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第六章 基因的表达与调控

第六章 基因的表达与调控
第六章 基因的表达与调控

6基因的表达与调控(上)

6.1 原核基因表达调控总论 (2)

6.1.1 原核基因调控机制的类型与特点 (3)

6.1.2 弱化子对基因活性的影响 (5)

6.1.3 降解物对基因活性的调节 (5)

6.1.4 细菌的应急反应 (5)

6.2 乳糖操纵子与负控诱导系统 (6)

6.2.1 酶的诱导—寻bc体系受调控的证据 (6)

6.2.2 操纵子模型及其影响因子 (7)

6.2.3 lac操纵子DNA的调控区域—P、O区 (9)

6.2.4 lac操纵子中的其他问题 (10)

6.3 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 (10)

6.3.1 trp操纵予的阻遏系统 (11)

6.3.2 弱化子与前导肽 (11)

6.3.3 top操纵子弱化机制的实验依据 (13)

6.4 其他操纵子 (14)

6.4.1 半乳糖操纵子 (14)

6.4.2 阿拉伯糖操纵子 (15)

6.4.3 阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答 (17)

6.4.4 二组分调控系统和信号转导 (17)

6.4.5 多启动子调控的操纵子 (17)

6.5 固氮基因调控 (18)

6.5.1 根瘤的产生 (18)

6.5.2 固氮酶 (19)

6.5.3 与固氮有关的基因及其调控 (20)

6.5.4 寄主植物基因型对共生体系的影响 (22)

6.6 转录后调控 (23)

6.6.1 翻译起始的调控 (23)

6.6.2 稀有密码子对翻译的影响 (23)

6.6.3 重叠基因对翻译的影响 (24)

6.6.4 poly(A)对翻译的影响 (24)

6.6.5 翻译的阻遏 (25)

6.6.6 魔斑核苷酸水平对翻译的影响 (25)

——原核基因表达调控模式.

原核生物及单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中,食物供应无保障,只有能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质,使代谢过程适应环境的变化,才能维持自身的生存和繁衍。高等真核生物代谢途径和食物来源都比较稳定,但由于它们是多细胞有机体,在个体发育过程中出现细胞分化,形成各种组织和器官,而不同类型的细胞所合成的蛋白质在质和量上都是不同的。因此,不论是真核还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制。

自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在单细胞生物中,使细胞代谢总效率增加的突变细胞生长略快于野生型,只要有足够的时间,突变细胞系将占整个细胞群体的主导地位。例如,在一个每30min增殖一倍的109细菌群体中,若有一个细菌变成了29.5min增殖一倍,大约经过80天的连续生长后,这个群体中的99.9%都将具有29.5min增殖一倍的生长速度(假设培养液被不断地稀释,否则细菌将在一两天内停止生长)。

原核生物细胞的基因和蛋白质种类较少,如大肠杆菌基因组约为4.60×l09共有4 288个可读框。据估计,一个细胞中总共含有107个蛋白质分子,如果每个基因等同翻译的话,任何一个多肽应有2 500个拷贝。但是,这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中的,有些蛋白质的数目相当固定,另一些则变化很大。例如,每个大肠杆菌细胞可以有约15 000个该糖体,与其结合的约50种核糖体蛋白数量也是十分稳定的。糖酵解体系的酶含量很大,其数目也极恒定。此外,如DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中十分必需的酶或蛋白质,其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响,这一类蛋白质被称为组成型(constitutive)合成蛋白质。另一种类型则被称为适应型或调节型(adaptive or regulated),因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。例如,一般情况下,一个大肠杆菌细胞中只有15个分子的β—半乳糖苷酶,但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中,每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。其他参与糖代谢的酶,氨基酸、核苷酸合成系统的酶类,其合成速度和总量都随培养条件的变化而改变。

细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行如下规律:一个体系在需要时被打开,不需要时被关闭。这种“开—关”(on—off)活性是通过调节转录来建立的,也就是说mRNA 的合成是可以被调节的。实际上,当我们说一个系统处于“off”状态时,也可能有本底水平的基因表达,常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。为了方便,我们常常使用“off”这一术语,但必须明白所谓“关”实际的意思是基因表达量特别低,很难甚至无法检测。

6.1 原核基因表达调控总论

我们知道,所有生物的遗传信息,都是以基因的形式储藏在细胞内的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,转变成蛋白质分子,执行各种生理生化功能,完成生命的全过程。科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)(图6—1),对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能,就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念。

图6—1基因表达的第一步是由RNA聚合酶拷贝DNA双链中的模板链,生成与该序列完全互补的RNA链

基因表达调控主要表现在以下二方面:

(1)转录水平上的调控(transcriptional regulation);

(2)转录后水平上的调控(post—transcriptional regulation),包括①mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript);②翻译水平上的调控(differential translation of mRNA)。

基因调控的指挥系统也是多样的,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(nutritional status)和环境因素(environmental factor)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(hormonelevel)和发育阶段(develolp,mentalstage)是基因表达调控的最主要手段,营养和环境因素的影响力大为下降。

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、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。在研究转录及转录调控以前,我们先来分析一下原核与真核生物转录与翻译的特点。因为细菌mRNA在形成过程中与核糖体棍合在一起,所以,细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内,转录与翻译相偶联(coupled transcription and translation)。真核生物中,转录产物(primary transcript)只有从核内运转到核外,才能被核糖体翻译成蛋白质(图6—2)。

图6—2 真核与原核生物转录及翻译调控的总体特征比较

6.1.1 原核基因调控机制的类型与特点

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 trnascriptlon regulation)。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二大类。在负控诱导系统中,阻遏蛋白不与效应物(诱导物)结合时,结构基因不转录;在负控阻遏系统中,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)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。在正控诱导系统中,效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态;在正控阻遏系统中,效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态(图6—3,表6—1)。

图6—3 细菌中的转录调控体系

(a)负控诱导系统;(b)正控诱导系统;(c)负控阻遏系统;(d)正控阻遏系统

参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是σ因子,基因组序列分析后发现在6种σ因子,并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名(表6—2),其中是σ70调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。

除参与氮代谢的σ54以外,其它5种σ因子在结构上具有同源性,所以统称σ70家族。研究发现,所有σ因子都含有4个保守区(图6—4),其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA,第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。与上述σ因子特异性结合DNA上的-35区和-10区不同,σ因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合(图6—5)。在与启动子结合的顺序上,σ70类启动子在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合,而σ54则类似于真核生物的TA TA区结合蛋白(TBP),可以在无核心酶时独立结合到启动子上。

通过特殊代谢物调节的基因活性主要有可诱导和可阻遏两大类:

(1)可诱导调节是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下,由原来关闭的状态转变为工作状态,即在某些物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好,在只含乳糖的培养基中开始时生长不好,直到合成了利用乳糖的一系列酶,具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。细菌获得这一能力的原因就是因为在诱导物乳糖的诱导下开动了乳糖操纵子,表达它所编码的3个酶:β—半乳糖苷酶(使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖),β—半乳糖苷透过酶(使乳糖进入细菌细胞内),β—半乳糖苷乙酰基转移酶(使β—半乳糖第六位碳原子乙酰化)。这个操纵子开动的效果是十分明显的。以β—半乳糖苷酶为例,在葡萄糖培养基中生长时,每个细胞只有几个酶分子,但若转移到乳糖培养基中,几分钟后,每个细菌细胞内可产生3000个酶分子。因此,这类基因被称为可诱导基因,这类酶被称为诱导酶,这个生化过程被称为酶的诱导合成。

图6—4 大肠杆菌中的σ因子(以σ70为例)主要包括4个结构域

图6—5 σ70(上)和σ54 (下)因子识别并结合在所调控基因上游的不同区域

(2)可阻遏调节这类基因平时都是开启的,处在产生蛋白质或酶的工作过程中,由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭,阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌生活中必须有色氨酸,一般情况下,该操纵子是开启的。如果在细菌培养基中加人色氨酸,使之能利用培养基中的色氨酸来维持生活而不需要再费力去合成,细菌往往能在2—3min内完全关闭该操纵子。这就是说,某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭。这种基因被称为可阻遏基因,这些酶被称为可阻遏酶,这个现象被称为可阻遏现象,这些起阻遏作用的小分子被称为阻遏物。在这里,色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程(而不是诱导过程)中起作用。

作为一般规律,可诱导的操纵子总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因,这些糖和氨基酸平时含量很少,细菌总是利用更一般的能源物质——葡萄糖的水解来提供能源,因此,这些操纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化,如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时,就要打开这些基因。可阻遏基因的情况恰好相反,它们是一些合成各种细胞代谢过

程中所必须的小分子物质(如氨基酸、嘌呤和嘧啶等)的基因,由于这类物质在生命过程中的重要地位,这些基因总是打开着的。只有当细菌生活环境中有充分供应时,才关闭这些基因,停止其合成。

6.1.2 弱化子对基因活性的影响

属于这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等等。

在这种调节方式中,起信号作用的是有特殊负载的氨酰—tRNA的浓度,在色氨酸操纵子中就是色氨酰—tRNA的浓度。当操纵子被阻遏,RNA合成被终止时,起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。这种因为核糖体在基因转录产物上的不同位置,决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构、并由此决定基因能否继续转录的调节方式确实是非常巧妙的。起调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度,因此是转录调节中的微调整,好比无线电调谐器中的微调一样,只要稍加变动就可影响整个体系的功能。我们将在后面分析色氨酸基因操纵子结构时加以详述。

6.1.3 降解物对基因活性的调节

操纵子学说的核心是使基因从表达抑制状态中解脱出来进行转录,是从负调节的角度来考虑基因表达调控的。那么,有没有从相反的角度进行正调节以提高基因的转录水平,使它由原来的低水平表达变成高水平表达的呢?这就是降解物抑制作用的调节。

有葡萄糖存在的情况下,即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物,与其相对应的操纵子也不会启动,不会产生出代谢这些糖的酶来,这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。为什么会产生这种效应呢?因为添加葡萄糖后,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。降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的,是一种积极的调节方式。

6.1.4 细菌的应急反应

上述各点是细菌处于正常生活条件下的基因表达调节方式。所谓“正常”,也包括生活环境中缺少某一种或两种能源,但能找到其他代用物。可是,细菌有时会碰到紧急状况,比如氨基酸饥饿时,就不是缺少一二种氨基酸,而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支,渡过难关,细菌将会产生一个应急反应,包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。当氨基酸饥饿时,细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA,这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶,使ppGpp大量合成,其浓度可增加10倍以上。ppGpp的出现会关闭许多基因,当然也会打开一些合成氨基酸的基因,以应付这种紧急状况。关于ppGpp的作用原理还不大清楚,一般认为RNA聚合酶有不同的

构象,这些构象可以识别不同的启动子区,ppGpp与RNA聚合酶结合会使它的某些构象稳定下来,从而改变了基因转录的效率。也有人认为基因转录起始位点附近有一些保守序列,它们可能是ppGpp或有关调节蛋白的结合位点。当这些序列与ppGpp结合后,就不能与RNA 聚合酶相结合,使基因被关闭。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛,它们不是只影响一个或几个操纵子,而是影响一大批,所以它们是超级调控因子。

6.2 乳糖操纵子与负控诱导系统

操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说,由法国巴斯德研究所著名科学家Jacob和Monod在1961年首先提出,并在10年内经许多科学家的补充和修正得以逐步完善。我们将在本节介绍建立这一模型的研究过程及实验依据,从而帮助读者了解原核生物基因表达调控的主要模式和机制。

大肠杆菌乳糖操纵子(1actose operon)包括3个结构基因:Z、Y和A,以及启动子、控制子和阻遏子等,如图6—6所示。转录时,RNA聚合酶首先与启动区(promoter,P)结合,通过操纵区{opeerator,O)向右转录。转录从O区中间开始,按Z→Y→A方向进行,每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。

3个结构基因各决定一种酶:Z编码β—半乳糖苷酶;Y编码β—半乳糖苷透过酶;A编码β—半乳糖苷乙酰基转移酶。

β—半乳糖苷酶是一种β—半乳糖苷键的专一性酶,除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外,还能水解其他β—半乳糖苷(如苯基半乳糖苷)。β—半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β—半乳糖苷(如乳糖)透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内,所以,如果用乳糖为大肠杆菌生长的惟一碳源和能源,这两种酶是必需的。β—半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到β—半乳糖苷上,形成乙酰半乳糖,它在乳糖的利用中并非必需。

图6—6 lac操纵子及各个组分详图

6.2.1 酶的诱导—lac体系受调控的证据

在不含乳糖及β—半乳糖苷的培养基中,lac-基因型大肠杆菌细胞内β—半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低,每个细胞内大约只有l—2个酶分子。但是,如果在培养基中加入乳糖,酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%,每个细胞中可有超过105个酶分子。

