2019-2020年高二生物基因表达的调控 人教版.doc

2019-2020年高二生物基因表达的调控 人教版教案示例第三节 基因表达的调控教学模式：小组讨论探究学习教学手段：实物投影仪课时安排：一课时教学过程：引言巴黎巴斯德研究所的Jacquse Monod和Francois Jacob发现大肠杆菌（E.coli）在不含乳糖只含葡萄糖的培养基中不分泌半乳糖苷酶，在只含乳糖的培养基中才能分泌半乳糖苷酶，能把乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。经多次反复实验发现，大肠杆菌在没有乳糖的环境中不产生编码半乳糖苷酶的mRNA，因而不合成半乳糖苷酶，这一调节机制是发生在转录这一环节上的。他们终于在19601961年提出了乳糖操纵子模型（lacoperon model），开创了基因表达机制研究的新领域。这一模型很好地说明了原核生物基因表达的调节机制，是生物学领域中一个划时代的突破。为此，他们于1965年获得了诺贝尔生理学和医学奖。新课教师指导学生活动提供以下英文材料。学生可以翻阅课本，以英文阅读理解的方式学习乳糖操纵子的工作原理，可以结合成四人学习小组，进行讨论；教师将教材中乳糖操纵子的结构图用实物投影仪投射在大屏幕上，由学生翻译各结构名称，可以用英文和中文阐述乳糖操纵子是如何调空半乳糖苷酶的表达的。材料一(material one)：Organization of bacterial genesAn important feature which determines how gens transcription is regulated in bacteria is the organization of the genes as operonsThese are transcriptional units in which several genes,usually encoding proteins with related functions,are regulated togetherOther genes also occur which encode regulatory proteins that control gene expression in operonsMany different operons have been identified in E.coliMost contain genes that encode proteins involved in the biosynthesis of amino acids or the metabolism(新陈代谢) of nutrients(营养物质)Operons are classified as inducible(诱导的)or repressible(抑制的)Inducible operons contain genes that encode enzymes involved in metabolic pathwaysExpression of the genes is controlled by a substrate(底物) of the pathway An example of an inducible operon is the lacoperon which encodes enzymes required for the metabolism of lactose Repressible operons contain genes that encode enzymes involved in biosynthetic pathways and gene expression is controlled by the end product of the pathway which may repress expression of the operon or control it by an alternative mechanism called attenuationAn example of a repressible operon is the trp operon which encodes enzymes involved in the biosynthesis of tryptophan(色氨酸)材料二(material two)： Regulation of gene expressionFor a bacterium to function it is not necessary that all of its genes are transcribed at all timesTo conserve(保存)energy and resources(资源)bacteria regulate the activity of their genes so that only Those gene products necessary for the cells functions are producedFor example,it would be wasteful for a bacterium to produce enzyrnes required to synthesize an amino acid that was already available(可获得的)to it from its environmentRegulation of gene expression allows