微生物学_09a微生物与基因工程
基因工程与微生物的关系
基因工程与微生物的关系
嘿,朋友们!今天咱来聊聊基因工程和微生物这俩神奇的家伙。
有一次啊,我去参观一个生物科技展览。
一进去,就看到好多奇奇怪怪的仪器和展板。
我正瞎逛着呢,突然被一个展示基因工程和微生物关系的展板给吸引住了。
展板上写着,基因工程可以利用微生物来做很多厉害的事情。
我就纳闷了,这微生物不就是那些小不点儿的细菌啥的嘛,能有啥大作用呢?
这时候,旁边来了一个讲解员阿姨。
她看我一脸疑惑,就笑着给我解释起来。
她说,微生物虽然小,但是它们的作用可大了。
比如说,有些微生物可以生产出我们需要的药物呢。
阿姨还给我举了个例子。
她说有一种微生物,可以通过基因工程的方法,被改造得能够生产胰岛素。
哇,我一听就惊呆了。
胰岛素那可是很多糖尿病患者需要的药啊。
原来这些小小的微生物还能这么厉害呢。
阿姨接着说,基因工程还可以让微生物变得更强大。
比如说,可以让它们能够分解那些很难处理的污染物。
我就想象着,那些小小的
微生物像小战士一样,把那些脏东西都给打败了。
我又问阿姨,那基因工程会不会有啥风险啊?阿姨说,当然有啦。
如果不小心把那些改造过的微生物放出来,可能会对环境造成不好的影响呢。
所以啊,科学家们在做基因工程的时候,都特别小心。
从展览出来,我就一直在想基因工程和微生物的关系。
这俩家伙,一个是高科技,一个是小不点儿,但是它们组合在一起,就能做出这么多厉害的事情。
真是太神奇了。
以后啊,说不定基因工程和微生物还能给我们带来更多的惊喜呢。
嘿嘿。
微生物学a微生物与基因工程
辅 -阻 遏 物 阻遏
失活的活性蛋白
图 1 6 -1 原 核 生 物 结 构 基 因 的 4 种 表 达 调 控 类 型 (仿 B .L ew in :《 G E N E S 》 Ⅵ ,1 9 9 7 , F ig .1 2 .2 1 )
微生物学a微生物与基因工程
操纵子的转录调控实例
㈠、乳糖操纵子-----负控诱导系统; ㈡、色氨酸操纵子----负控阻遏系统
微生物学a微生物与基因工程
㈠、乳糖操纵子
➢大肠杆菌能利用乳糖作为碳源,而利用乳糖作为碳
源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。
➢大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)包括3个结构
基因:Z、Y和A。这三个结构基因被同一个转录单元 lacZYA所编码,它有一个启动子Plac。
微生物学a微生物与基因工程
➢ 与DNA发生特异性相互作用的蛋白质一般是有两条相同的 多肽链组成的二聚体。
微生物学a微生物与基因工程
DNA结合蛋白的模体(motif)
(1)螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix,HTH) HTH的一端是由氨基酸形成的α-螺旋,又称为识别螺旋; “转角”由3个氨基酸组成;第二个螺旋以疏水相互作用稳定 第一个螺旋。 结合蛋白与DNA作用力:氢键、范德华力等非共价作用。
微生物学a微生物与基因工程
一、DNA结合蛋白
(1)非专一性结合蛋白:组蛋白与DNA结合,结果有时影响基 因表达。
(2)专一性结合蛋白: 有很多蛋白质可与DNA发生序列特异性 相互作用,这些蛋白质分子的氨基酸侧链通过与DNA的碱 基磷酸或戊糖分子发生作用;
➢ 结合部位往往在DNA大沟中,每条多肽链与一条DNA链结 合。
第九章 微生物基因表达调控
微生物与基因工程
微生物与基因工程微生物与基因工程是当今科学领域中备受瞩目的研究方向。
微生物作为一类微小生物体,具有广泛的分布和多样的功能,对人类的生活和自然界的生态系统起着重要的作用。
而基因工程则是通过改变生物体的遗传信息,以实现对其性状和功能的精确控制和改良。
本文将对微生物与基因工程之间的紧密联系以及它们在生物科技领域的应用进行探讨。
第一部分:微生物的概述微生物是一类非常广泛的生物体,主要包括细菌、真菌、病毒等,其特点是体积小、繁殖能力强、生活环境广泛。
微生物在自然界中广泛存在,在空气、水、土壤、外界物体等各个环境中都可以找到微生物的身影。