当有乳糖供应时,在无葡萄糖培养基中生长的lac+细菌中将同时合成β—半乳糖苷酶和透过酶,如图6—7所示。进一步用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1-2min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,lac mRNA量立即下降到几乎无法检测到,表明乳糖确实能激发lac mRNA的合成。

图6—7 lac体系的“开—关”特性

加入乳糖以后,1 min内出现如lac mRNA,稍后即产生β—半糖苷酶和透过酶。当移去乳糖之后;lac mRNA总量立即下降,两种酶活,性却由于蛋白质半衰期较长而在相当长时期内维持恒定

事实上,研究诱导作用时很少使用乳糖,因为培养基中的乳糖会被诱导合成的β—半乳

糖苷酶所催化降解,从而使其浓度不断发生变化。实验室里常常使用两种含硫的乳糖类似物——异丙基巯基半乳糖苷(IPTG)和巯甲基半乳糖苷(TMG)。另外,在酶活性分析中常用,发色底物O—硝基半乳糖苷(ONPG),研究发现,它们都是高效诱导物(图6—8),因为它们都不是β—半乳糖苷酶的底物,所以又称为安慰性诱导物(gratuitous inducer)。

图6—8 3种乳糖类似物

为了证实诱导物的作用是诱导新酶合成,而不是将已存在于细胞中的酶前体转化成有活性的酶,科学家设计了同位素示踪实验。他们把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没有任何半乳糖苷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。分离纯化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。

6.2.2 操纵子模型及其影响因子

1961年Jacob和Monad发表lac操纵子负控诱导模式时,生物界反应之强烈,可与Watson 和Crick在1953年发表DNA双螺旋模型相媲美。他们还根据基因调控模式预言了mRNA 的存在,直接导致了后者的发现,启动了对于氨基酸密码子的实验研究,并使整个分于遗传学体系得以迅速建成和完善。

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,而且可以用实验方法进行研究,他们通过大量实验及分析,建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型(图6—9),其主要内容如下:

(1)Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反于的mRNA分子所编码;

(2)该mRNA分子的启动区(P)位于阻遏基因(I)与操纵区(O)之间,不能单独起始β—半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达;

(3)操纵区是DNA上的一小段序列(仅为26bp),是阻遏物的结合位点;

(4)当阻遏物与操纵区相结合时,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,使之不能与操纵区相结合,从而激发lac mRNA的合成。这就是说,有诱导物存在时,操纵区没有被阻祖遏物占据,所以启动子能够顺利起始mRNA的转录。

这一简单模型解释了lac体系及其他负控诱导系统,我们会在以后发现这种解释并不是完善的,因为乳糖操纵子中同样也存在着正调控。

图6—9 如操纵子的调控模型

1.lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的。首先,诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合,而转运诱导物需要透过酶,后者的合成又需要诱导。这样我们必须解释第一个诱导物是如何达到细胞内的。只有两种可能,或者一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞,或者一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成。研究表明,第二种解释是正确的。

其次,人们发现乳糖(葡萄糖—1,4—半乳糖)并不与阻遏物相结合,真正的诱导物是乳糖的异构体——异构乳糖(葡萄糖—1,6—半乳糖),而后者是在β—半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的,因此,乳糖诱导β—半乳糖苷酶的合成需要有β—半乳糖苷酶的预先存在。对

这一现象的解释同样是:在非诱导状态下有少量的lac mRNA合成(大约每个世代中有1-5个mRNA分子),这种合成被称之为本底水平的组成型合成(baekgound level constitutive synthesis)。由于阻遏物的结合并不是绝对紧密的,即使在它与操纵基因紧密结合时,也会偶尔掉下来;这时启动子的障碍被解除,RNA聚合酶开始转录。这种现象以每个细胞周期1-2次的概率发生。

2.大肠杆菌对乳糖的反应假设细菌生长在以甘油为碳源的培养基中,按照lac操纵子本底水平的表达,每个细胞内可有几个分子的β—半乳糖苷酶和乳糖透过酶。现在加入乳糖,在单个透过酶分子作用下,少量乳糖分子进入细胞,又在单个β—半乳糖苷酶分子的作用下转变成异构乳糖。某个异构乳糖与结合在操纵区上的阻遏物相结合并使后者失活而离开操纵区,开始了lac mRNA的生物合成。这些mRNA分子编码了大量的β—半乳糖苷酶和乳糖透过酶,其结果导致乳糖大量涌入细胞。多数乳糖被降解成为葡萄糖和半乳糖,但还有许多乳糖被转变成异构乳糖,然后与细胞内的阻遏物结合(虽然合成速度低,但是阻遏物仍继续合成,因此必须有足够的异构乳糖才能使细胞维持去阻遏状态),阻遏物的失活促使mRNA 高速合成,进一步提高了透过酶和β—半乳糖苷酶的浓度(图6—10)。降解产生的葡萄糖被细胞用作碳源和能源,降解产生的半乳糖则被另一套酶体系转变成葡萄糖,这些酶的合成也是可诱导的。

一旦培养基和细胞中的所有乳糖都被消耗完毕,由于阻遏物仍在不断地被合成,有活性的阻遏物浓度将超过异构乳糖的浓度,使细胞重新建立起阻遏状态,导致lac mRNA合成被抑制。在细菌中,多数mRNA的半衰期只有几分钟,所以在不到一个世代的生长期内,lac mRNA几乎从细胞内消失。β—半乳糖苷酶及透过酶的合成也趋向停止,这些蛋白质虽然很稳定,但其浓度随着细胞的分裂而不断被稀释。值得注意的是,如果在原有的乳糖被撤去之后的一个世代中再加入乳糖,这时乳糖可以立即开始降解,因为此时细胞内仍有一定浓度的透过酶和β—半乳糖苷酶。

3.阻遏物lac I基因产物及功能现已查明,如操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的,该阻遏蛋白有4个相同的亚基,每个亚基均含有347个氨基酸残基,并能与1分子IPTG结合。未经分级分离的细胞提取物的结合能力大约为每细胞结合20-40个IPTG分子,因此推测每个细胞中有5-10个阻遏物分子。观察发现在I-突变株细胞提取物中缺少阻遏物,从而证明与IPTG结合的物质确实是蛋白质。

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。

4,葡萄糖对lac操纵于的影响β—半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖(半乳糖将在gal操纵子的作用下再转化成葡萄糖)。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中,大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子(图6—11)。研究发现,葡萄糖对lac操纵子表达的抑制是间接的。例如,有一个大肠杆菌突变体,它在糖酵解途径中不能将葡萄糖—6—磷酸转化为下一步代谢中间物,这些细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以,我们说不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lac mRNA的合成,科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应(catabolite repression)。

图6—10 培养基中有无诱导物对hcmliNA及B—β—半乳糖苷酶活性的影响

5.cAMP与代谢物激活蛋白广泛存在于动、植物组织中的cAMP(图6—12)是在腺苷酸环化酶的作用下由A TP转变而来的,在真核生物的激素调节过程中起着重要作用。在大肠杆菌中,cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中培养,细胞内cAMP浓度就高;如果在含葡萄糖的培养基中培养,cAMP的浓度就低;如果培养基

中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源,cAMP的浓度也会很高,因此推测糖酵解途径中位于葡萄糖—6—磷酸与甘油之间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶活性的抑制剂。

时间/mill

图6—1l 当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时,lac启动子表达受阻,没有β—半乳糖苷酶活性;当葡萄糖消耗完以后(图中箭头处),细胞内cAMP浓度增加,β—半乳糖苷酶活性增加,一度停止生长的细胞又恢复分裂

大肠杆菌中的代谢物激活蛋白,由Crp基因编码,能与cAMP形成复合物。凡Crp及腺苷酸环化酶基因突变的细菌都不能合成lac mRNA,CRP和cAMP都是合成lac mRNA所必需的。事实上,cAMP—CRP复合物是激活lac的重要组成部分,细菌对于此复合物的需要是独立的,与阻遏体系无关,转录必须有cAMP—CRP复合物结合在DNA的启动子区域上。因为Crp基因和环化酶基因的突变细菌即使同时也是I-或O c突变,都不能合成出lac mRNA,所以,我们认为cAMP—CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子,而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。图6—13是存在于gal,lac和ara三个操纵子上游启动子区CRP—cAMP结合位点的分析。

图6—13 gal,lac和ara操纵子上游启动子区与ClIP—cAMP结合位点的相对位置分析

此外,半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过程中均转化生成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间产物,所以,这些糖代谢中有关的酶都是由可诱导的操纵子控制的。只要有葡萄糖存在,这些操纵子就不表达,被称为降解物敏感型操纵子(catabolite sensitive operon),实验证明这些操纵子都是由cAMP—CRP调节的。对大量操纵子启动区的研究表明,CRP—cAMP结合位点存在序列特异性(图6—14)。

图6—14 大肠杆菌lac操纵子启动区CRP—cAMP及-35区,-10区序列分析

cAMP—CRP复合物与启动子区的结合是lac mRNA合成起始所必需的,因为这个复合物结合于启动子上游,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(图6—15)。而阻遏物则是一个抗解链蛋白(antimehin gprotein),阻止形成开放结构,从而抑制RNA聚合酶的功能。

图6—15 CRP—cAMP与上游DNA位点结合后造成模板DNA沿对称序列中央发生大于90o的弯曲

6.2.3 lac操纵子DNA的调控区域—P、O区

已经分离得到含有lac操纵子的DNA片段,发现P区(即启动子区)一般是从I基因结束到mRNA转录起始位点下游5—10bp,而O区(即阻遏物结合区)位于-7~+28位,该区的碱基序列有对称性,其对称轴在+11位碱基对。图6—16分别列举了gal,araH,trp,trpR和lac五个操纵子中P区及O区的相对位置。实验表明,阻遏物与O区的结合影响了RNA聚合酶与启动区结合形成转录起始复合物的效率。

6.2.4 lac操纵子中的其他问题

1.A基因及其生理功能且基因存在于lac操纵子中,编码了β—半乳糖苷乙酰基转移酶。虽然乳糖本身不能被乙酰化,但这个酶能够把乙酰基从供体上转移到半乳糖苷分子上,这具有什么生理意义呢?

自然界中存在着许多种能被β—半乳糖苷酶降解的半乳糖苷分子,它们的分解产物往往不能被进一步代谢,很容易在体内积累。这是非常有害的,因为不少半乳糖苷衍生物在高浓度时是细胞正常生长的抑制物。研究发现,当有IPTG存在时,I-O c A-—大肠杆菌的生长速度显著慢于相应的A+株系,两组细胞的差异仅仅在于后者能将IPTG乙酰化,而乙酰化的IPTG不能被β—半乳糖苷酶所分解。所以,且基因虽然不在乳糖降解中起作用,但它抑制了β—半乳糖苷酶产物的有害性衍生物在细胞内积累,在生物进化中是有意义的。

2.lac基因产物数量上的比较在一个完全被诱导的细胞中,β—半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为1:0.5:0.2。作为数百万年进化演变的结果,这个比例在一定程度上反映了以β—半乳糖苷作为惟一碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差异是由于在翻译水平上受到调节所致。这种调节有以下两种方式:

图6—16 不同操纵子启动区及O区相对位置的比较

(1) lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离,从而终止蛋白质链的翻译。这种现象发生的频率取决于每一个后续的AUG密码子再度起始翻译的概率。因此,就存在着一个从mRNA的5'末端到3'末端的蛋白质合成梯度。对于大多数多顺反子mRNA分子来说,这种现象具有普遍性。

(2)在lac mRNA分子内部A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解,因此,在任何时候Z基因的完整拷贝数要比且基因多。事实上,对于某个活跃表达的多顺反子操纵子,该mRNA所编码的各种蛋白质的相对浓度都由每一个顺反子的翻译频率所决定。

3,操纵于的融合与基因工程操纵子在自然条件下可能发生融合,典型的例子是lac 操纵子与负责嘌呤合成的pur操纵子的偶联。尽管pur操纵子以完全不同于lac操纵子的方式进行调节,但它在染色体上位于lac操纵子沿转录方向的下游,中间只隔了一个控制细胞对T6噬菌体敏感性的tsx基因。科学家从tsx s Z+细胞中分离到tsx R Z--突变体,研究该突变体的DNA序列,发现

它缺失了从lac操纵子的Z基因开始,包括整个tsx基因以及pur操纵基因和pu r启动子的一部分。这一突变使lac Z基因缺失终止序列,当转录作用从lac启动子处开始后,就合成出由一部分Z基因编码区和整个pur基因转录生成的mRNA分子。因此,在这个体系中,pur操纵子被“嫁接”到lac启动子上,形成融合基因。这一现象给生物学家以很大的启发,因为lac启动子是一个很强的启动子,通过它可以使较弱启动子的转录增强,从而增加蛋白质的合成量。到目前为止,基因融合技术已经成为基因工程操作中应用最广泛的技术。

