阻遏蛋白作用的部位是操纵区。
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋 白（activator）。
正控诱导系统 效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白 处于活性状态；
葡萄糖 cAMP Lac操纵子被抑制
DNA
+ + + + 转录
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
协调调节
负性调节与正性调节协调合作
阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性
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• 乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。 ② 这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P）， 不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 ③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。 ④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 ⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结 合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻 遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。