微生物对人类的生活产生了巨大的影响,比如某些细菌可以分解有机物质,参与土壤肥力的维持;真菌在食品工业中被广泛应用,用于食品的发酵和保鲜等。
第二部分:微生物与基因工程的联系微生物是基因工程研究的重要对象之一,它们具有以下几个方面的优势:1. 繁殖能力强:微生物的繁殖速度非常快,可以在短时间内获得大量的微生物种群,为基因工程实验提供了便利条件;2. 遗传信息简单:相对于高等生物,微生物的基因组结构相对简单,研究人员可以更容易地对其基因进行操作和改变;3. 可操作性好:微生物的生长条件可以比较容易地进行控制,通过改变培养基中的成分或温度、pH等环境因素,可以实现对微生物生长的精确控制;4. 改良潜力大:由于微生物的基因信息相对简单,研究人员可以利用基因工程技术,对微生物的性状和功能进行精确改良,以实现人类的特定需求。
第三部分:基因工程在微生物中的应用基因工程技术在微生物研究和应用中具有广泛的应用场景,具体包括以下几个方面:1. 转基因微生物的应用:通过导入外源基因,可以让微生物具备特定的生物合成或代谢功能,比如利用大肠杆菌表达外源蛋白,用于生产重组蛋白;2. 微生物基因组学研究:通过对微生物基因组进行测序和分析,可以揭示微生物种类、功能和进化等方面的信息,为微生物学研究提供基础数据;3. 微生物制药和生物工程:利用微生物进行药物、酶和化学品的生产,比如利用酵母菌进行乳酸和酒精的发酵;4. 环境修复和生态恢复:微生物在环境修复和生态恢复中发挥重要作用,比如利用微生物降解污染物,净化水体和土壤。
微生物与基因工程的关系
微生物与基因工程的关系说起来微生物与基因工程,这俩玩意儿吧,表面上看八竿子打不着,但实际上,它们之间的关系,那可比咱俩现在坐这儿聊天还紧密。
先说说微生物吧,你知道微生物是啥不?就是那种小得你看不见,得拿显微镜才能瞅见的玩意儿。
它们无处不在,空气里、水里、土壤里,甚至你的肚子里都有。
别看它们小,本事可大了去了,有的能治病救人,有的能让人得病,还有的,嘿,能在基因工程里头唱大戏呢!基因工程,听起来挺高大上的,其实说白了,就是人类对基因动手动脚的一门技术。
咱可以把一个生物的基因,拿到另一个生物里头去,让它长出本不属于它的东西,或者让它干点本不该干的事。
比如说,让西红柿长得跟苹果一样大,或者让猪长出人的耳朵来(当然,这个有点夸张了,但理论上是可行的)。
那微生物和基因工程是怎么扯上关系的呢?这事儿还得从基因工程的“原材料”说起。
你想啊,基因工程得拿基因当材料吧,那这些基因从哪儿来呢?答案就是:微生物!有些微生物里头,藏着好多对人类有用的基因,比如说能产生抗生素的基因,或者能分解石油的基因。
科学家们就把这些微生物抓起来,好好研究一番,然后把它们里头的好基因给提取出来,用到别的地方去。
我就亲眼见过一回,我们实验室里头有个小伙子,天天跟那些微生物打交道。
他得把那些微生物养在一个个小瓶子里,天天盯着看,生怕它们死了或者跑了。
有一天,他兴奋地跑过来跟我说:“刘老师,我找到一个好东西!”我一看,原来他从一种微生物里头提取到了一个能产生新型抗生素的基因。
那玩意儿,说不定以后能救好多人的命呢!当然啦,微生物在基因工程里头的作用,可不止提供基因这么简单。
它们还能当“小工人”,帮我们在实验室里头干点活儿。
比如说,有些微生物能大量复制基因,这样我们就能得到很多很多的基因,用来做各种实验。
不过啊,微生物也不是那么好对付的。
它们有时候也会捣蛋,比如说在基因工程里头产生一些我们不想要的变异,或者污染我们的实验材料。
所以呀,跟微生物打交道,那也得有点本事才行。
第10章 微生物与基因工程
➢ 多克隆位点区位于lacZ‘基因中,在此位点上插入外源基因会 导致lacZ‘基因失活,可利用蓝白斑筛选重组子 。
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质粒的不足
(1)外源DNA≤15kb。 (2)转化效率低,约0.1%的转化率。
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二、λ噬菌体克隆载体
λ噬菌体的优点: (1)遗传背景清楚; (2)容纳外源DNA≤23kb。 (3)高感染率100%,体外包装上外壳蛋白。 缺点:DNA分子很大;限制酶有很多切点,且多位
.