6.3 色氨酸操纵子与负控阻遏系统

由于trp体系参与生物合成而不是降解,它不受葡萄糖或cAMP—CRP的调控。色氨酸的合成主要分5步完成,有7个基因参与整个合成过程(图6—17)。trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶,trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,trpF编码异构酶,trpC编码吲哚甘油磷酸合酶,trpA和trpB则分别编码色氨酸合酶的O和P亚基。研究发现,在大肠杆菌等

许多细菌中,trpE和trpG融合成一个功能基因,trpC和trpB也融合成一个基因,产生具有双重功能的蛋白质。除上述7个基因之外,细菌中还有pabA,pabB基因分别编码ADC聚合酶的两个亚基,pabC基因编码ADC裂解酶,ubiC基因编码分枝酸裂解酶,entC基因编码异构分枝酸聚合酶(图6—18),这些基因产物都在不同程度上参与了分枝酸代谢,与色氨酸合成有一定关系。

trpE基因是第一个被翻译的基因,和trpE紧邻的是启动子区和操纵区。另外,前导区和弱化子区分别定名为trpL和trpa(不是trpA)。trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR,该基因距trp基因簇很远。后者位于大肠杆菌染色体图上25min处,而前者则位于90min处。在位于65min处还有一个trpS(色氨酸tRNA合成酶),它与携带有色氨酸的tRNA Trp共同参与trp操纵子的调控作用(图6—19)。trp操纵子的转录调控除了阻遏系统以外,还有弱化系统,我们将分别予以介绍。

6.3.1 trp操纵子的阻遏系统

trpR基因突变常引起trp mRNA的组成型合成,该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白(aporepressor)。除非培养基中有色氨酸,否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物,与操纵区(图6—20)结合并关闭trp mRNA转录。

研究发现,这个系统中的效应物分子是色氨酸,是由trp操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。当培养基中色氨酸含量较高时,它与游离的辅阻遏蛋白相结合,并使之与操纵区DNA紧密结合;当培养基中色氨酸供应不足时,辅阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离,trp操纵子去阻遏。

图6—19 大肠杆菌中的trp操纵子

图6—20 trp操纵区的碱基序列

6.3.2 弱化子与前导肽

6.3.2.1 弱化子

随着对色氨酸操纵子的深入研究,发现有些现象与以阻遏作为惟一调节机制的观点不一致,例如,在色氨酸高浓度和低浓度下观察到trp操纵子的表达水平相差约600倍,然而阻遏作用仅使转录降低70倍。此外,使阻遏物失活突变不能完全消除色氨酸对trp操纵子表达的影响。显然,trp操纵子的这种调控与阻遏物的控制无关,必然还有其他调控机制。通过缺失突变株的研究发现,这种调控机制就是弱化作用(attenuation)。事实上,阻遏—操纵机制对色氨酸来说只是一个一级开关,主管转录是否启动,相当于trp操纵子的粗调开关。trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控并决定已经启动的转录是否继续下去。在这个系统中,酶的浓度根据氨基酸浓度的变化而受到调节。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的,细胞中色氨酸的浓度是实现过早终止的根本原因。

在trp mRNA 5'端trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区,其中123~150位碱基序列如果缺失,trp基因表达可提高6~10倍,而且无论是在阻遏细胞内还是在组成性突变的细胞内都是这样。研究发现,当mRNA合成起始以后,除非培养基中完全没有色氨酸,转录总是在这个区域终止,产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子,终

止trp基因转录,这就是123~150区序列缺失会提高trp基因表达的原因。因为转录终止发生在这一区域,并且这种终止是被调节的,这个区域就被称为弱化子。研究引起终止的mRNA 碱基序列(图6—21),发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎—环结构,有典型的终止子特点。

图6—21 trp弱化子mRNA的终止区

6.3.2.2 前导肽

各种实验表明衰减作用需要负载tRNA Trp参与,这意味着前导序列的某些部分被翻译了。分析前导序列发现,它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA;如果翻译起始于AUG,应该产生一个含有14个氨基酸的多肽。这个假设的多肽(还未实际观察到)被称为前导肽。有证据表明事实上可能存在这个多肽,因为在该AUG位点5'上游端有一个核糖体结合位点,而前导肽编码区与trpE基因5'端融合可产生一种融合蛋白质,该蛋白质具有与前导肽同样的N末端序列。

前导序列具有一个非常有意义的特点,在其第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。这一点很重要,因为组氨酸操纵子中,也具有弱化子,也具有一个类似的能编码前导肽的碱基序列,此序列中含有7个相邻的组氨酸密码子。苯丙氨酸操纵子中同样存在弱化子结构,其前导序列中也有7个苯丙氨酸密码子。这些密码子参与了trp及其他操纵子中的转录弱化机制。

6.3.2.3 mRNA前导区的序列分析

trp前导区的碱基序列已经全部测定,引人注目的是其中4个分别以1、2、3和4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对(图6—22),有时以1—2和3—4配对,有时只以2—3方式互补配对。RNase Tl降解实验(此酶不能水解配对的RNA)表明,纯化的trp前导序列中确有1—2和3—4的配对方式,由此定位的3—4配对区正好位于终止密码子的识别区,当这个区域发生破坏自我配对的碱基突变时有利于转录的继续进行(图6—23)。

6,3.2.4转录弱化作用

转录的弱化理论认为mRNA转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的。因为在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子,所以这个前导肽的翻译必定对tRNA TM的浓度敏感。当培养基中色氨酸的浓度很低时,负载有色氨酸的tRNA Trp也就少,这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢,当4区被转录完成时,核糖体才进行到1区(或停留在两个相邻的Trp密码子处),这时的前导区结构是2—3配对,不形成3—4配对的终止结构,所以转录可继续进行,直到将trp操纵子中的结构基因全部转录。而当培养基中色氨酸浓度高时,核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子,在4区被转录之前,核糖体就到达2区,这样使2—3不能配对,3—4区可以自由配对形成茎—环状终止子结构,转录停止,trp 操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨酸(图6—24)。所以,弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。

已从大肠杆菌和沙门氏菌中陆续发现了不少具有弱化作用的操纵子,它们都具有前导肽,并且前导肽中都富含该操纵于所合成的那种氨基酸。

图6—22 原核生物BNA中前导序列的变构引起转录的终止或弱化

图6—23 trp操纵子的转录与翻译调控

图6—24 trp操纵子前导序列的变构与转录的弱化

6.3.3 trp操纵子弱化机制的实验依据

在含有较高浓度色氨酸的培养基中,色氨酰—tRNA合成酶缺陷型大肠杆菌中trp操纵子结构基因的表达却并没有完全受到抑制。进一步研究温度敏感突变株trpS5证实,它所编码的Trp—tRNA合成酶只在30oC时有活性,能使色氨酸活化生成tRNA Trp,在42oC时该酶没有活性。比较野生型和突变型在42 oC和30oC条件下有色氨酸供应时邻氨基苯甲酸合酶(trpE)的活性发现,30℃时,色氨酰—tRNA合成酶有活性,可生成tRNA Trp,trp操纵子结构基因的表达受抑制;在42℃时,色氨酰—tRNA合成酶失去活性,不能生成tRNA Trp,trp结构基因表达受抑制的程度就不明显。野生型大肠杆菌色氨酰—tRNA合成酶不受温度控制,所以trp基因表达基本不受温度影响。

研究另一个前导区及D基因缺失的叩操纵子突变体(ΔtrpLDl02)还发现,该细菌在补充了过量色氨酸的培养基中有高于野生型亲本株系8~10倍的色氨酸合成酶活性,这种去阻遏作用不论在trpR+或trpR-菌株中都存在(表6—3)。

表6—3 trpL缺失突变株与非缺失菌株色氨酸合成酶活性比较(相对单位)

从表6—3中可以看出前导区的调节作用。ΔtrpED53的L区中不缺失弱化于,而ΔtrpLDl02工区中缺失弱化子。缺失前导区后的表达比有前导区的表达要高得多,充分说明trp操纵子的表达调控除阻遏作用外,还受到前导区的影响,失去了这个因素就失去了一个调控机制。

trpL29是增强终止的突变型,它的前导序列第29位核苷酸由原来的G变为A,…AUG…→…AUA…,AUG是前导肽的起始密码,变为AUA后便不能起始蛋白质合成,有利于trp mRNA形成1—2、3—4稳定的二级结构,从而增强终止。这一突变型的邻氨基苯甲酸合成酶活性很低,并且对色氨酸不敏感。因为前导肽根本不能翻译下去,即使在色氨酸饥饿条件下仍然不能作出解除终止的反应。

另一个增强终止的突变型是trpL75,其75位上的C变成了A。野生型75位上的C在2区内,它可以与3区内118位上的C形成氢键,当C变为A后,减弱了2区和3区形成茎—环结构的能力,导致终止增强,trpL75对色氨酸饥饿不能作出反应。

此外,缺失了3'端4个U的突变株ΔtrpLC1419,也导致终止解除,说明3'端U对转录终止起作用。细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足,因为阻遏作用只能使转录不起始,对于已经起始的转录,只能通过弱化作用使之中途停顿下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少,弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行,在细菌细胞内这两种作用相辅相成,体现着生物体内周密的调控作用。

细菌中为什么需要有弱化子系统呢?一般认为,阻遏物从有活性向无活性的转变速度较慢,需要有一个能更快地做出反应的系统,以保持培养基中适当的色氨酸水平。弱化子能较快地通过抗终止的方法来增加即基因表达,迅速提高内源色氨酸浓度。

那么,为什么还要有阻遏体系呢?没有阻遏体系,似乎只有弱化也可以调节色氨酸酶系的合成。目前认为阻遏物的作用是在有大量外源色氨酸存在时,阻止非必需的先导mRNA 的合成,它使这个合成系统更加经济。事实上,自然界中存在着不同类型的合成体系。组氨酸操纵子拥有在功能上与trp操纵子完全相同的弱化子结构,但没有阻遏物,它的表达完全受弱化子调节。

6.4 其他操纵子

6.4.1 半乳糖操纵子

大肠杆菌半乳糖操纵子(galactorse operon)在大肠杆菌遗传图上位于17min处,包括3个结构基因:异构酶(UDP—galaetose—4—epimerase,galE),半乳糖—磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galaetoal~transferase,galK),半乳糖激酶(galaetose kinase,galK)。这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖—1—磷酸。半乳糖操纵子的调节基因是galR,位于遗传图上55min处。gal 操纵子与lac操纵子所不同的是galR与galE、T、K及操纵区O等的距离都很远,而gaIR 产物对galO的作用与lacl—lacO的作用相同。在galR-和galO c突变体中,lE、T、K基因得到组成性表达。gal操纵子的诱导物主要是半乳糖。图6—25是几个相关联操纵子的代谢途径及基因图谱。半乳糖的跨细胞膜运转需要gal基因产物参与。

图6—25 gal操纵子、lac操纵子和ara操纵子的结构及其代谢途径

此外,gal操纵子还有两个特点:①它有两个启动子,其mRNA可从两个不同的起始点开始转录;②它有两个O区,一个在P区上游-67~-73,另一个在结构基因galE内部。

6.4.1.1 cAMP—CRP对gal启动子的作用

因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低,人们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导,但实际上有葡萄糖存在时,gal操纵子仍可被诱导。现已分离到一些突变株,其中一类突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类(gal结构基因高效表达);另一类突变株中,gal基因的表达完全依赖于葡萄糖,培养基中如无葡萄糖存在,这些细菌的gal基因不表达,不合成半乳糖代谢酶类。分析批操纵子P—O区的碱基序列发现有两个相距仅为5 bp的启动子,gal操纵子可以从两个启动子分别起始基因转录,每个启动子拥有各自的RNA 聚合酶结合位点S1和S2(图6—26)。cAMP—CRP对从S1和S2起始的转录有不同的作用。

从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时才能顺利进行,RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CRP和较高浓度的cAMP。当腺苷环化酶突变(cya-)或cAMP,受体蛋白突变(crp-)时,gal操纵子不能从S1起始转录。此时如在体外系统中加入cAMP—CRP,就能够诱发从S1起始的转录。体外转录的实验证明,cAMP—CRP能够刺激归操纵子转录,用含有gal操纵子调节区的DNA片段作模板进行体外转录时,发现cAMP—CRP抑制从S2的转录而刺激从S1的转录。当有cAMP—CRP时,转录从S1开始,当无cAMP—CRP时,转录从S2开始。