bacteria to respond to changes in their environment,typically(典型地)to the presence or absence of Nutrients(营养物质)材料三(material three)：The lac operonthis operon contains three genes encoding enzymes required by the Ecoli bacterium for the utilization(利用)of the disaccharide(二糖)sugar lactose These are lactose permease(半乳糖苷透性酶),which transports lactose into the cell,-galactosidase(-半乳糖苷酶)which hydrolyzes lactose into its ponent sugars (glucose and galactose)and -galactosidasetransacetylase(-半乳糖苷乙酰)which is also involved in the hydrolysis of lactosedThese enzymes are normally present in Ecoli at very low levels but in the presence Of lactose their levels rise rapidlyThe three genes in the lac operon are knownAs lac Z,Y and A,and encode -galactosidase,lactose permease and-galactosideTransacetylase,respectively(分别地)The genes are sequential and are transcribed as a single mRNA from a single pronoterAnother regulatory gene,lac I,which is Expressed separately,lies upstream of the operon and encodes a protein called the lac repressor which regulates the expression of the lac Z,Y and A genesIn the absence of lactose the lac repressor binds to a DNA sequence called the operator positioned between the lac promoter and the beginning of the lac Z gene When bound to the operator,the lac repressor blocks the path of the RNA polymerase bound to the lac Promoter upstream of it and prevents transcription of the lac geneswhen the cell encounters(遇到)lactose a few molecules of the lac enzymes present in the cell allow lactose to be taken up and metabolized(新陈代谢)Allolactose,an isomer(异构体)of lactose produced as an intermediate(中间物)during the metabolism of lactose,act As an inducerIt binds to the lastose repressor and changes its conformation ,Such that it can no longer bind to the operator The path of the RNA polymerase is no longer blocked and the operon is transcribedLarge numbers of enzyme molecuules are produced which take up loctose and metabolize itThe presence of lactose thus induces the expression of the enzymes needed to metabolize it When the lactose is used up lacrepressor retures to its original conformation and again,binds thelac opeator preventing transcription and switching off the operon材料四（material four）：Gene expression in eukaryotic cellThe human genome is estimated to contain as many as 100 000 genes which are subject to plex patterns of regulation that are,as yet,inplete understoodIn eukaryotic cells not all of the genes present in the genome are activeCells express about 15% of their genes;the rest remain inactiveIn multicellular(多细胞的)organisms the genes that are active vary between cell types。