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⑵ 插入一小段多克隆位点区
➢ 在α肽的编码区内插入一小段密集限制酶单一位点 的DNA片段,当外源DNA插入到这一区段,则会 破坏α互补作用。这时若将M13(含外源DNA)和 宿主细胞涂布在含有IPTG和X–gal培养基的平板 上,则形成无色噬菌斑。
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➢ M13载体克隆外源DNA的能力较小,一般只适 于克隆300~400bp的外源DNA片段;
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M13噬菌体的改造
➢ 野生型M13不适于作为克隆载体,因此人们对野生 型M13进行了改造,构建了一系列M13克隆载体。
➢ 在M13基因组中,除基因间隔区(IG)外,其他均 为复制和组装所必需的基因。
➢ 外源DNA插入IG区,可不影响M13活动,因此对 野生型M13的改造主要在IG区中进行。
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⑴ 插入β-半乳糖苷酶选择标记
第十章
微生物与基因工程
基因工程技术
➢ 基因工程(genetic engineering):把分离到的 或合成的基因经过改造,插入载体中,导入宿 主细胞内,使其扩增和表达,从而得到大量基 因产物,或令生物表现出新的形状。
.
基因工程大事记
1973 Cohen和Boyer第一次将重组体DNA转化大肠杆菌,
普通微生物微生物与基因工程
基因工程过程示意图
①从细胞中分 离出DNA
① ②
③ ④
②限制酶截取 DNA片断
③分离大肠杆 菌中的质粒
⑤ ⑥
④ DNA重组
⑤用重组质粒 转化大肠杆菌
载体(Vector):
能容忍外源DNA片段插入,可在细胞间转 移。并在宿主细胞内自主复制的DNA分子。
DNA重组 (recombination):
不同来源的DNA片段共价连接、通过
重新组合构成了具有两个DNA分子遗传
信息的新重组体DNA分子的过程。
转化(transformation):
以质粒为载体构建的载体DNA,在一 定条件下引入受体细胞的过程。或指DNA 分子进入宿主细胞的过程。
载体的种类
一、质粒克隆载体 二、λ噬菌体克隆载体 三、柯斯质粒载体(cosmid vector—黏粒载体) 四、M13噬菌体载体 五、噬菌质粒载体(phagemid/phasmid)
一、质粒克隆载体
1.质粒克隆载体的特性:
➢ 具有独立的复制起点 ➢ 含有多种限制酶的单一识别位点 ➢ 具有较小的相对分子质量 1~200kbp ➢ 具有较高拷贝数 ➢ 具有便于选择的标记 ➢ 易于导入细胞 ➢ 具有安全性
功
能 从Thermococcus litoralis分离到Vent DNA 聚合酶 从Thermus thermophilus中分离Tth DNA 聚合酶
PCR注意事项: 1. 引物的设计 2. 退火温度 3. 实验操作
PCR应用
1、基因扩增和制备DNA探针 2、临床医学上传染病的检测等 3、法医上判定亲缘关系 4、定性、定量检测基因表达水平
《微生物基因工程》课件
02
微生物基因工程的基本技 术
基因克隆技术基ຫໍສະໝຸດ 克隆技术定义基因克隆技术是一种将特定基因或基因片段分离出来,并在体外进行复制、剪切、拼接等 操作,最终将重组的基因或基因片段导入受体细胞,实现基因的体外操作和扩增的技术。
基因克隆技术原理
基因克隆技术的核心原理是DNA的半保留复制。通过将外源DNA片段插入到载体DNA中 ,形成重组DNA,然后将重组DNA导入到宿主细胞中,实现外源DNA的扩增。
利用基因工程改造微生物,提高生物 燃料的产量和效率,降低生产成本。