图6-26 gal操纵子启动子的S1和S2序列分析

从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖,高水平的cAMP—CRP能抑制由这个启动子起始的转录,因此,cAMP—ClIP在ed操纵子中所起的调节作用比在lac操纵子中更为复杂。大肠杆菌的cya-或crp-突变型不能利用乳糖,但可以利用半乳糖作为惟一碳源。

有一个gal启动子突变株,不能利用培养基中的半乳糖,若将此突变株再行突变为cya-或crp-,细胞就恢复了利用半乳糖的能力。因为第一次突变失去了从S1起始转录的能力,却不影响从S2起始转录的能力。细胞中cAMP—CRP的存在抑制了从S2开始的基因转录,使gal操纵子既不能从S1起始又无法从S2起始转录。双重突变后,无论是cya-突变,还是crp-突变,都能移去cAMP—CRP对S2的阻遏作用,导致gal基因表达,恢复利用半乳糖作

为能源的能力。

一般认为,cAMP—CRP有利于RNA聚合酶—S1区复合物形成开链构象,从而起始基因转录。同时,由于S1和S2区的核苷酸部分重叠,这一复合物的存在干扰了RNA聚合酶—S2复合物的形成,抑制S2起始的基因转录。

6.4.1.2 双启动子的生理功能

为什么gal操纵子需要两个转录起始位点?这与半乳糖在细胞代谢中的双重功能有关。半乳糖不仅可以作为惟一碳源供细胞生长,而且与之相关的物质——尿苷二磷酸半乳糖(UDPgal)是大肠杆菌细胞壁合成的前体。生长过程中细胞必须随时合成差向异构酶,以保证尿苷二磷酸的供应。在没有外源半乳糖的情况下,细胞通过半乳糖差向异构酶(galactose epimerase,galE基因产物)的作用由UDP—葡萄糖合成UDPgal。因为合成细胞壁过程中对异构酶的需要量很小,本底水平的组成型合成就能够满足生理需要。实际上,gal mRNA的组成型合成水平已高于lac操纵子所合成lac mRNA的水平,显然这部分mRNA是在没有半乳糖的情况下合成的。

现在设想只有S1一个启动子,那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP—CRP,当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。假如惟一的启动于是S2,那么,即使在有葡萄糖存在的情况下,半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态,这无疑是一种浪费。所以,无论从必要性或经济性考虑,都需要一个不依赖于cAMP—CRP的启动子(S2)进行本底水平的组成型合成,以及一个依赖于cAMP—CRP的启动子(S1)对高水平合成进行调节。这就是说,只有在S2活性完全被cAMP—CRP抑制时,调控作用才是有效的。

6.4.2 阿拉伯糖操纵子

阿拉伯糖(arabirfose)是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因:araB、araA和araD,它们形成一个基因簇,简写为araBAD。它们因分别编码3个酶:araB基因编码核酮糖激酶(ribulokirnase),araA编码L—阿拉伯糖异构酶(L—arabinose isomerase),araD编码L—核酮糖—5—磷酸—4—差向异构酶(L—rlbulose—5—phosphate—4—epimerase)。在gal操纵子中,基因的排列序列就是代谢途径中酶的作用序列,而这个操纵子却不同,阿拉伯糖的代谢是以araA、araB、araD的序列进行的。另外还有两个负责将阿拉伯糖运人细胞的基因,即araE和araF,它们位于远离这个基因簇的地方,araE和araF分别编码一个膜蛋白和一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。

与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域、两个操纵区(O1,O2)和一个调节基因araC,这个调节基因的性质与我们已介绍过的lac及gal操纵予中的调节基因的性质全然不同。AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。在lac和gal操纵子中,阻遏蛋白只能作为负调节因子,而cAMP—CRP蛋白只能是正调节因子。araBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上,araBAD基因簇从启动子P BAD开始向左进行转录,而araC基因则是从P c向右转录(图6—27)。

图6—27 ara操纵子上游调控区序列与功能分析

ara操纵子也是可诱导的,阿拉伯糖本身就是诱导物。在野生型操纵子中,只有阿拉伯糖存在时才转录出araBAD mRNA,而有葡萄糖存在时则不转录。腺苷酸环化酶缺陷型和crp-突变株也不形成araBAD mRNA,说明从P BAD起始的转录过程也需要cAMP—CRP。

6.4.2.1 AraC蛋白的正、负调节作用

AraC蛋白既是ara操纵子的正调节蛋白,又是其负调节蛋白(图6—27)。我们来分析以下实验结果。首先,当omC基因内发生点突变或缺失突变,会产生不能合成araBAD mRNA

的araC—突变株。其次,构建基因型为F'araC-/araC-的局部二倍体细胞后,发现这类细胞中ara操纵子可以被诱导,说明araC-等位基因是隐性的。如果araC-突变体的产物是突变型的阻遏物,那么,araC-对于araC+来说至少应有部分显性。

遗传学上的其他证据如araC-基因的琥珀突变,也说明araC基因产物是一种蛋白质,这一点又通过AraC蛋白的纯化得到了进一步证实。所以说araBAD mRNA的合成需要一个有功能的AraC蛋白,这个蛋白与诱导物阿拉伯糖相结合后,诱导araBAD基因表达(图6—28)。

图6—28 ara操纵子的表达调控

(a)当细胞内没有AraC蛋白时,由P c启动于起始araC基因转录;(b)当体系中葡萄糖水平较高,阿拉伯糖水平较低时,AraC蛋白与操纵区O1以及ara I C诱导因子结合区上半区相结合,形成DNA回转结构,araBAD基因不表达;(c)当体系中有阿拉伯糖但无葡萄糖存在时,AraC与阿拉伯糖相结合,改变构象成为激活蛋白,AraC同源体分别与araO1和aral 区相结合,DNA回转结构被破坏。RNA聚合酶在AraC蛋白和CRP—cAMP的共同作用下起始P BAD所调控的结构基因表达。

有实验证明,当AraC蛋白以正调控因子作用时,起始转录还需要cANP—CRP的共同参与。在第一个实验里,人们发现当反应体系中只含有ara操纵子DNA、RNA聚合酶、AraC 蛋白及cAMP—CRP中的一个成分,araBAD mRNA的转录不能起始,说明只有AraC蛋白和cAMP—CBP协同作用才能起始araBAD的转录。在第二个实验里,人们用电镜直接观察ara操纵子DNA分子(这种技术可以看到结合了RNA聚合酶的DNA分子)发现,除非AmC 蛋白和cAMP—CBP同时存在,RNA聚合酶一般不能与该操纵子DNA相结合。

6.4.2.2 AraC蛋白的两种形式

AmC蛋白作为P BAD活性正、负调节因子的双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。一般认为,Pr是起阻遏作用的形式,可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合,而Pi是起诱导作用的形式,它通过与P BAD启动子结合进行调节。推测Pr和Pi这两种结构处于一种相互平衡之中。在没有阿拉伯糖时,Pr形式占优势;一旦有阿拉伯糖存在,它就能够与AraC蛋白结合,使平衡趋向于Pi形式。

6.4.2.3 营养状况对ara操纵子活性的影响

图6—29是在各种营养状态下ara操纵子的表达情况。在图6—29(a)中,培养基含有葡萄糖,cAMP—CRP没有与操纵区位点相结合,AraC蛋白处于Pr形式并与操纵区A位点结合,RNA聚合酶不能与P c结合araC基因虽然仍有转录,但受到抑制,只有少量AraC蛋白形成,整个系统几乎处于静止状态。它虽然不是完全关闭,但是尽可能地关闭了。图6—29(b)中没有葡萄糖,也没有阿拉伯糖,因为没有诱导物,尽管有cAMP—CRP与操纵区位点相结合,AraC蛋白仍以Pr形式为主,无法与操纵区B位点相结合,无araBAD mRNA转录。图6—29(c)中无葡萄糖,有阿拉伯糖,大量araC基因产物以Pi形式存在,并分别与操纵区B、A位点相结合,在cAMP—CRP的共同作用下,araC和araBAD基因大量表达,操纵子充分激活。

图6—29 各种营养状态下ara操纵子的表达调控(RNA—P代表RNA聚合酶)

6.4.3 阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答

当细菌DNA遭到破坏时(如受到紫外光照射),细菌细胞内会启动一个被称为SOS的诱导型DNA修复系统。研究发现,参与SOS DNA修复系统的许多基因虽然分散在染色体的各个部位,但都同时受LexA阻遏蛋白的抑制,平时表达水平很低。SOS体系的诱导表达过程其实就是把IexA阻遏蛋白从这些基因的上游调控区移开的过程。

一般情况下,recA基因表达并不完全受LexA阻遏,所以,每个细胞中可有1 000个RccA 蛋白单体分散在细胞质中。当DNA严重受损时,DNA复制被中断,单链DNA缺口数量增加,RecA与这些缺口处单链DNA相结合,被激活成为蛋白酶,将LexA蛋白切割成没有阻遏和操纵区DNA结合活性的两个片段,导致SOS体系(包括recA基因)高效表达,DNA得到修复(图6—30)。只要有活化信号存在,该操纵子就一直处于活性状态。当修复完成后,活化信号消失,Rec A蛋白又回到非蛋白水解酶的形式,LexA,蛋白才逐步积累起来,并重新建立阻遏作用。一旦RecA蛋白的合成停止,细菌开始生长并进行分裂,RecA又逐渐地稀释到原先的本底水平。

图6-30大肠杆菌中受LexA蛋白阻遏的SOSDNA损伤修复系统操纵子的表达调控模式6.4.4 二组分调控系统和信号转导

细胞生活在不断变化的环境中,温度、pH和渗透压变化,氧分压变化,营养的变化及细胞浓度的变化等都要求细菌必须随时作出相应的反应以求得生存。前面讨论的诱导和阻遏转录调控系统均是通过环境中的小分子效应物(诱导物或阻遏物)直接与调节蛋白结合进行转录调控,但是在较多情况下,外部信号并不是直接传递给调节蛋白,而是首先通过传感器(sensor)收信号,然后以不同方式传到调节部位,这个过程就是信号转导(signa ltransduction)。目前已知的最简单的细胞信号系统称为二组分系统(two—component systems),由二种不同的蛋白质组成:即位于细胞质膜上的传感蛋白(sensorprotein),因该蛋白质具有激酶活性,所以又称传感激酶及位于细胞质中的应答调节蛋白(response regulator protein)。传感激酶常在与膜外环境的信号反应过程中被磷酸化,再将其磷酰基团转移到应答调节蛋白上,磷酸化的应答调节蛋白即成为阻遏或诱导蛋白,通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因表达(图6—31)。

图6—31 细菌中参与信号转导的二组分调控系统

6.4.5 多启动子调控的操纵子

6.4.5.1 rRNA操纵子

大肠杆菌rRNA操纵子(rrnE)上有两个启动子P l和P2(图6—32)。在对数生长期细菌中,P l起始的转录产物比P2起始的产物多3-5倍,所以P l是强启动子。但是当细菌处于紧急状态时,如氨基酸饥饿条件下,细胞中PpCpp浓度增加,P l的作用被抑制。因为rRNA是细胞中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分,不能完全停止供应,由P2起始的rmE基因转录就显得越来越重要。在贫瘠的培养基中,细胞增殖缓慢时,P2是合成rRNA的主要启动

子。

6.4.5.2 核糖体蛋白SI操纵子

与rmE操纵子相类似的有核糖体蛋白SI操纵子(rpsA),它也受应急反应调节。rps A有4个启动子,可能是大肠杆菌中启动子最多的操纵子。P l、P2是强启动子,平时主要依靠它们来启动基因的表达,合成SI蛋白。P3、P4是弱启动子,只有在紧急情况下,P l、P2启动子受ppGpp的抑制,由P3、P4起始合成的SI蛋白维持了生命的最低需要。

6.4.5.3 DnaQ蛋白操纵子

DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一,其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误。已知这一操纵子受RNA聚合酶活性的调节,并拥有两个启动子(图6—33)。在RNA 聚合酶活性较低时,操纵子的转录由弱启动子P2控制;而RNA聚合酶活性较高时,就开始利用强启动子P l。因为细胞内RNA聚合酶活性与细胞的增殖速度有关,也就是说,在细胞染色体复制比较缓慢时,RNA聚合酶活性往往较低,此时DnaQ蛋白的合成靠弱启动子P2来维持。当细胞增殖速度加快,RNA聚合酶活性升高时,P l就被激活,DnaQ蛋白的合成就大大增加。