The genes that are active in a particular cell type may be very different from those in another type of cellThe active genes determine which proteins and enzymes are present in a cell and are responsible for determining the characteristics of the cell and its role in the organism For example,in lymphocytes(淋巴细胞)which produce antibodies to fight infection(传染)the genes that encode the polypeptides that make up the antibodies are expressed at a high level The pattern of genes expressed can change during the lifetime of a cellFor example,blood cells develop by differentiates from primitive progenitor cells(造血干细胞)The changes that occur in,the cells characteristics as it differentiates are a result of changes in the pattern of gene expressionUnderstanding how gene expression is regulated is important for understanding diseases such as cancer in which abnormal expression of genes leads to uncontrolled cell division and formation of a tumor（肿瘤）材料五(material five)：RNA synthesisInitation of transcriptionMost promoter sites for RNA polymerase include a sequence located upstream of the coding sequenceElongation and terminationElongation of the RNA chain continues until termination occursUnlike RNA polymerase in prokaryotes,RNA polymerase does not terminate transcription at specific sites but rather transcription stops at varying distances downstream of the geneThe RNA molecule made from a protein-coding gene by RNA polmerase is called a primary transcriptUnlike the situation in prokaryotes,the primary transcript from a eukaryotic protein-coding gene needs extensive RNA processing in order to create mRNA ready for translation;this involves RNA splicing etcRNA splicingThe next step in RNA processing is cutting of intron sequences and joining the ends of neighboring exons to produce a functional mRNA molecule,a process called RNA splicing学生活动完成教师制订的学习目标：请学生用英文注释书上的“乳糖代谢基因表达调空图解”。（详见“板书设计”）完成下列单词表：基因表达调空乳糖 代谢 操纵子 葡萄糖 半乳糖 半乳糖苷酶 诱导 原核生物 真核生物 初级转录产物 剪切 拼接 写出glactosidase的作用： 用中文和英文表述操纵子的调节机制，明确：操纵子是原核生物的基因在转录水平上进行调空的一个功能单位。包括启动子（promoter）、操纵基因（operator，叫操作子更好）（见“教参”）、结构基因（structual gene）和调节基因（regulator gene）。