药物生产
通过基因工程手段改良微生物,实现 高效的药物生产,降低生产成本。
环境保护
利用基因工程改造微生物,提高污染 物的降解效率和速度,降低环境污染 。
农业领域
通过基因工程手段改良农作物,提高 农作物的抗逆性和产量,改善农业生 产效益。
改良农作物优点
通过基因工程技术,可以提高农作物的抗逆性、产量和品 质,为农业生产的发展做出贡献。
改良农作物挑战
改良农作物需要经过严格的试验和审批,确保安全性、有效性和 可持续性。同时需要加强农业技术的推广和应用,提高农民的素
质和能力。
04
微生物基因工程的前景与 挑战
微生物基因工程的发展前景
生物燃料
基因操作技术
包括基因克隆、转化、表达等关键技 术,是实现基因工程应用的基础。
微生物基因工程的历史与发展
起源
20世纪70年代,随着DNA双螺旋结构的发现和分子生物学的兴起 ,基因工程技术开始起步。
发展历程
经历了从简单到复杂、从单一到多基因的转化,技术不断进步,应 用领域不断扩大。
未来展望
随着基因编辑技术的发展,微生物基因工程将更加精准、高效,有 望在生物医药、生物能源等领域发挥更大作用。
微生物与基因工程
(4)载体DNA须易于生长和操作
基因工程的常用载体:
质粒载体
λ噬菌体载体
柯斯质粒载体 M13噬菌体载体 噬菌粒载体 真核细胞的克隆载体
人工染色体
一、质粒克隆载体 特点: a)低分子量有利于DNA的分离和操作;
b)具有较高拷贝数;
c)易于导入细胞; d)具有安全性;
质粒载体克隆外源DNA片段的大小一般不超过15Kb
(参见P277)
1.原理
(Mullis,1984)
聚合酶链式反应(polymerase chain reaction, PCR)
特点:在体外模拟细胞内进行的DNA复制过程
(1)变性(denaturation):模板DNA经热变性,双链被解开, 成为两条单链。 (2)退火(annealing):温度下降,变性DNA复姓,使寡核苷酸 引物即与模板DNA中所要扩增序列两端的碱基配对。
HpaI的识别序列:
5` - G T T A A C - 3` 3` - C A A T T G - 5`
5` - G T T 3` - C A A
A A C - 3` T T G - 5`
切割后形成具切割,形成的DNA片段 没有突出的单链。 具有平末端的DNA片段也可以在DNA连接酶的 作用连接起来
4)微生物细胞是基因克隆的重要宿主,
5)微生物是基因产物的重要表达载体;
6)基因工程得以建立与发展的理论基础主要来自对微生物 的研究; 7)微生物的多样性,为基因工程提供了极其丰富而独特的 基因资源;
微生物学不仅为基因工程提供了理论基础, 同时也提供了操作技术
第二节
微生物与基因工程工具酶
基因工程所用到的绝大多数工具酶都是从不同微生物 中分离和纯化而获得的
微生物与基因编辑微生物在基因工程中的应用
微生物与基因编辑微生物在基因工程中的应用基因工程是一门利用生物学、遗传学等相关知识手段,对生物体的基因进行重组和编辑,达到改良和优化生物体性状的技术。
而微生物作为生物体的一种重要组成部分,其在基因工程中具有不可替代的作用。
本文将介绍微生物及其在基因工程中的应用,以及基因编辑微生物的现状和发展趋势。
一、微生物的特点及其在基因工程中的应用微生物是指肉眼无法看到的微小生物体,包括细菌、真菌、病毒等。
微生物具有以下几个特点:繁殖速度快、适应性强、多样性高、基因组简单等。
这些特点使得微生物成为了基因工程的理想对象。
1.1 微生物的繁殖速度快微生物的繁殖速度非常快,可以在短时间内大量繁殖。
这为基因工程中的基因重组和编辑提供了便利,可以迅速得到大量表达目的基因的微生物种群。
1.2 微生物的适应性强微生物对环境的适应能力很强,可以生存于各种极端环境中,如高温、低温、高盐等,这使得微生物在基因工程中可以用于生产耐盐、耐酸、耐高温等产品。