图6—33 DnaQ蛋白操纵子表达活性受RNA聚合酶调节

总之,操纵子中有不同的启动子,它们有不同的强度,其启动作用又受不同因子的调控。许多因素相互作用,才使基因表达更加有效,更加协调。在不同的生活环境中,不同的启动子精密地调节基因的表达量,这对维持细菌的生存起着非常重要的作用。

6.5 固氮基因调控

氮是所有生物的基本组成成分,蛋白质、核酸及许多小分子代谢产物都是含氮化合物。没有氮,就没有生命。虽然地球大气层的80%是氮气,但是有能力直接利用这种氮源的却仅限于几类原核生物。某些豆科植物通过与根瘤菌属的固氮菌建立共生体系,也具有直接利用气态氮的本领。科学家估计,地球上的动植物共含氮约1.5×1010t,而每年通过硝化细菌以气态氮的形式释放到大气中的氮就有2×108~5×108t,全世界氮肥厂每年生产的化肥仅含氮约108t,所以,如果没有生物固氮,生命很快就不复存在了。

幸运的是,固氮菌从事着与硝化、脱硝化完全相反的工作,它们将气态氮转化成能被寄主植物利用的氨。根瘤则是寄主植物为适应共生固氮所产生的一种特化的器官,便于容纳类菌体并为其提供合适的环境和养分,维持氮的固定。地球上每年约有2×108~5×108t氮通过这一途径被固定,生物固氮对地球氮代谢的贡献比所有化肥厂加起来还大。我们将在这一节里详细研究调控这一共生体系的各种因素。

6.5.1 根瘤的产生

根瘤菌在豆科植物根际的生长以及与寄主植物根毛幼嫩部位的接触是感染发生的第一步。通常情况下,根瘤菌特定小种的寄主范围都是很狭窄的,如Rhlzobium trifotii主要感染三叶草,R.phaseoli主要感染菜豆,R.Leguminosarum主要感染豌豆(表6—4)。当然,每个小种中可能有些株系能感染宿主以外的其他豆科植物。

根瘤菌细胞以极性的方式与根毛接触,并附着到植物细胞上。这种接触的专一性是由植物凝血素和细菌细胞壁之间的相互作用所决定的。植物凝血素是由植物细胞所产生的一种糖蛋白,它对糖基有很高的亲和力与专一性,现已鉴定出根瘤菌细胞壁上的一种脂多糖组分很可能就是植物凝血素的受体。有实验表明,根瘤菌能产生一定量的寡聚糖来刺激植物凝血素的分泌,由基因型所决定的根瘤菌寄主范围,可能受到植物基因组的影响,因为特定的植物凝血素只能识别特定的细菌表面受体。

表6-4 感染各种植物的不同根瘤菌

6.5.2 固氮酶

20世纪60年代初期,有科学家将晾干的厌氧微生物芽孢梭菌细胞溶于稀盐溶液中,离心后取上清,加入15N 2,一定时间后发现反应体系中产生了15NH 3。进一步研究发现,无细胞提取液中的固氮酶活性会很快地、完全地被空气所破坏。

i 23e 8232P 32A DP H 2NH 32A TP H 8N -+++?→?+++

现已查明,固氮酶所催化的这一反应是通过两个步骤来完成的。组分I 是一个多聚蛋白,由两个相对分子质量各为5.0×104的α亚基和两个相对分子质量各为6.0×104的β亚基所组成,α和β亚基分别由nifD 和nifK 基因编码。由于组分I 含有4个[4Fe —4S]连接桥和两个铁—钼辅助因子(FeMoCo),所以常被称为铁钼蛋白(FeMo —protein)。组分Ⅱ由两个完全相同的相对分子质量各为3.0×104

的亚基所组成,由nifH 基因编码,常被称为铁蛋白(Fe —protein)。组分Ⅱ只有一个[4Pe —4S]连接桥,位于两个亚基之间,一次只可送出一个电子,是生物固氮反应中的“瓶颈”。

除了上述两个主要组分之外,有证据说明FeMoCo 在固氮反应中也起着举足轻重的作用。FeMoCo 可能位于酶—底物结合活性中心附近,含有1molMo 与6molFe 、8molS ,能被从铁钼蛋白中分离出来。分离纯化的FeMoCo 能被用来活化铁钼蛋白。有肺炎克氏nifB 、nifN 、nifE 突变体,不能产生功能型FeMoCo ,所以其铁钼蛋白无固氮活性。若加入外源FeMoCo ,铁钼蛋白的活性就得到恢复。有报道认为,铁钼蛋白埋亚基上的第275位半胱氨酸与FeMoCo 的结合是组分I 正常发挥生理功能所必需的。进一步的研究还发现,铁钼蛋白的活性中心可能在该亚基第191位谷氨酰胺和第195位组氨酸附近,因为若分别用赖氨酸取代谷氨酰胺191,用天冬酰胺取代组氨酸195,铁钼蛋白的固氮活性明显下降(表6—5)。

表6—5 几种不同突变体中的固氮酶活性比较

在还原氮的同时,固氮酶还有一个次要的活性,它能把氢质子还原成分子氢。这一反应不利于提高固氮酶活性,因为它既消耗了能量又产生了能竞争性抑制固氮活性的氢分子。根瘤菌中有些株系(Hup+)能通过氢化酶的作用催化氢和氧的结合,从而利用反应中释放的氢。这一反应使得在质子还原过程中丢失的某些A TP再生,还有助于除去固氮酶附近的分子氧。

6.5.3 与固氮有关的基因及其调控

通过对许多快速生长的根瘤菌株系,如R.trifolii、R.leguminosarum、R. phaseoli 和R.meliloti的研究,发现与形成固氮根瘤有关的许多基因都位于染色体外的大质粒上。有些根瘤菌的突变体不能使植物形成根瘤(nod-)或者不能使植物固氮(fix-),原因就在于这些质粒的特定部位发生了缺失。在较高温度条件下(>33oC)培养野生型R.leguminosarum(nod+ fix+),使质粒DNA丢失,也使得这些细菌也丧失了与豌豆共生根瘤的能力。可以通过转化或转导的方法使根瘤菌的质粒在不同株系之间转移,当质粒DNA从野生型nod+fix+转移到缺少这些功能的突变株系中,就能使这些突变体获得形成根瘤进行生物固氮的本领。类似的实验还表明,根瘤菌的寄主范围也是由质粒决定的。例如,野生R. phaseoli只能使菜豆形成根瘤,但若消除其本身所带的质粒后导入R.leguminosarum兄Ieguminosarum的质粒,该重组R. phaseoli就能使豌豆形成根瘤。在Hup+株系中,编码氢化酶系统的基因也位于质粒DNA上。

实验证明,nifA基因控制了整个固氮酶系统的表达和活性。如图6—34所示,若突变nifA 基因,那么固氮酶和其他所有已知的畸基因产物都会消失。若再将野生型nifA基因用质粒DNA的形式导人上述突变株中nif操纵子的功能就得到恢复。事实上,nifA和nifL基因产物分别是nif扩操纵子(nifAL本身除外)的正和负调控因子。研究发现,当细胞内没有NifL蛋白质时,nifA基因产物足以激括其他nif基因的表达,甚至在有NH3和O2存在时也如此。nif野生型克氏肺炎杆菌UNF928中固氮酶的活性完全被10mmol/L NH4+所抑制,而UNF714由于带有突变型nifAL基因,所以固氮酶活性为零。若将带有nifA质粒DNA正向表达载体pMC73A导人UNF7l4中,不但能完全恢复野生型固氮酶活性,而且在10mmnol/L NH4+中仍有15%~30%的活性。很显然,nifA基因对UNF714固氮酶活性的影响是通过反式作用因子来实现的,因为导人带有反义nifA基因的载体pMc73B没有诱发UNF714固氮基因转录(表6—6)。

图6—34 nifA操纵子结构图

表6—6 克氏肺炎杆蕾固氨酶活性与nGtl质粒的关系

2018_2019学年高考生物大一轮复习第六单元遗传的分子基础第19讲基因的表达学案

第19讲 基因的表达 [考纲要求] 1.遗传信息的转录和翻译(Ⅱ)。2.基因与性状的关系(Ⅱ)。 考点一 遗传信息的转录和翻译 1.RNA 的结构与分类 (1)基本单位:核糖核苷酸。 (2) 种类及功能???? ? 信使RNA (mRNA ):蛋白质合成的模板转运RNA (tRNA ):识别并转运氨基酸 核糖体RNA (rRNA ):核糖体的组成成分 (3)RNA 与DNA 的区别 技法提炼 DNA 和RNA 的区分 (1)DNA 和RNA 的判断 ①含有碱基T 或脱氧核糖?DNA ; ②含有碱基U 或核糖?RNA 。 (2)单链DNA 和双链DNA 的判断 ①若: ? ??? ?A =T ,G =C 且A +G =T +C ?双链DNA ; ②若:嘌呤数≠嘧啶数?单链DNA 。 (3)DNA 和RNA 合成的判断:用放射性同位素标记T 或U 可判断DNA 和RNA 的合成。若大量消耗T ,可推断正在发生DNA 的合成;若大量利用U ,可推断正在进行RNA 的合成。 2.转录 (1)场所:主要是细胞核,在叶绿体、线粒体中也能发生转录过程。

(2)条件????? 模板:DNA 的一条链原料:4种核糖核苷酸 能量:ATP 酶:RNA 聚合酶 (3)过程 (4)产物:信使RNA 、核糖体RNA 、转运RNA 。 3.翻译 (1)场所或装配机器:核糖体。 (2)条件????? 模板:mRNA 原料:氨基酸 能量:ATP 酶:多种酶搬运工具:tRNA (3)过程 (4)产物:多肽――→盘曲折叠 蛋白质 归纳整合 复制、转录和翻译的比较

1.判断下列有关RNA和DNA的叙述 (1)一个tRNA分子中只有三个碱基,可以携带多种氨基酸( ×) (2)rRNA是核糖体的组成成分,原核细胞中可由核仁参与合成( ×) (3)tRNA分子中的部分碱基两两配对形成氢键( √) (4)有些RNA可通过降低化学反应的活化能来提高反应速率( √) (5)若某核酸中,嘌呤占58%,嘧啶占42%,则该核酸一定不是双链DNA( √) (6)在翻译过程中,tRNA分子的—OH端与相应的氨基酸结合( √) 2.判断下列有关遗传信息、密码子和反密码子的叙述 (1)每种氨基酸仅由一种密码子编码( ×) (2)一个tRNA上的反密码子只能与mRNA上的一种密码子配对( √) (3)mRNA上所含有的密码子均能在tRNA上找到相对应的反密码子( ×) (4)如图表示蓝藻DNA上遗传信息、密码子、反密码子间的对应关系,则①是β链,完成此过程的场所是细胞核( ×) 3.判断有关复制、转录和翻译的相关叙述 (1)DNA复制就是基因表达的过程( ×) (2)转录和翻译过程都存在T-A、A-U、G-C的碱基配对方式( ×) (3)蛋白质合成旺盛的细胞中,DNA分子较多,转录成的mRNA分子也较多( ×) (4)细菌的一个基因转录时两条DNA链可同时作为模板,提高转录效率( ×) (5)细胞中的mRNA在核糖体上移动,指导蛋白质的合成( ×) (6)DNA复制和转录时,其模板都是DNA的一整条链( ×) 分析DNA转录和翻译过程

2017届_人教版_基因的表达_单元测试题

2017届人教版基因的表达单元测试题 (40分钟100分) 一、选择题(共10小题,每小题5分,共50分) 1.(2016·模拟)同一物种的两类细胞各产生一种分泌蛋白,组成这两种蛋白质的各种氨基酸含量相同,但排列顺序不同,其原因是参与这两种蛋白质合成的( ) A.tRNA种类不同 B.mRNA碱基序列不同 C.核糖体成分不同 D.同一密码子所决定的氨基酸不同 【解析】选B。同一物种的两类细胞遗传物质相同。各产生一种分泌蛋白,是基因选择性表达的结果,产生的mRNA不同。在两种蛋白质合成过程中,tRNA种类、核糖体成分、同一密码子所决定的氨基酸均相同。 2.美国科学家安德鲁·菲尔和克雷格·梅洛发现了RNA干扰现象,这是一个有关控制基因信息流程的关键机制。下列有关RNA的叙述中错误的是( ) A.有的RNA具有生物催化作用 B.tRNA、rRNA和mRNA都是基因转录的产物 C.mRNA上有多少个密码子就有多少个tRNA与之对应 D.分化后的不同形态的细胞中mRNA的种类和数量有所不同 【解析】选C。有的RNA是酶,具有生物催化作用;RNA(包括tRNA、rRNA和mRNA)是基因转录的产物;mRNA上的终止密码子没有与之对应的tRNA;细胞分化形成不同形态的细胞是基因选择性表达的结果,其中mRNA种类和数量有所不同。