（注：很多教材中不认为操纵子包括基因调节，但我们课本中既然这样写就权且按课本处理。）调节基因可以编码阻抑物蛋白，在环境中无乳糖存在时，阻抑物蛋白与操纵基因结合，使RNA聚合酶不能与启动子结合，而不能转录结构基因，故而不能合成半乳糖苷酶。表明细胞非常经济地利用有限的物质与能量。当环境中有乳糖存在时，乳糖作为诱导物与阻抑物蛋白结合，改变了阻抑物蛋白的构象，使之失去与操纵基因结合的能力，于是RNA聚合酶可以与启动子上的RNA聚合酶结合位点结合，开始转录过程，继而合成与乳糖代谢有关的三种酶。理解真核生物基因表达的调空更加复杂。既有转录水平调空，也有细胞水平、转录后水平及个体发育水平的调空问题（明确操纵子只适用于原核生物，真核生物转录水平的调空不叫操纵子。）（详见“板书设计”）要点提示：1虽然生物的每个细胞中都有一整套基因，但是这些基因并不是同时都在表达。单细胞的细菌，也能够根据情况的变化，开启和关闭某些基因，以迅速合成它需要的蛋白质，停止合成它不需要的蛋白质，从而体现出对环境的适应。2强调基因的概念是有遗传效应的DNA片段。对遗传效应的理解应是能够编码蛋白质，或者能够转录为rRNA(核糖体) 、tRNA（转运RNA）。因此虽然Operator译为操纵基因，但它不能转录为任何RNA，因此不应该叫做基因，有的书中叫操作子，比较合适。3调节基因能够编码阻抑物蛋白，它也有自己的调控序列。 4帮助学生理清乳糖操纵子的结构及其作用：即调节基因和结够基因可转录并编码蛋白质；而启动子上有RNA聚合酶的结合位点，RNA聚合酶识别此位点并与之结合；操纵基因则可以与阻抑物结合而阻止RNA聚合酶与启子的结合，从而阻止转录的进行；乳糖等诱导物可以与阻抑物蛋白结合使之构象改变，失去与操纵基因结合的能力，从而开始转录过程。操纵基因是门，阻抑物蛋白是锁，乳糖等诱导物是钥匙。5真核生物基因表达的调控比原核生物复杂得多，主要表现在也有调控序列，能调控结构基因的转录（转录水平的调控）；并要对初级转录产物即前体RNA进行剪贴（切去内含子转录的序列）、拼接（将外显子转录的序列连接起来）等复杂的加工（转录后调控）；转录和翻译过程的 时空差别（细胞水平的调控）；不同细胞的选择性（个体发育水平的调控）。基因表达的调控一、原核生物基因表达的调控（Control of gene transcription in prokaryotes）乳糖操纵子（The lac operon）二、真核生物基因表达的调控（Control of gene transcription in eukaryotes）1、转录过程受到很多因素的调控2、前体RNA加工：剪切与拼接、转移3、转录和翻译存在时空上的差异4、基因的选择性表达教案点评：对于这个内容，教材中的表述比较清晰，学生阅读后基本上能够理解，只是需要教师引导学生利用模式图，并用语言讲清乳糖操纵子的作用机制。引用大学课本中的有关英文资料，可以促使学生认真看书。由于资料中很多是生物专业词汇，一般的英汉字典查不到，因此要完成教师制定的学习目标，必须仔细看中文材料，这样中英对比，学生会认识很多生物专业词汇，提高生物学与英语学习的兴趣与效率，而且学生也体会到丰富的各学科知识极有利于英语的阅读水平提高。对于教师而言，也试图用这种方式尝试进行双语教学。扩展资料基因表达调控的现象和概念一、基因表达调控是生命的必需基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，即使极简单的生物(如最简单的病毒)，其基因组所含的全部基因也不是以同样的强度同时表达的。大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。哺乳类基因组更复杂，人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。生物个体的各种组织细胞一般都有相同的染色体数目，每个细胞含的DNA量基本相近。最初经典的遗传学认为只有生殖细胞能够繁衍后代，随着科学的发展，能将植物的一些体细胞(如叶细胞)培育成为完整的植株，成年山羊的乳腺细胞在适当的条件下也能分化发育成山羊个体(克隆羊)，表明这些体细胞也像生殖细胞一样含有个体发育、生存和繁殖的全部遗传信息。但这些遗传信息的表达是受到严格调控的，通常各组织细胞只合成其自身结构和功能所需要的蛋白质。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性(tissue specificity)。例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)为肝脏所特有；胰岛细胞合成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞(C细胞)专一分泌降血钙素等。细胞特定的基因表达状态，就决定了这个组织细胞特有的形态和功能。如果基因表达调控发生变化，细胞的形态与功能也会随之改变，例如正常组织细胞转化为癌瘤细胞的过程，就首先有基因表达方面的改变；人肝细胞在胚胎时期合成甲胎蛋白(alfafetal protein, AFP)，成年后就很少合成AFP了，但当肝细胞转化成肝癌细胞时编码AFP的基因又会开放，合成AFP的量会大幅度提高，成为肝癌早期诊断的一个重要指标；人肺组织并不合成降血钙素，但某些肺组织细胞癌变时，合成降血钙素的基因会开放，能分泌降血钙素，引起血钙降低的症状。细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因表达的阶段特异性(stagespecificity)。