1.3 微生物的多样性高微生物的多样性非常高,不同类型的微生物具有不同的特性和功能。
通过基因工程技术,可以将某些微生物的有益特性引入到其他微生物中,从而获得更多的应用。
1.4 微生物的基因组简单相比于高等生物的基因组复杂性,微生物的基因组相对较简单。
这为基因编辑和重组提供了更大的操作空间和便利。
基于以上特点,微生物在基因工程中有广泛的应用。
例如,利用微生物进行基因重组可以生产大量重要蛋白质,如胰岛素、乳酸菌等。
此外,微生物还可用于制备多种有益产品,如食品添加剂、生物农药和生物能源等。
二、微生物的基因编辑及其应用现状随着基因工程技术的发展,基因编辑方法也得到了显著的提升。
原始的基因编辑方法如基因敲除、基因替换等,已经逐渐演变为更精准、高效的基因编辑技术,如CRISPR-Cas9系统。
2.1 基因敲除基因敲除是一种最早的基因编辑方法,通过引入外源DNA片段或利用同源重组原理,使目标基因发生突变或失活。
微生物的基因工程
微生物的基因工程微生物是指体积微小、结构简单的生物体,如细菌、真菌等。
基因工程是利用基因技术对生物体的基因进行改造和调控的一项科学技术。
微生物的基因工程是基因工程领域中的一个重要分支,它通过对微生物的基因进行修改,可以实现对微生物的功能和特性进行精确控制,从而对人类生产和生活产生重要影响。
一、微生物基因工程的基本原理微生物基因工程的基本原理是利用生物体内的基因进行操作。
基因是生物体内传递遗传信息的单位,它决定了生物的特性和功能。
通过对微生物的基因进行修改和调控,可以改变微生物的生理特性和产生新的功能。
二、微生物基因工程的应用领域微生物基因工程在许多领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域:1. 药物生产:通过修改微生物的基因,使其能够产生具有疗效的药物。
例如,利用基因工程技术可以让细菌产生抗生素等药物,从而提高药物的生产效率和质量。
2. 农业领域:通过对农业微生物的基因进行工程改造,可以提高农作物的抗病性、耐盐碱性等特性,从而增加农作物的产量和质量。
3. 环境治理:利用微生物基因工程技术可以改变微生物的代谢途径,使其能够降解污染物,从而实现环境治理的目的。
4. 能源开发:微生物基因工程可以用于生物能源的开发和利用。
例如,通过对微生物的基因进行修改,可以使其具有产生生物燃料的能力。
5. 生物工程:微生物基因工程在生物工程领域有着重要的应用。
通过对微生物的基因进行改造,可以实现对微生物的功能和特性进行精确控制,从而实现生物工程的目的。
三、微生物基因工程的发展前景微生物基因工程在生物科技领域中具有重要的地位和广阔的发展前景。
随着基因工程技术的不断发展和进步,微生物基因工程将会在更多领域发挥作用。
1. 高效生产:微生物基因工程可以提高微生物的产量和产能,使生产过程更加高效和经济。
2. 新材料研发:微生物基因工程可以实现对微生物的功能进行改造,从而开发出新的材料和产品。
3. 环境保护:微生物基因工程可以用于环境治理和污染物降解,有助于改善环境质量。
微生物与基因工程
微生物与基因工程第十章微生物与基因工程基因工程(genetic engineering)或重组DNA技术(recombinant DNA technology) 是指对遗传信息的分子操作和施工,即把分离到的或合成的基因经过改造,插入载体中,导入宿主细胞内,使其扩增和表达,从而获得大量基因产物,或者令生物表现出新的性状。
基因工程这个术语可以用来表示特定基因操作,也可泛指它所涉及的技术系统,其核心是构建重组体DNA的技术。
因此,基因工程和重组DNA技术有时也就成为同义词。
基因工程是在现代生物学、化学和化学工程学以及其他数理科学的基础上产生和发展起来的,并有赖于微生物学的理论和技术的发展和运用,微生物在基因工程的兴起和发展过程中起着不可替代的作用。