3.(2014·高考)研究发现,人类免疫缺陷病毒(HIV)携带的RNA在宿主细胞不能直接作为合成蛋白质的模板。依据中心法则(下图),下列相关叙述错误的是( ) A.合成子代病毒蛋白质外壳的完整过程至少要经过④②③环节 B.侵染细胞时,病毒中的蛋白质不会进入宿主细胞 C.通过④形成的DNA可以整合到宿主细胞的染色体DNA上 D.科学家可以研发特异性抑制逆转录酶的药物来治疗艾滋病 【解题指南】(1)题干关键信息:人类免疫缺陷病毒(HIV)携带的RNA在宿主细胞不能直接作为合成蛋白质的模板。 (2)图示信息:②是转录,③是翻译,④是逆转录。 (3)关键知识:人类免疫缺陷病毒(HIV)寄生在人的T淋巴细胞中。 【解析】选B。本题考查中心法则的信息传递。人类免疫缺陷病毒(HIV)主要攻击人体的T淋巴细胞,在侵染过程中HIV整体进入T淋巴细胞,然后释放出RNA,故B选项是错误的。HIV属于逆转录病毒的一种,它的遗传物质RNA先经逆转录形成DNA,然后形成的DNA整合到患者细胞的基因组中,再通过病毒DNA的转录形成HIV的RNA,最后通过翻译,形成HIV的蛋白质,并组装成大量的子代HIV,由被感染的细胞裂解释放出来;根据题图中的中心法则可知病毒DNA是通过逆转录过程合成的,故可以研发抑制逆转录酶的药物来治疗艾滋病。故A、C、D 选项均正确。 4.(2016·模拟)一个转运RNA的一端三个碱基的排列顺序是GCU,那与之相配对

第六章 基因表达的调控教学内容

第六章基因表达 的调控

第六章基因表达的调控 基因表达调控(gene expression regulation)是指生物体通过特定蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达,或调节表达产物的多少以满足生物体自身需求以及适应环境变化的过程。 第一节基因表达调控的基本规律 (一)基因表达具有时空特异性 时间特异性(temporal specificity):某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生,又称阶段特异性(stage specificity), 空间特异性(special specificity):在个体生长全过程,各基因在不同的组织器官中的表达种类和表达水平都不同,又称组织特异性(tissue specificity)(二)诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的主要方式 管家基因(housekeeping gene):有些基因参与生命的全过程,因此必须在一个生物体的所有细胞中持续的表达这,这些基因称为管家基因。 管家基因主要维持细胞基本生存需要:如细胞基本构成蛋白,细胞基本代谢中的酶,DNA复制过程中必需的蛋白等。 常见的管家基因:微管蛋白基因、糖酵解酶系基因,核糖体蛋白基因,甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)和β-肌动蛋白(β-actin)。 组成性基因表达(constitutive expression):管家基因的表达只与启动子和RNA 聚合酶有关,基本上不受环境因素和其它因素的影响,这样的表达方式称为组成性基因表达。 ?可调控型表达:仅在特定细胞或特定条件下才表达,编码具有特殊功能的蛋白 产物的这类基因称为奢侈基因或可调控基因(regulated genes),如表皮的角蛋白基因、肌肉细胞的肌动蛋白基因、红细胞的血红蛋白基因等。这类基因的表达称为可调控型表达(regulated expression)。 ?可调控型表达分为诱导和阻遏。 ?在特定环境因素刺激下,相应的基因被激活,从而使基因的表达产物增加的过 程,称为诱导(induction) ,这类基因称为可诱导基因(inducible gene) 。?能够诱导基因表达的分子称为诱导剂。 ?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的过程称为 阻遏(repression),这类基因称为可阻遏基因(repressible gene) 。 ?能够阻遏基因表达的分子成为阻遏剂。 ?乳糖操纵子的调控机制即是典型的外环境因素诱导/阻遏基因表达的典型例子, 也是原核生物转录水平基因表达调控的代表例子。 ?乳糖操纵子的组成: ?结构基因lac Z、lac Y、lac A,分别编码β-半乳糖苷酶、通透酶、半乳糖 苷转乙酰基酶;共用1个启动子Plac ?操纵基因lac O,阻遏蛋白结合位点 ?阻遏蛋白基因lac I,具独立的启动子等调控序列,介导负性调节 ?分解代谢基因激活蛋白CAP结合位点,位于Plac的上游;CAP蛋白由位于远离操

人教版必修2 第4章 基因的表达(包含答案)

人教版必修2 第4章基因的表达 一、单选题 1.有关真核细胞DNA复制和转录这两种过程的叙述,错误的是( ) A.两种过程都可在细胞核中发生 B.两种过程都有酶参与反应 C.两种过程都以脱氧核糖核苷酸为原料 D.两种过程都以DNA为模板 2.白化病和黑尿病都是因酶缺陷引起的分子遗传病,前者不能由酪氨酸合成黑色素,后者不能将尿黑酸转变为乙酰乙酸,排出的尿液因含有尿黑酸,遇空气后氧化变黑。如图表示人体内与之相关的一系列生化过程,据图分析下列叙述不正确的是( ) A.白化病患者细胞内可能含有酶B B.控制酶D合成的基因发生突变会导致黑尿病 C.白化病和黑尿病说明基因是通过控制蛋白质结构直接控制生物体性状的 D.图中代谢过程可说明一个基因可影响多个性状,一个性状也可受多个基因控制 3.如图为真核生物细胞核内转录过程的示意图,下列说法正确的是() A.①链的碱基A与②链的碱基T互补配对 B.②是以4种核糖核苷酸为原料合成的 C.如果③表示酶分子,则它的名称是DNA聚合酶 D.转录完成后,②需通过两层生物膜才能与核糖体结合 4.下图表示喜马拉雅兔在受到低温作用后毛色的变化,这种变化最可能是() A.遗传对基因表达的作用 B.环境对基因表达的作用

C.同源染色体上基因的重排 D.环境引起基因突变 5.科学研究表明,细胞中核糖体通常不是单个执行功能,而是构成多聚核糖体(如图)。研究表明动物卵裂期细胞中的多聚核糖体明显增多。下列有关叙述错误的是() A.核糖体的主要功能是合成蛋白质 B.卵裂期细胞分裂旺盛,需要大量蛋白质 C.多聚核糖体的形成可以使细胞在单位时间内合成的肽链数量增加 D.多聚核糖体上的每个核糖体只能合成多肽链的一部分 6.中心法则是指( ) A.基因控制蛋白质合成的过程 B.遗传信息的转录和翻译的过程 C.碱基互补配对的过程 D.遗传信息的传递过程 7.下列关于中心法则的叙述中,不正确的是( ) A.它是指遗传信息在生物大分子间的传递过程 B.它首先由英国科学家克里克提出 C.遗传信息的传递方向不可能从RNA传向DNA D.遗传信息最终要传向蛋白质,使其表达 8.下图简要概括了真核细胞中基因指导蛋白质合成过程中相关物质间的关系。下列说法错误的是() A.图中①表示基因,主要位于染色体上

2020年高考一轮复习第6单元遗传的物质基础第20讲基因的表达课后作业(必修2)(生物 解析版)

一、选择题 1.(2018·吉林实验中学一模)关于遗传信息及其传递过程,下列叙述错误的是() A.同一细胞在不同时期的转录产物不完全相同 B.不同基因转录形成的mRNA上不同的密码子可能编码相同的氨基酸 C.多个核糖体参与同一条多肽链的合成可提高翻译效率 D.真核细胞的转录主要发生在细胞核内,翻译在细胞质中进行 答案 C 解析因为基因的选择性表达,同一细胞在不同时期,转录的产物可以不同,A正确;由于一种氨基酸可由多种密码子决定,所以不同的密码子可能编码同一种氨基酸,B正确;多个核糖体结合到同一条mRNA上,可先后翻译出相同的多条肽链,从而提高翻译效率,C错误;真核细胞中转录的主要场所是细胞核,翻译的场所只能是在细胞质中,D正确。 2.(2015·全国卷Ⅱ)端粒酶由RNA和蛋白质组成,该酶能结合到端粒上,以自身的RNA为模板合成端粒DNA的一条链。下列叙述正确的是() A.大肠杆菌拟核的DNA中含有端粒 B.端粒酶中的蛋白质为RNA聚合酶 C.正常人细胞的每条染色体两端都含有端粒DNA D.正常体细胞的端粒DNA随细胞分裂次数增加而变长 答案 C 解析端粒是每条染色体两端都有的一段特殊序列的DNA,原核生物不具有染色体,A错误,C正确;由题意可知,端粒酶以自身的RNA为模板合成DNA的一条链,故其中的蛋白质为逆转录酶,B错误;正常体细胞的端粒DNA序列在每次细胞分裂后会缩短一截,故正常体细胞的端粒DNA随着细胞分裂次数的增加而变短,D错误。 3.(2018·黑龙江大庆二模)以下甲、乙两图,表示某真核细胞中遗传信息传递的某些过程,下列叙述不正确的是() A.甲图所示过程进行的场所可以为细胞核 B.乙图所示过程不涉及碱基T与A的配对 C.乙图中②③④⑤最终形成的物质结构不会相同

第六章 基因表达的调控

第六章基因表达的调控 基因表达调控(gene expression regulation)是指生物体通过特定蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达,或调节表达产物的多少以满足生物体自身需求以及适应环境变化的过程。 第一节基因表达调控的基本规律 (一)基因表达具有时空特异性 时间特异性(temporal specificity):某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生,又称阶段特异性(stage specificity), 空间特异性(special specificity):在个体生长全过程,各基因在不同的组织器官中的表达种类和表达水平都不同,又称组织特异性(tissue specificity)(二)诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的主要方式 管家基因(housekeeping gene):有些基因参与生命的全过程,因此必须在一个生物体的所有细胞中持续的表达这,这些基因称为管家基因。 管家基因主要维持细胞基本生存需要:如细胞基本构成蛋白,细胞基本代谢中的酶,DNA复制过程中必需的蛋白等。 常见的管家基因:微管蛋白基因、糖酵解酶系基因,核糖体蛋白基因,甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)和β-肌动蛋白(β-actin)。 组成性基因表达(constitutive expression):管家基因的表达只与启动子和RNA 聚合酶有关,基本上不受环境因素和其它因素的影响,这样的表达方式称为组成性基因表达。 ?可调控型表达:仅在特定细胞或特定条件下才表达,编码具有特殊功能的蛋白产 物的这类基因称为奢侈基因或可调控基因(regulated genes),如表皮的角蛋白基因、肌肉细胞的肌动蛋白基因、红细胞的血红蛋白基因等。这类基因的表达称为可调控型表达(regulated expression)。 ?可调控型表达分为诱导和阻遏。 ?在特定环境因素刺激下,相应的基因被激活,从而使基因的表达产物增加的过程, 称为诱导(induction) ,这类基因称为可诱导基因(inducible gene) 。 ?能够诱导基因表达的分子称为诱导剂。 ?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的过程称为阻 遏(repression),这类基因称为可阻遏基因(repressible gene) 。 ?能够阻遏基因表达的分子成为阻遏剂。 ?乳糖操纵子的调控机制即是典型的外环境因素诱导/阻遏基因表达的典型例子, 也是原核生物转录水平基因表达调控的代表例子。 ?乳糖操纵子的组成: ?结构基因lac Z、lac Y、lac A,分别编码β-半乳糖苷酶、通透酶、半乳糖苷 转乙酰基酶;共用1个启动子Plac ?操纵基因lac O,阻遏蛋白结合位点 ?阻遏蛋白基因lac I,具独立的启动子等调控序列,介导负性调节 ?分解代谢基因激活蛋白CAP结合位点,位于Plac的上游;CAP蛋白由位于远离操纵

2020高考人教版生物总复习强化训练:第19讲 基因的表达+Word版含解析

第19讲基因的表达 测控导航表 知识点题号 1.遗传信息的转录和翻译1,2,3,4,5,6,7,13,14 2.中心法则和基因对性状的控制8,9,10,11,12 3.综合考查15 一、选择题 1.(2018·福建福州期末)下列关于真核细胞中转录和翻译的叙述,错误的是( C ) A.tRNA、rRNA和mRNA都从DNA转录而来 B.同一个mRNA可相继与多个核糖体结合 C.起始密码位于基因的前端,启动转录过程 D.tRNA分子中部分区域碱基互补配对形成氢键 解析:tRNA、rRNA和mRNA都从DNA转录而来;同一个mRNA可相继与多个核糖体结合,同时进行多条肽链的合成;起始密码位于mRNA上,位于基因的前端启动转录过程的是启动子;tRNA分子中部分区域碱基互补配对形成氢键。 2.(2017·浙江卷)下列关于生物体内遗传信息的传递与表达的叙述,正确的是( C ) A.每种氨基酸至少有两个以上的遗传密码 B.遗传密码由DNA传递到RNA,再由RNA决定蛋白质