一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on)，胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性，从而逐步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织脏器。即使是同一个细胞，处在不同的细胞周期状态，其基因的表达和蛋白质合成的情况也不尽相同，这种细胞生长过程中基因表达调控的变化，正是细胞生长繁殖的基础。从上所述，不难看出：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，尽我们现在对调控机理的奥妙所知还不多，但已经可以认识到，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。二、基因表达适应环境的变化生物只有适应环境才能生存。当周围的营养、温度、湿度、酸度等条件变化时，生物体就要改变自身基因表达状况，以调整体内执行相应功能蛋白质的种类和数量，从而改变自身的代谢、活动等以适应环境。生物体内的基因调控各不相同，仔细观察基因表达随环境变化的情况，可以大致把基因表达分成两类：组成性表达(constitutive expression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为看家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，开放能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需要。即使是内环境保持稳定的高等哺乳类，也经常要变动基因的表达来适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。基因表达及其调控 某些基因不断地进行转录和翻译，产生出各种蛋白质，通常称之为基因表达。每个细胞都有一套完整的基因调控系统，使各种蛋白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境，防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过程的正常状态。但是，原核细胞和真核细胞的基因调控有着明显的区别。原核细胞表达的基因调控，比真核细胞要相对简单，这里以大肠杆菌乳糖操纵子为例来说明。大肠杆菌能以乳糖为唯一碳源生长，这是由于它能产生一套利用乳糖的酶。这些酶受乳糖操纵子的控制。大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个特定区段，由调节基因I，启动基因P，操纵基因O和结构基因Z、Y、A组成。P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的转录。平时I基因经常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。当大肠杆菌在含有葡萄糖而不含乳糖的培养基中培养时，阻遏蛋白与操纵基因结合，从而阻挡了RNA聚合酶的前移，使结构基因不能转录，也就不产生利用乳糖的三种酶。当大肠杆菌在只含乳糖而不含葡萄糖的培养基中培养时，乳糖便与结合在操纵基因上的阻遏蛋白以及游离的阻遏蛋白相结合，并改变阻遏蛋白的构型，使其失活，从而使阻遏蛋白不能与操纵基因结合，这时RNA聚合酶可以通过O区而到达结构基因，使结构基因开始转录和翻译，产生出利用乳糖的三种酶。如果培养基中同时含有葡萄糖和乳糖，细菌只利用葡萄糖而不利用乳糖，原因是在这种情况下RNA不能与启动基因结合，因此也就不能使结构基因进行转录和翻译。真核细胞表达的调控，比原核细胞要复杂得多，至今还没有较为系统而又为实验所证实的理论。普遍认为，真核基因的表达调控主要有三种形式：结构基因的内部或其附近存在对基因表达起调控作用的DNA序列；基因中某段富含CG的序列的甲基化对基因表达起调控作用；通过染色体结构的变化控制基因的表达。一般认为，在真核基因的结构基因的上游有一个启动基因区（由增强子、启动子、TATA框组成）。下游结构基因由一些外显子和内含子组成。真核基因表达调控的特点尽管我们现在对真核基因表达调控知道还不多，但与原核生物比较它具有一些明显的特点。真核基因表达调控的环节更多如前所述：基因表达是基因经过转录、翻译、产生有生物活性的蛋白质的整个过程。同原核生物一样，转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节。但真核基因转录发生在细胞核（线粒体基因的转录在线粒体内），翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性，转录后的调控占有了更多的分量。图中标出了真核细胞在分化过程中会发生基因重排（gene rearrangement），即胚原性基因组中某些基因会再组合变化形成第二级基因。例如编码完整抗体蛋白的基因是在淋巴细胞分化发育过程中，由原来分开的几百个不同的可变区基因经选择、组合、变化、与恒定区基因一起构成稳定的、为特定的完整抗体蛋白编码的可表达的基因。这种基因重排使细胞可能利用几百个抗体基因的片段，组合变化而产生能编码达108种不同抗体的基因，其中就有复杂的基因表达调控机理。此外，真核细胞中还会发生基因扩增（gene amplification），即基因组中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。