基因工程的出现是本世纪生物科学具有划时代意义的巨大事件,它使得生物科学获得迅猛发展,并带动了生物技术产业的兴起。
它的出现标志着人类已经能够按照自己意愿进行各种基因操作,大规模生产基因产物,并且去设计和创建新的基因、新的蛋白质和新的生物物种,这也是当今新技术革命的重要组成部分。
第一节基因工程概述一、基因工程的发展历史基因工程是在本世纪70年代初开始出现的。
三项关键技术的建立为基因工程奠定了基础,这三项技术是:DNA的特异切割、DNA的分子克隆和DNA的快速测序。
早在50年代,阿尔伯(Arber)的实验室就已发现大肠杆菌能够限制侵染的噬菌体,60年代末进而证明大肠杆菌细胞内存在修饰–限制系统,即给宿主自身DNA打上甲基化标记并切割入侵的噬菌体DNA。
1970年史密斯(Smith)等人从流感嗜血杆菌(Hemophilus influenzae)中分离出特异切割DNA的限制酶。
次年,内森斯(Nathans)等人用该酶切割猴病毒SV40 DNA,最先绘制出DNA 的限制图谱(restriction map)。
1973年史密斯和内森斯提出修饰–限制酶的命名法。
限制性核酸内切酶可用以在特定位点切割DNA,限制酶的发现使分离基因成为可能。
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前导RNA结构
色氨酸操纵子RNA的前导序列含有4个序列互补区,能
形成不同的碱基配对的RNA结构。它们被称为序列1、2、 3和4。
弱化子发夹结构是序列3和4配对的产物 (3:4结构)。
序列1和2也是互补的,能形成另一个发夹结构1:2。然而
序列2还和序列3互补。
如果序列2和3形成2:3发夹结构,3:4弱化子发夹结构就
CAP:降解物基因活化蛋白(catabolic gene activation protein)
5'-AMP
磷酸二 酯酶
lac 操纵子小结
通常情况(葡萄糖供应正常)阻遏蛋白与操纵序列结合,基因
不转录。
细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内;细胞内的β-半乳糖苷
酶将乳糖转变为异乳糖。异乳糖结合到阻遏蛋白上使之从操纵 序列上脱离,聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。这就是负 控诱导。
约70倍。
辅阻遏物(合成产物) 当合成产物积累时,阻遏蛋白被 合成产物激活而与操纵基因结合 阻遏蛋白
当合成产物减少时,合成产物 脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失 活。转录酶使结构基因转录, 蛋白质酶合成使合成代谢开始 色氨酸操纵子: 色氨酸积累时色氨酸合成减弱 色氨酸缺乏时色氨酸合成加强 色氨酸=合成产物=辅阻遏物
2、转录后mRNA转译出多少蛋白(酶)的过程。
基因表达调控
基因表达调控在两个水平上体现: (1) 转录水平上的调控(transcriptional regulation); (2) 转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation);
9.2 转录水平调控
操纵子:原核生物细胞中,功能相关的基因组成操纵子结
原核生物的基因调控主要发生在转录水平上,根 据调控机制的不同可分为负转录调控(negative transcription regulation)和正转录调控(Positive transcription regulation)。
负转录调控系统
在负转录调控系统中,调节基因的产物是阻遏蛋白
(repressor)--阻止结构基因转录。其作用部位是
操纵区。它与操纵区结合,转录受阻。