C.一个DNA分子通过转录可形成许多个不同的RNA分子 D.RNA聚合酶与DNA分子结合只能使一个基因的DNA片段的双螺旋解开 解析:有些氨基酸由一种遗传密码决定,如甲硫氨酸;遗传密码在mRNA 上,DNA中无遗传密码;一个DNA分子上有很多个基因,所以可通过转录形成许多个不同的RNA分子;RNA聚合酶与DNA分子结合可使一个或几个基因的DNA片段双螺旋解开。 3.(2018·山东、湖北联考)下图是起始甲硫氨酸和相邻氨基酸形成肽键的示意图,下列叙述正确的是( C ) A.图中只含有tRNA和mRNA B.甲硫氨酸处于图中a的位置 C.tRNA含有氢键 D.该过程需要RNA聚合酶 解析:图中含有rRNA、tRNA和mRNA三种;核糖体移动方向为从左向右,因此左侧的b为tRNA携带的甲硫氨酸;tRNA的局部也会碱基互补配对形成氢键;RNA聚合酶为催化转录的一种酶,该过程为翻译,不需要RNA 聚合酶。 4.(2018·福建龙岩期末)如图为某生物细胞内蛋白质合成示意图,下列有关的分析正确的是( A )

2019届 人教版 基因的表达 单元测试 (1)

基因的表达单元测试 学校:___________姓名:___________班级:___________考号:___________ 注意事项: 1.答题前填写好自己的姓名、班级、考号等信息 2.请将答案正确填写在答题卡上 一、单选题 1.下列有关遗传信息的翻译的叙述,不正确的是 A. 翻译过程是在细胞质中进行的,其场所在核糖体 B. 翻译过程以mRNA为模板,以各种氨基酸为原料 C. 一种氨基酸可能有多个密码子,体现了遗传密码的简并性 D. 翻译过程需要tRNA的转运,一种tRNA可转运一种或几种氨基酸 【答案】D 【解析】试题分析:翻译过程是以mRNA为模板合成蛋白质的过程,场所是核糖体,故A正确;氨基酸为蛋白质的基本组成单位,故B正确;一种氨基酸对应一种或多种密码子,这属于密码子的简并性,故C正确;翻译过程的运输工具为tRNA,一种tRNA只能转运一种氨基酸,故D错误。 考点:本题考查基因控制蛋白质的合成的有关知识,意在考查考生理解所学知识的要点,把握知识间的内在联系的能力。 2.下图表示中心法则中部分遗传信息的流动方向示意图,有关说法正确的是 A. 图1过程①、③、⑤一般发生于烟草花叶病毒的体内 B. 图1过程①?⑤不可能同时发生于同一个细胞内 C. 图2过程需要DNA连接酶参与,复制起点A先于B复制 D. 图2、3过程均可能发生在真核细胞内,均具有双向复制的特点 【答案】D 【解析】试题分析:A.图1中①是逆转录、②⑤是转录、③是DNA复制、④是翻译。烟草花叶病毒的遗传物质是RNA,但是其RNA不能逆转录,只能进行RNA自我复制和翻译,A错误;B.图1可表示逆转录病毒在宿主细胞内发生的过程,B错误;C.图2表示DNA的复制是多起点进行,即A和B是不同的起点,经过A和B处复制后,形成的两段DNA需要DNA连接酶连接。由图可知,B所复制的DNA长度比A的长,故B 先于A复制,C错误;D.图2是线状DNA的复制,图3是环状DNA的复制,图2和图3过程可能发生在真核细胞中,如酵母菌。由图中箭头可知,图2和图3均具有双向复制的特点,D正确。 考点:本题考查中心法则和DNA复制的相关知识,意在考查考生分析图片信息解决问题的能力。 3.下列关于tRNA的叙述,正确的是() A.在转录和翻译过程中发挥作用 B.能识别mRNA上的密码子 C.每种tRNA能识别并转运多种氨基酸

基因的表达课堂实录20

《基因的表达》课堂实录 一、组织教学:(师生互相问好) 二、教学实施过程: 师:为了大家略微小紧张的心情,咱们先来轻松下,想问在我国古代谁说话最有权威? 生:皇帝 师:那现在如果皇帝想让一个工厂加工一批上等的产品,需要怎么办?用不用自己亲自去找相关负责人呢? 生:不用,有圣旨,然后让太监或者大臣送去 师:听起来还挺麻烦的,现在我如果把细胞比作一个国家,你们觉得谁更像皇帝? 生1:我觉得是细胞核,因为他是遗传和代谢的控制中心 生2:我觉得DNA更像皇帝,而细胞核更像皇宫,因为细胞核之所以是控制中心,也是因为它里面有DNA。 师:大家是不是也更赞同他的观点?如果这样我们就来回顾历史一样来看看DNA具备什么样的结构和功能才具有这样的资格呢? 生:回答略(学生上讲台展示整理相关知识点的成果并介绍) 师:既然DNA能够决定性状,咱们就一起来看一下通过什么样的方式决定的。 生:通过mRNA和tRNA来实现的。 师:这样说,就有点片面了,那基因的功能是什么? 学生:基因指导蛋白质的合成。

师:好,现在想想如何完成遗传信息的传递?通过什么媒介来完成呢? 生:通过RNA来实现。 (学生上讲台展示整理的知识点) 师:现在媒介找到,接下来我们就来看下具体遗传信息的传递过程生:回答略(学生上讲台展示整理的知识点并阐述相关过程) 师:和其他学生共同提出错误的地方并纠正。然后引出转录的概念并继续下一个过程 生:学生活动略(学生分小组在下面演示翻译的过程) 师:流动检查,碰到个别疑难问题重点提示 师:好,下面咱们请一组同上台演示并讲解下这个过程学 生:学生活动略小组同学互相配合完成演示过程 师:进行纠正和重点提示 (教师领起,学生统一回答。) 师:这是翻译过程,像这样遗传信息可以从DNA流向DNA ,可以从DNA流向RNA进而流向蛋白质,也就是我们所说的中心法则。这是完整的中心法则么? 生:不是,RNA还可以进行自我复制,而且一些RNA病毒还可以在宿主细胞中进行逆转录过程。 师:好,科学家偶尔还发现一些蛋白质由于错误折叠而影响了其他相同的蛋白质也错误折叠了,类似于蛋白质的复制,但尚未明确具体的原因,需要在座的你们去完成,这也意味着科学探索永无止境,需要

第十三章-基因表达的调控讲课教案

第十三章基因表达的调控 一、基因表达调控基本概念与原理: 1.基因表达的概念:基因表达(gene expression)就是指在一定调节因素的作用下,DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA,或由此引起特异性蛋白质合成的过程。 2.基因表达的时间性及空间性: ⑴时间特异性: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。故又称为阶段特异性。 ⑵空间特异性: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。故又称为细胞特异性或组织特异性。 3.基因表达的方式: ⑴组成性表达: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,且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。 ⑵诱导和阻遏表达:诱导表达(induction)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。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达(repression)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。这类基因称为可阻遏基因。 4.基因表达的生物学意义:①适应环境、维持生长和增殖。②维持个体发育与分化。 5.基因表达调控的基本原理: ⑴基因表达的多级调控:基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段,因此基因表达的调控可分为转录水平(基因激活及转录起始),转录后水平(加工及转运),翻译水平及翻译后水平,但以转录水平的基因表达调控最重要。 ⑵基因转录激活调节基本要素:①顺式作用元件:顺式作用元件(cis-acting element)又称分子内作用元件,指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。②反式作用因子:反式作用因子(trans-acting factor)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。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用,才能够达到对特定基因进行调控的目的。③顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用:大多数调节蛋白在与DNA结合之前,需先通过蛋白质-蛋白质相互作用,形成二聚体或多聚体,然后再通过识别特定的顺式作用元件,而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。 二、操纵子的结构与功能: 在原核生物中,若干结构基因可串联在一起,其表达受到同一调控系统的调控,这种基因的组

2021届高三生物复习学案-第20讲-基因的表达-含解析

第20讲基因的表达 [考纲展示] [核心素养] 1.遗传信息的转录和翻译(Ⅱ)。 2.基因与性状的关系(Ⅱ )。 1.生命观念——结构与功能:结合 DNA双螺旋结构模型,阐明DNA分 子转录、翻译等过程。 2.科学思维——通过掌握遗传信息传 递过程中碱基数目、氨基酸数目等数 量关系,提升分析与计算能力。 3.科学探究——通过模拟中心法则各 过程实验,提升对实验结果的分析能 力。 [考情统计] 2018·全国卷Ⅰ(2);2018·全国卷Ⅲ(30); 2017·全国卷Ⅱ(2);2017·全国卷Ⅲ(1); 2016·全国卷Ⅱ(2) ‖基础梳理‖ 一、RNA的组成、结构与种类 1.完善RNA的结构与功能概念图 2.比较RNA与DNA的区别

二、遗传信息的转录和翻译 1.转录 (1) 场所:主要是17细胞核,在 18叶绿体、19线粒体中也能发生转录过程。 (2)条件?????模板:20DNA 的一条链 原料:214种核糖核苷酸能量:A TP 酶:22RNA 聚合酶 (3)过程 (4)产物:24信使RNA 、核糖体RNA 、转运RNA 。 2.翻译 (1)场所或装配机器:25核糖体。 (2)条件???? ?模板:mRNA 原料:26氨基酸能量:A TP 酶:多种酶搬运工具:27tRNA (3)过程 (4)产物:多肽――→盘曲折叠 蛋白质。

3.密码子与反密码子 项目密码子反密码子 位置34mRNA 35tRNA 作用直接决定蛋白质中36氨基酸的序列识别37密码子,转运38氨基酸 特点与39DNA模板链上的碱基互补与40mRNA中的密码子碱基互补 ‖基础小练‖ 1.判断正误 (1)一个tRNA分子中只有三个碱基,可以携带多种氨基酸。(×) (2)一个tRNA上的反密码子只能与mRNA上的一种密码子配对。(√) (3)mRNA上所含有的密码子均能在tRNA上找到相对应的反密码子。(×) (4)DNA复制就是基因表达的过程。(×) (5)转录和翻译过程都存在T—A、A—U、G—C的碱基配对方式。(×) (6)细胞中的mRNA在核糖体上移动,指导蛋白质的合成。(×) (7)基因与性状之间是一一对应的关系。(×) 2.教材拓展 (1)组成蛋白质的20种氨基酸应对应多少种密码子?由此推知一种氨基酸可能对应多个密码子,这对生物体的生存发展有何意义? 提示:组成蛋白质的20种氨基酸对应61种密码子。①增强容错性:当密码子中有一个碱基改变时,由于密码子的简并性,可能并不会改变其对应的氨基酸,因而有利于蛋白质或性状的稳定。 ②保证翻译速度:当某种氨基酸使用频率高时,几种不同的密码子都编码一种氨基酸可以保证翻译的速度。 (2)起始密码子AUG决定甲硫氨酸,为什么蛋白质的第一个氨基酸往往不是甲硫氨酸?翻译过程中,核糖体是如何使肽链延伸的?从核糖体上脱落下来的是有特定功能的成熟蛋白质吗? 提示:翻译生成的多肽链往往需进行加工修饰,甲硫氨酸在此过程中会被剪切掉。

第六章 基因表达调控

第六章基因表达调控 Regulation of Gene Expression 生物体的代谢调节尽管有不同的途径和水平,但最根本的还是基因的表达调控。基因表达即遗传信息的转录和翻译过程。 生物体在生命周期中,基因组的各个基因表达随生长发育有先后,并受内外环境的影响和诱导。 第一节基因表达调控基本概念与原理 一、基因表达的概念 ●基因表达(gene expression)就是指在一定调节因素的作用下,DNA分子上特定的基因 被激活并转录生成特定的RNA,或由此引起特异性蛋白质合成的过程。 ●人类基因组DNA中约含3.5万个基因,但在某一特定时期,只有少数的基因处于转录 激活状态,其余大多数基因则处于静息状态。一般来说,在大部分情况下,处于转录激活状态的基因仅占5%。 ●通过基因表达以合成特异性蛋白质,从而赋予细胞以特定的生理功能或形态,以适应内 外环境的改变。 二、基因表达的时间性及空间性 (一)时间特异性: ●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。故又称为阶段特异性。 二)空间特异性: ●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。故又称为细胞特异性或组织特异性。 三、基因表达的方式 (一)组成性表达: ●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,且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。(二)诱导和阻遏表达: ●诱导表达(induction)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。这类基因称为可诱导基因。 ●阻遏表达(repression)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。这类基因称为可阻遏基因。 四、基因表达的生物学意义 一)适应环境、维持生长和增殖。 (二)维持个体发育与分化。 五、基因表达调控的基本原理