最早发现的是蛙的成熟卵细胞在受精后的发育程中其rRNA基因（可称为rDNA）可扩增xx倍，以后发现其他动物的卵细胞也有同样的情况，这很显然适合了受精卵其后迅速发育分裂要合成大量蛋白质要求有大量核糖体的需要。又如MTX（methotrexate）是叶酸的结构类似物，能竞争性抑制细胞对叶酸的还原利用，因而对细胞有毒性，但当缓慢提高MTX浓度时，一些哺乳类细胞会对含有利用叶酸所必需的二氢叶酸还原酶(dihydrofolate reductase,DHFR)基因的DNA区段扩增40-400倍，使DHFR的表达量显著增加，从而提高对MTX的抗性。基因的扩增无疑能够大幅度提高基因表达产物的量，但这种调控机理至今还不清楚。真核基因的转录与染色质的结构变化相关真核基因组DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质，染色质的结构、染色质中DNA和组蛋白的结构状态都影响转录，至少有以下现象：染色质结构影响基因转录 细胞分裂时染色体的大部分到间期时松开分散在核内，称为常染色质（euchromatin），松散的染色质中的基因可以转录。染色体中的某些区段到分裂期后不像其他部分解旋松开，仍保持紧凑折叠的结构，在间期核中可以看到其浓集的斑块，称为异染色质（hetrochromatin），其中从未见有基因转录表达；原本在常染色质中表达的基因如移到异染色质内也会停止表达；哺乳类雌体细胞2条X染色体，到间期一条变成异染色质者，这条X染色体上的基因就全部失活。可见紧密的染色质结构阻止基因表达。组蛋白的作用 早期体外实验观察到组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋白基因又能够转录。组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了DNA分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用；染色质中的非组蛋白成分具有组织细胞特异性，可能消除组蛋白的阻遏，起到特异性的去阻遏促转录作用。发现核小体后，进一步观察核小体结构与基因转录的关系，发现活跃进行基因转录的染色质区段常有富含赖氨酸的组蛋白（H1组蛋白）水平降低、H2A、H2B组蛋白二聚体不稳定性增加、组蛋白乙酰化（acetylation）和泛素化（obiquitination）、以及H3组蛋白巯基等现象，这些都是核小体不稳定或解体的因素或指徵。转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构。这些都表明核小体结构影响基因转录。转录活跃区域对核酸酶作敏感度增加 染色质DNA受DNase作用通常会被降解成200、400bp的片段，反映了完整的核小体规则的重复结构。但活跃进行转录的染色质区域受DNase消化常出现100-200bp的DNA片段，且长短不均一，说明其DNA受组蛋白掩盖的结构有变化，出现了对DNase高敏感点（hypersensitive site）。这种高敏感点常出现在转录基因的5侧区（5flanking region）、3末端或在基因上，多在调控蛋白结合位点的附近，分析该区域核小体的结构发生变化，有利于调控蛋白的结合而促进转录DNA拓扑结构变化 天然双链DNA的构象大多是负性超螺旋。当基因活跃转录时，RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋，其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶向前移动转录；而负性超螺旋则有利于核小体的再形成。DNA硷基修饰变化 真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5-甲基胞嘧啶（5-methylcytidine，mC），而活跃转录的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常较低。这种甲基化最常发生在某些基因5侧区的CpG序列中，实验表明这段序列甲基化可使其后的基因不能转录，甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合从而影响转录。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡，可见DNA的甲基化对基因表达调控是重要的。由此可见，染色质中的基因转录前先要有一个被激活的过程，目前对这激活机制还缺乏认识。真核基因表达以正性调控为主在真核RNA聚合酶对启动子的亲和力很低，基本上不能独靠其自身来起始转录，而是需要依赖多种激活蛋白的协同作用。真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不普遍；真核基因转录表达的调控蛋白也有起阻遏和激活作用或兼有两种作用者，但总的是以激活蛋白的作用为主。即多数真核基因在没有调控蛋白作用时是不转录的，需要表达时就要有激活的蛋白质来促进转录。换言之：真核基因表达以正性调控为主导。植物叶绿体基因组基因表达调控的研究摘要：叶绿体基因的表达在许多方面与原核基因表达相似，所以最早的理论认为叶绿体基因的表达与原核相似，是在转录起始水平上的调控，进一步的研究认为叶绿体基因表达调控是在不同水平上进行的如：转录水平的调节、转录后调节与修饰、翻译和翻译后修饰等。关键词：叶绿体；叶绿体基因组；表达调控叶绿体基因组的特点是具相同或相关功能的基因组成复合操纵子结构。