负控诱导系统--诱导物不存在时,阻遏蛋白与操
纵区相结合,结构基因不转录;诱导物存在时,阻
遏蛋白与诱导物相结合,阻遏蛋白与操纵区分离, 结构基因转录。
负控阻遏系统--当阻遏蛋白与效应物结合时,结
构基因不转录。
正转录调控系统 在正转录调控系统中,调节基因的产物是激活蛋 白(activator),激活蛋白结合后, RNA聚合酶与 DNA的启动子结合,转录才会进行。 在正控诱导系统中,诱导物的存在使激活蛋白处 于活性状态,转录进行。 在正控阻遏系统中,效应物分子的存在使激活蛋
操纵序列的亲和力,阻遏蛋白从操纵序列上脱离下
来,聚合酶 迅速开始lacZYA基因的转录。
因此,加入乳糖或合成诱导物如异丙基-β-D-硫 代半乳糖苷(IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操纵 子结构基因的转录。
A、乳糖操纵子的结构
调节 基因 启动子 操纵区 P O LacZ
乳糖结构基因
乳 糖 操 纵 子 的 负 调 控
因此终产物色氨酸含量的高低决定了转录是提
早终止 (弱化),还是继续转录完整个操纵子。
构,由操纵区与一个或几个结构基因联合起来,形成一个结 构上、功能上协同作用的整体,受统一调节基因和启动区 的调控。 调节基因:可产生阻遏物或激活物蛋白调节操纵区,从
而控制结构基因的功能。
一、DNA结合蛋白
(1)非专一性结合蛋白:组蛋白与DNA结合,结果有时影响基
因表达。
(2)专一性结合蛋白: 有很多蛋白质可与DNA发生序列特异性 相互作用,这些蛋白质分子的氨基酸侧链通过与DNA的碱 基磷酸或戊糖分子发生作用; 结合部位往往在DNA大沟中,每条多肽链与一条DNA链结 合。 与DNA发生特异性相互作用的蛋白质一般是有两条相同的
表达调控过程中起着重要作用。 直接代谢前体,担任这种 转化的酶是腺苷酸环化酶 葡萄糖的降解代谢会抑制一些 (adenylcyclase),此酶受 葡萄糖代谢降解物的直接 操纵子的转录。 抑制,从而造成cAMP不能 cAMP在细胞中的增加对这些 产生。
操纵子的转录是有利的。
葡萄糖降解物能抑制细胞内
第九章 微生物基因表达调控
9.1 概 述 9.2 转录水平调控
9.3 转录后调控
9.1 概 述
微生物新陈代谢过程中,酶是主要的基因
产物;
微生物在代谢过程中,已经形成了两种主
要的代谢调节方式,即酶活性的调节和酶
量的调节。
酶活性的调节:具体指一定数量的酶通过其分子构 象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率,主 要是生化水平的调节(第五章)。 酶量的调节包含: 1、基因(酶的基因)被转录成多少mRNA的转录 水平的调节。
操纵子的转录调控实例
㈠、乳糖操纵子-----负控诱导系统; ㈡、色氨酸操纵子----负控阻遏系统
㈠、乳糖操纵子
大肠杆菌能利用乳糖作为碳源,而利用乳糖作为碳
源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。
大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)包括3个结构
基因:Z、Y和A。这三个结构基因被同一个转录单元 lacZYA所编码,它有一个启动子Plac。
CAP 基因
CAP结 合部位
结构基因
P O
R
T
LacZ
LacY
LacA
T 基 因 表 达
mRNA
RNA 聚合酶
mRNAZ
mRNAY
mRNAA
CAP
cAMP - CAP
葡萄糖降解物与cAMP的关系 ATP 腺苷酸 环化酶 cAMP
抑制
葡萄糖 分解代 谢产物
激活
降低cAMP浓度 cAMP 使CAP呈失活状态
乳糖操纵子的编码产物
lacZ编码β-半乳糖苷酶,它可以将乳糖水解为半乳糖