高二生物基因的表达人教版知识精讲

高二生物基因的表达人教版 【同步教育信息】 一. 本周学习内容: 基因的表达 二. 本周学习重点与难点: (一)学习重点: 1. 基因与遗传信息的关系 2. 基因控制蛋白质的合成 (二)学习难点: 1. 基因与遗传信息的关系 2. 中心法则与逆转录 三. 学习内容及疑难解析: 基因的表达 (一)基因: 1. 基因的发现: (1)基因概念的提出:19世纪60年代,遗传学的奠基人孟德尔运用逻辑推理的方法 首先提出了遗传因子的概念,即我们今天所说的基因。孟德尔认为: ①生物的性状是由遗传因子控制的。 ②遗传因子在体细胞成对存在。 ③配子中只有这一对遗传因子中的一个。 ④雌、雄配子结合后,遗传因子恢复成对。 (2)基因与染色体的关系:20世纪初科学家们逐渐发现了基因与染色体的关系。 ①基因存在于染色体上,染色体是基因的载体。 ②基因是染色体上的遗传单位。 ③基因在染色体上呈直线排列。 (3)基因的化学本质:直到20世纪50年代,沃森和克里克提出DNA的分子结构以后,人们才彻底揭示出基因的化学本质。 ①基因是有遗传效应的DNA片断。 ②基因是由脱氧核糖核苷酸构成的反向平行的双螺旋双链结构。 ③遗传信息来自基因中碱基对的排列顺序。 2. 基因的概念: 基因是决定生物性状的基本单位,是有遗传效应的DNA片断。 在这里请同学们注意: 生物的DNA中还有大部分的片断没有直接的遗传效应,但它们对生物基因的表达具有调节作用。 (二)基因的表达:基因的表达是通过基因控制蛋白质的合成实现的。 通过DNA分子的复制,亲代成功地将自己的遗传信息传递给了下一代;通过基因控制蛋白质的合成,遗传信息又被进一步反映到蛋白质的分子结构上,从而实现基因的表达。 1. 基因控制蛋白质的合成:

【导与练】2015届高三生物一轮复习学案:第20讲 基因的表达

学案20 基因的表达 课前预习案 【预习目标】 1.熟练掌握转录和翻译的过程,弄清与DNA复制之间的关系 2.理解中心法则及其发展,弄清基因、蛋白质与性状的关系 【基础知识回顾】 一、RNA的化学组成及分类 1.RNA碱基: 2.RNA的结构:一般是链,而且比DNA ,因此能够通过,从细胞核转移到细胞质中。 [思考]RNA通过核孔由细胞核进入细胞质,穿过层磷脂分子层 3.RNA的分布:主要分布在中,可以用进行染色观察。 4.RNA的种类: (1)mRN A→将遗传信息从传递到细胞质中 (2)tRNA→,识别密码子 (3)rRNA→的组成成分 二、遗传信息的转录 1.转录的概念:在中,以为模板合成mRNA的过程 2.转录的过程: (1)解旋:DNA双链解开,DNA双链的碱基得以暴露。 (2)配对:细胞中游离的与DNA链上的碱基互补时,两者以结合。 (3)连接:在作用下,游离的核糖核苷酸连接到正在合成的mRNA上。 (4)脱离:合成的从DNA链上释放,DNA 恢复。

①转录的时间是细胞分裂的期,个体发育的整个过程,场所是。 ②转录所需要的条件、、、。 ③转录的特点是,转录完成后DNA恢复为双链结构。 ④转录成的mRNA碱基序列与作为模板的DNA单链的碱基序列有哪些异同? [练习1]对于右图的说法,不正确的是() ①表示DNA复制过程②一定需要逆转录酶 ③共有5种碱基④共有6种核苷酸 ⑤遵循碱基互补配对原则⑥A均代表同一种核苷酸 A、①②③ B、④⑤⑥ C、①②⑥ D、③⑤⑥ [练习2]DNA分子复制与遗传信息转录的相同之处是() A. 利用的模板都相同 B.利用的原料都相同 C.所利用的酶都相同 D.都遵循碱基互补配对原则 三、遗传信息的翻译 1.翻译的概念:游离在中的各种氨基酸,以为模板合成具有 一定顺序的蛋白质的过程。 2.密码子: (1)位置:在上 (2)实质:决定一个氨基酸的三个相邻。 (3)种类:种,其中终止密码子个,起始密码子个,能决定氨基酸的是 。 3.tRNA (1)种类:种 (2)结构:三叶草形,一端是携带的部位,另一端有3个碱基可以与mRNA上的密码子,叫。 (3)tRNA与氨基酸的关系:一个tRNA一次只能转运个氨基酸,一种tRNA只能识别并转运种氨基酸,一种氨基酸可以由种tRNA来转运。

高考生物一轮复习第六单元遗传的分子基础第19讲基因的表达练习案新人教版

第六单元第19讲基因的表达 1.下列关于DNA和RNA特点的比较,正确的是( ) A.在细胞内存在的主要部位相同 B.构成的五碳糖不同 C.核苷酸之间的连接方式不同 D.构成的碱基相同 解析:B [DNA主要存在于细胞核中,RNA主要存在于细胞质中;二者的核苷酸的连接方式相同,都是靠磷酸二酯键连接;构成DNA和RNA的碱基不完全相同。] 2.下图表示某生物细胞内发生的一系列生理变化,X表示某种酶,请据图分析,下面有关叙述不正确的是( ) A.X为RNA聚合酶 B.该图中最多含5种碱基、8种核苷酸 C.过程Ⅰ在细胞核内进行,过程Ⅱ在细胞质内进行 D.b部位发生的碱基配对方式可有T-A、A-U、C-G、G-C 解析:C [由图可知,过程Ⅰ表示转录,X表示RNA聚合酶;该图中最多含A、T、C、G、U 5种碱基,DNA和RNA共含8种核苷酸;过程Ⅰ表示转录,过程Ⅱ表示翻译,过程Ⅰ和Ⅱ能同时进行,说明是在原核细胞中进行的;b部位发生的碱基配对方式可有T-A、A-U、C-G、G-C。] 3.下面的概念图表示了基因表达过程中相关物质间的关系。则下列有关说法不正确的是( )

A.①、④分别表示基因、tRNA B.②过程中的碱基配对方式有A—U、T—A、G—C、C—G C.③过程需要tRNA将氨基酸运输到核糖体 D.可以根据蛋白质中氨基酸的排列顺序唯一确定基因中碱基的排列顺序 解析:D [由于密码子具“简并性”即一个氨基酸可能对应多种密码子,故根据蛋白质中氨基酸序列所推测出的基因中脱氧核苷酸序列并不是“唯一”的。] 4.(2018·山东临沂期中检测)下列不能提高翻译效率的是( ) A.多个核糖体参与一条多肽链的合成 B.一条mRNA上结合多个核糖体 C.一种氨基酸可能对应多种密码子 D.一个细胞中有多条相同的mRNA 解析:A [翻译过程中一般不会出现多个核糖体参与一条肽链的合成状况,倘若存在该状况,只会降低翻译效率。] 5.甲图表示的是遗传信息的模拟实验(X为模板),乙图表示的是基因表达的某一过程。下列相关叙述中。正确的是( )

2020版高考生物复习第6单元遗传的物质基础第20讲基因的表达课后作业

基因的表达 一、选择题 1.(2018·吉林实验中学一模)关于遗传信息及其传递过程,下列叙述错误的是( ) A.同一细胞在不同时期的转录产物不完全相同 B.不同基因转录形成的mRNA上不同的密码子可能编码相同的氨基酸 C.多个核糖体参与同一条多肽链的合成可提高翻译效率 D.真核细胞的转录主要发生在细胞核内,翻译在细胞质中进行 答案 C 解析因为基因的选择性表达,同一细胞在不同时期,转录的产物可以不同,A正确;由于一种氨基酸可由多种密码子决定,所以不同的密码子可能编码同一种氨基酸,B正确;多个核糖体结合到同一条mRNA上,可先后翻译出相同的多条肽链,从而提高翻译效率,C 错误;真核细胞中转录的主要场所是细胞核,翻译的场所只能是在细胞质中,D正确。 2.(2015·全国卷Ⅱ)端粒酶由RNA和蛋白质组成,该酶能结合到端粒上,以自身的RNA 为模板合成端粒DNA的一条链。下列叙述正确的是( ) A.大肠杆菌拟核的DNA中含有端粒 B.端粒酶中的蛋白质为RNA聚合酶 C.正常人细胞的每条染色体两端都含有端粒DNA D.正常体细胞的端粒DNA随细胞分裂次数增加而变长 答案 C 解析端粒是每条染色体两端都有的一段特殊序列的DNA,原核生物不具有染色体,A 错误,C正确;由题意可知,端粒酶以自身的RNA为模板合成DNA的一条链,故其中的蛋白质为逆转录酶,B错误;正常体细胞的端粒DNA序列在每次细胞分裂后会缩短一截,故正常体细胞的端粒DNA随着细胞分裂次数的增加而变短,D错误。 3.(2018·黑龙江大庆二模)以下甲、乙两图,表示某真核细胞中遗传信息传递的某些过程,下列叙述不正确的是( ) A.甲图所示过程进行的场所可以为细胞核 B.乙图所示过程不涉及碱基T与A的配对 C.乙图中②③④⑤最终形成的物质结构不会相同 D.SARS病毒不能独立完成甲乙两图所示生命过程 答案 C

基因的表达及调控

基因的表达及调控 1基因(gene):是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位,是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。一个基因不仅仅包括编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列,还包括保证转录所必需的调控序列及位于编码区5’端上游的非编码序列,内含子和位于编码区3’端下游的非编码序列。 2基因组(genome):泛指一个细胞或病毒的全部遗传信息。在真核生物体中,基因组是指一套完整单倍体DNA和线粒体DNA的全部序列,既包括编码序列,也包括非编码序列。3基因表达(gene expression):是指原核生物和真核生物基因组中特定的结构基因所携带的遗传信息,经过转录、翻译等一系列过程,合成具有特定的生物学功能的各种蛋白质,表现出特定的生物学效应的全过程。 4基因表达的调控:在同一机体的各种细胞中虽然含有相同的遗传信息即相同的结构基因,但并非它们都在所有细胞中同时表达,而必须根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态,选择性、程序性地表达特定数量的特定基因,这就是基因表达的调控。5管家基因:有些基因产物对生命全过程都是必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达,通常称为管家基因。管家基因的表达水平受环境因素影响很小,而是在个体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中持续表达,或变化很小。这类基因表达称为基本(或组成性)基因表达。 6转录:以DNA一条链为模板,以四种NTP为原料,在RNA聚合酶作用下,按照碱基互补原则(A-U,T-A,G-C)合成RNA链的过程。 7不对称转录:转录时因为①DNA分子双链一股链用作模板指引转录,另一股链不转录。 ②模板链并非总是在同一条链上。故称为不对称转录。 8诱导:可诱导基因在一定环境中表达增强的过程称为诱导。 阻遏:可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。 9基因表达的时间特异性: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,称为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。又称阶段特异性。 10基因表达的空间特异性:在个体生长全过程,某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异,称为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异,实际上是由细胞在器官的分布决定的,所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。 一、原核生物基因的表达及调控 1顺反子(Cistron):由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。 2多顺反子(polycistron): 原核生物具有操纵子结构,几个结构基因转录在一条mRNA链上,因而转录物为多顺反子。每个顺反子分别翻译出各自的蛋白质。 3单顺反子(monocistron):真核生物的一个结构基因与相应的调控区组成一个表达单位,转录物为一个单顺反子。从一条mRNA只能翻译出一条多肽链。 4操纵子(operon):原核生物的结构基因与调控序列以操纵子的形式存在。数个功能上相关联的结构基因串联在一起,构成信息区,连同其上游的调控区(包括启动子和操纵序列)和下游的转录终止信号所构成的基因表达单位,所转录的RNA为多顺反子。 5 SD序列:又称核蛋白体结合位点(RBS)。在起始密码AUG上游8~13个碱基处有一段富含嘌呤的序列,其一致序列(consensus sequence)为AGGAGG,称为SD序列(Shine-Dalgarno sequence)。此处能与核糖体30S亚基中16S rRNA 3’端富含嘧啶的序列互补配对结合,与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。 ㈠原核生物基因表达 1 RNA聚合酶全酶结合启动子并起始转录

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