这一特点有利于叶绿体基因的表达与调控，例如rpoB-rpoC-rpoC 2操纵子是由编码RNA聚合酶各个亚基的基因聚合在一起而形成的，而psbI-psbK-psbD-psbC操纵子则编码PS的部分蛋白质。下面分别介绍一下叶绿体基因组基因表达调控方式。1转录水平调节1.1整体转录活性与叶绿体RNA聚合酶水平有关参与叶绿体基因转录作用的RNA聚合酶至少可分为两种不同的活性类型，一种是由叶绿体基因编码的可溶性RNA聚合酶，根据同大肠杆菌相应序列同源性的比较分析，已鉴定出叶绿体基因rpoAV、rpoB、rpoC1和rpoC2，分别编码着叶绿体可溶性RNA聚合酶的、和亚基。另一种是由核基因组编码的叶绿体RNA聚合酶，主要转录rRNA基因。它是同叶绿体DNA紧密结合形成的复合物，特称为转录活跃的染色体(transcriptionally active chromosome)简称TAC。研究表明RNA复合酶的增加水平与转录活性平行。1.2与附加因子相关为了精确地启动叶绿体基因的转录作用，还需要若干附加因子参与。目前已从玉米、菠菜等植物中分离了这类因子，如S因子和类因子(sigma-like factors,简称SLF)等等(Surzycki, 1976; Bulow, 1988; Lerbs, 1988)。实验证明叶绿体基因的转录起始是由SLF和启动子共同控制的。1.3叶绿体基因转录活性改变与叶绿体DNA分子拓扑学改变有关由于超螺旋度局部改变可影响启动子活性，因而导致叶绿体基因组的整体转录或个别启动子的活性变化。叶绿体RNA聚合酶对超螺旋的模板活性和忠实性比松散型模板要高(Jolly, 1980; Crossland, 1984; Stirdivant, 1985; Lam 1987; Russell, 1987)。1.4与启动子强度相关叶绿体RNA水平一方面是由转录速度决定的，但相对启动子强度亦构成转录活性差异的重要因素。1.5叶绿体DNA甲基化对转录水平的影响关于叶绿体DNA甲基化对转录水平的影响还存在一定争议。对蕃茄叶绿体的研究表明(Kobayashi, 1990)DNA甲基化可降低转录水平，而对豌豆叶绿体DNA甲基化研究中却发现并不影响基因的表达水平。因此甲基化对转录水平的影响还有待于更深入的研究。2转录后调节与修饰莱茵衣藻核基因组与叶绿体基因组遗传转化体系的建立，以及许多光合途径缺陷突变体的分离为研究转录后调节提供了一个非常有用的模式系统。遗传分析表明RNA加工和RNA编辑为影响叶绿体基因表达转录后调节的因素。2.1RNA加工由于叶绿体基因组织结构多为多顺反子操纵子，因此，其mRNA的加工必定成为基因表达调控的一个重要环节(Barkan, 1988)。叶绿体RNA加工模式在不同植物中是保守的。叶绿体基因组中约40个基因含有内含子(Sugiura, 1992)，大多数叶绿体内含子以类似核和线粒体内含子切除方式剪接。2.2RNA编辑(editing)RNA编辑是指RNA转录过程中或转录后发生一些碱基转换(transition)、插入或缺失而导致基本密码潜力改变的一种转录后修饰。大多数植物叶绿体都存在RNA编辑，与植物线粒体系统相似，是由C-U变化来改变密码子内部而引起氨基酸的改变(Hoch, 1991; Kudla, 1992)。RNA编辑机制十分复杂，可能与多肽因子及转录活性因子参与有关(Zelts, 1993)。3翻译水平调节翻译水平调节可使生物快速地适应外界环境条件，特别对于高效表达基因，当环境条件不利时，可通过翻译水平快速调节，从而减少代谢能源的消耗。RNA水平(Michaels, 1990)和细胞器代谢状态(Scheibe,1990; Reinbothe,1991)影响叶绿体蛋白的翻译, 这种调节可能是通过核糖体蛋白反式磷酸化来完成的(Guitton, 1984; Poson, 1984)。4翻译后调节与修饰许多参与光合作用的蛋白需要一些非共价结合的辅基，如：一些金属离子，才能形成功能蛋白，有些辅助因子(cofactor)还可以防止合成蛋白被蛋白酶水解。对于质体编码的叶绿素(-脱辅基蛋白的积累，就需要辅基因子存在(Klein, 1988; Eichaker, 1990; Mullet, 1990)。叶绿体中蛋白酶对翻译后调节至关重要(Mishkind, 1985)，一些不能装配成功能蛋白的蛋白亚基的降解对叶绿体是一种保护措施，如：在光合传递链中氧自由基可损坏光系统的D1蛋白，而蛋白酶可降解这些无功能蛋白(Kyle, 1984; Ohad, 1984)，从而保证叶绿体正常代谢。翻译后调节与修饰是叶绿体基因组表达调控中不容忽视的最后一步调节。5细胞核与质体基因组的相互作用虽然质体DNA可以编码产生自身所需要的蛋白，但其大部分蛋白是由核基因编码的。合子中的前质体处于一种未分化的基础状态，即使在胚胎发育早期复制前质体时，质体的转录和翻译仍然处于一种低水平。当胚胎开始分化为根、茎原基时，前质体获得第一个发育信息，它激活一组基因，其产物可能只在分生组织中起作用，然后第二组基因产物对叶细胞发育起特异作用(Jaylor, 1989)，它们一方面激活和提高前质体转录水平以及使前质体分化为叶绿体，一方面激活编码叶绿体蛋白的核基因表达，以及合成使质体RNA稳定的多种蛋白因子，这组基因的表达可能取决于细胞的位置信息，即由于细胞位置的不同，导致某种特异调节分子相对浓度不同。在每个叶原基细胞增殖过程中，位置信息决定细胞命运，因而不同细胞如叶肉细胞、皮层细胞、保卫细胞中对叶绿体的发育进行微调，大多数是通过调节RNA稳定性、剪接、翻译以及蛋白质稳定性来实现的，并显示核基因可以控制那些核和质体共同编码的、最终装配为复合体的蛋白基因。