和葡萄糖。 lacY编码半乳糖苷透性酶,它能将乳糖运送透过细菌 的细胞壁。 lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶。
阻遏蛋白
操纵序列存在反向重复对称,正好与由四个相同亚
基组成的阻遏蛋白的内部对称相匹配。
当乳糖缺乏时,阻遏蛋白占据了操纵序列的结合位
(2)锌指(zinc finger)多见于真核 特点: Zn2+连结四个氨基酸(2个组氨酸,2个半胱氨酸)
形成α-helix(螺旋)形式的“指”,在大沟中与 DNA相互作
用。 一般多个锌指串联排列, 但不一定每个都接触DNA,其氮端形 成反向β折 叠,碳端形成α-helix,与DNA大沟特异性接触。
白处于非活性状态,转录不进行。
负调控 Lac O
正调控 Ara O
诱
导 阻遏物 阻遏 诱导物 诱导
失活的阻遏物 失活的活性蛋白 阻遏
活化的激活蛋白 诱导物 诱导
Trp O
阻
遏 失活的活性蛋白 辅-阻遏物 诱导 阻遏 活化的激活蛋白 诱导 辅-阻遏物 阻遏 失活的活性蛋白
图 16-1 原核生物结构基因的 4 种表达调控类型 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .12.21)
乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个多顺反子
的mRNA一起表达的。
lacZYA转录单元含有一个操纵区Olac,它位于
Plac启动子5’端的-5至+21之间。当阻遏蛋白结合
到操纵区时,便成为转录的强抑制物。
阻遏蛋白被一个独立的调节基因lac I所编码,lac I
也是乳糖操纵子的一部分; lac I位于Plac的上游。
此外,体系还存在分解代谢物阻遏调控:细菌生长系统中若缺
少葡萄糖,使cAMP含量增加,才有足够量的cAMP与分解物
结合蛋白(CRP)结合形成CRP-cAMP复合物结合于Plac上 游。使DNA双螺旋发生构象变化,转录才可以有效地进行。
㈡、色氨酸操纵子
色氨酸操纵子包括色氨酸合成途经中相关的
5个结构基因,编码一个转录单元,即从色 氨酸启动子Ptrp、操纵基因位点Otrp和向下 游转录出7kb的转录物。
弱化子
如果在操纵基因和trpE基因编码序列之间的一段序列
缺失,会导致基本转录水平和活化 (解阻抑)--转录水
平的上升。该段序列称为弱化子,它位于trpE起始密
码子前面162bp的转录前导序列的123~150位。
弱化子是一个不依赖ρ因子的终止子区域,在一小段
富含GC的回文结构之后是8个连续的U残基。如果这 段序列能在RNA转录物中形成发夹结构,就可以作为 一个高效的转录终止子,因而只有140bp的转录物被 合成。
多肽链组成的二聚体。
DNA结合蛋白的模体(motif)
(1)螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix,HTH) HTH的一端是由氨基酸形成的α-螺旋,又称为识别螺旋; “转角”由3个氨基酸组成;第二个螺旋以疏水相互作用稳定
第一个螺旋。
结合蛋白与DNA作用力:氢键、范德华力等非共价作用。 实例:大肠杆菌的Lac、Trp阻遏蛋白。
cAMP产生。
分解代谢激活蛋白
分解代谢激活蛋白(CAP)是以以二聚体形式存在的。 葡萄糖存在时会降低细胞内cAMP的水平, CRP自身不能
独立与DNA结合;
当葡萄糖缺乏时,大肠杆菌细胞内cAMP水平上升,CRP
结合到cAMP上。CRP-cAMP复合物可结合到紧邻RNA聚 合酶结合位点上游的乳糖操纵子的启动子Plac上游。能使 DNA双螺旋发生弯曲,有利于形成稳定的开放型启动子RNA聚合酶结构,使转录效率提高50倍。
不能形成,转录就不会终止。在正常情况下,1:2和3:4
发夹结构的形成在能量上是有利的。