当发育为叶片时，不同细胞类型的核基因表达有所不同，不同细胞的位置信息，通过不同的基因调节机制，引起质体和核基因的细胞特异表达。最后，叶片细胞以关掉编码叶绿体蛋白的基因和核基因表达而进入衰老阶段(刘良式，1988)。总之, 基因表达调控是由一系列复杂的调控机制组成的(见图1)(Marina, 1996)。不同的调节机制在一定条件下对特定基因起调节作用，不同的调节策略可使不同植物来适应各自的生存条件，如：光、温、水和营养条件可调节植物的代谢活动。除上面提到的环境因素外，还涉及叶绿体基因转录及转录后调节、翻译与翻译后修饰调节、核基因对叶绿体基因在转录与翻译过程中的调节和质体产生的信号对核编码的质体蛋白的表达调节等等。因此，很难对叶绿体基因表达找出一个固定模式。在未来的研究中，核基因组和质体基因组如何在质体发育过程中起到相互调节作用将会成为一个最可能出成果的研究领域。图1叶绿体基因组代谢调控机制简图典型例题1大肠杆菌的DNA分子上与乳糖分解有关的核苷酸序列有（ ）A基因lac Z，基因lac Y和基因lac A三种B基因lac Z，操纵基因O，启动子P和调节基因R四种C基因lac A，操纵基因O，启动子P和调节基因RD结构基因lac Z、lac Y、lac A，操纵基因O，启动子P和调节基因R四种【解析】解答该题需从如下两个方面入手分析：基因lac Z、基因lac Y、lac A是大肠杆菌体内直接编码乳糖分解代谢的结构基因，它们直接控制着二种酶的合成。结构基因的表达是在三种核苷酸序列即调节基因、启动子、操纵基因的调控下完成的。解答该题时，存在的思维障碍一是对乳精代谢的四种核苷酸序列的作用认识不清；二是没有理清四种核苷酸序列之间的关系。排除障碍可采用如下方法：明确四种核苷酸序列的作用，尤其要认清基因lac Z、lac Y、lac A都属于结构作用，它们的作用都是编码蛋白质。理清四种核苷酸序列之间的关系，到底谁控制谁。调节基因调控操纵基因，操纵基因调控启动子，启动子与RNA聚合酶的结合，调控着结构基因的转录。【答案】D2原核生物与真核生物基因表达的调控机制的共同点是（ ）A都是一边转录一边翻译的B都是在细胞核中完成的C转录完毕后都不再需要调控序列的调控D都是通过某些特异性蛋白与调控序列的结合与否来调控基因的转录。【解析】解答该题需从如下两个方面入手分析：原核细胞与真核细胞在结构上是有差异的。原核细胞的结构简单，没有核膜的包被，仅有核区；而真核细胞结构复杂，有核膜的包被，质、核界线分明。原核生物与真核生物基因表达的调控机制有相同的一面也有不同之处。这一过程的完成，原核生物是在细胞质中完成的，而且是边转录边翻译，转录后的m RNA无需加工；而真核生物是先在核中完成对转录的调控，后在核中对m RNA进行加工，再进入细胞质中与核糖体结合，这时的m RNA才是翻译的模板。解答该题存在的思维障碍一是原核细胞与真核细胞结构分辨不清，二是原核生物与真核生物基因表达的调控的相同点与不同点找不准。排除障碍可采取如下方法：区分原核细胞与真核细胞的结构差异性，关键是有无核膜的包被。明确真核生物与原核生物基因表达相同点是都要转录、翻译，都存在着调控机制；不同点是真核生物比原核生物的调控更为复杂，转录与翻译存在着时间与空间的分隔，存在着多层次的调控；原核生物是边转录边翻译，转录后不再调控。【答案】D3下图是科学家根据实验提出的一个真核生物的基因调控系统模型，仔细分析，回答下列问题。（1）同原核生物大肠杆菌的基因表达调控机制相比较，图中的感受器相当于原核生物的 ，其功能是 ，整合基因相当于原核生物的 ，它的功能是能够形成 。（2）从图中可以看出，真核生物的基因调控信号来自体内的 ，图中激素受体复合物中的受体存在于真核细胞的 上。【解析】同原核生物相比较，真核生物基因表达调控结构中的感受器相当于原核生物的操纵基因，经常抑制着结构基因的转录活性；整合基因相当于原核生物的调节基因，它可以形成活化物。【答案】（1）操纵基因 抑制结构基因的转录活性 调节基因活化物（2）激素 细胞膜4在大肠杆菌的乳糖代谢中，若调节基因突变，造成阻抑物缺乏，与乳糖分解代谢有关的三种酶能合成吗？为什么？若启动子或操纵基因突变，结果如何？【解析】此题考查原核生物基因表达调控的知识。解答此类题目须从以下四方面分析：（1）阻抑物是调节基因编码的一种变构蛋白。没有乳糖存在时，它的构象能识别操纵基因，并与之结合，从而阻碍了RNA聚合酶同启动子的结合，结构基因不能进行转录和翻译，就不能合成乳糖代谢所需要的酶。（2）当阻抑物缺乏时，无论是否有乳糖，操纵基因都不会有结合的物质，RNA聚合酶随时都可以与启动子结合，结构基因不间断进行转录和翻译，合成所需要的酶。（3）启动子上有与RNA聚合酶结合的位点，若启动子突变，无论阻抑物是否同操纵基因结合，RNA聚合酶都不能与其结合，没有RNA聚合酶的参与，结构基因一直不能进行转录和翻译，也就不能合成乳糖代谢所需的酶。（4）若操纵基因突变，阻抑物就不能识别它，也就不能与之结合，那么RNA聚合酶随时都可以和启动子结合，结构基因就一直能进行转录和翻译，从而合成乳糖代谢所需的酶。根据以上分析：调节基因突变造成阻抑物缺乏时，与乳糖分解代谢有关的酶一直能合成，启动子突变时，与乳糖代谢有关的酶一直都不能合成，操纵基因突变时，与乳糖代谢有关的酶一直能合成。解答此类题目易出现的障碍是：对原核生物基因表达调控过程的内容掌握得不熟练，因而对遇到的变化情况，不能具体分析。排除障碍的方法是：（1）熟练掌握基础知识；（2）根据基础知识，分析变化的问题。【答案】能，原因见思路分析；启动子突变，乳糖代谢所需的酶不能合成，操纵基因突变，乳糖代谢所需酶能合成。习题精选第三节 基因表达的调控