高中生物奥赛讲座基因表达的调控优秀课件.ppt

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1、高中生物奥赛讲座基因表达的调控第1页，本讲稿共27页基因表达：基因通过转录和翻译，产生蛋白质产物和直接转录RNA参与生物功能的过程。基因调控：涉及基因的启动关闭，活性的增加或减弱。发生在转录阶段，转录后加工阶段和翻译阶段。负调控：阻遏蛋白结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。正调控：基因表达的活化物结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式。有关名词解释：有关名词解释：第2页，本讲稿共27页一一 、原核生物基因表达的调控、原核生物基因表达的调控大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳源，当其生活的环境大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳源，当其生活的环境大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳源，当其

2、生活的环境大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳源，当其生活的环境中有乳糖而没有葡萄糖时，大肠杆菌产生的适应性变化中有乳糖而没有葡萄糖时，大肠杆菌产生的适应性变化中有乳糖而没有葡萄糖时，大肠杆菌产生的适应性变化中有乳糖而没有葡萄糖时，大肠杆菌产生的适应性变化是是是是迅速合成大量的分解乳糖的酶迅速合成大量的分解乳糖的酶迅速合成大量的分解乳糖的酶迅速合成大量的分解乳糖的酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶，将乳糖分，将乳糖分，将乳糖分，将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖加以利用。解成葡萄糖和半乳糖加以利用。解成葡萄糖和半乳糖加以利用。解成葡萄糖和半乳糖加以利用。当大肠杆菌生活的环境中没有乳糖后，当大肠杆菌生

3、活的环境中没有乳糖后，当大肠杆菌生活的环境中没有乳糖后，当大肠杆菌生活的环境中没有乳糖后，半乳糖苷酶的半乳糖苷酶的半乳糖苷酶的半乳糖苷酶的合成就合成就合成就合成就停止停止停止停止。说明半乳糖苷酶的合成与周围环境中有无乳糖有。说明半乳糖苷酶的合成与周围环境中有无乳糖有。说明半乳糖苷酶的合成与周围环境中有无乳糖有。说明半乳糖苷酶的合成与周围环境中有无乳糖有密切关系。乳糖似乎对半乳糖苷酶基因的表达起到诱导密切关系。乳糖似乎对半乳糖苷酶基因的表达起到诱导密切关系。乳糖似乎对半乳糖苷酶基因的表达起到诱导密切关系。乳糖似乎对半乳糖苷酶基因的表达起到诱导作用。半乳糖苷酶的合成受半乳糖苷酶基因控制。作用。半乳

4、糖苷酶的合成受半乳糖苷酶基因控制。作用。半乳糖苷酶的合成受半乳糖苷酶基因控制。作用。半乳糖苷酶的合成受半乳糖苷酶基因控制。(一)大肠杆菌的乳糖操纵子模型第3页，本讲稿共27页 1 1）结构基因：编码蛋白质或）结构基因：编码蛋白质或）结构基因：编码蛋白质或）结构基因：编码蛋白质或RNARNA的基因的基因的基因的基因 直接编码乳糖分解代谢所需酶类的基因。直接编码乳糖分解代谢所需酶类的基因。直接编码乳糖分解代谢所需酶类的基因。直接编码乳糖分解代谢所需酶类的基因。lacZ lacZ基因：基因：基因：基因：编码编码编码编码 -半乳糖苷酶。半乳糖苷酶。半乳糖苷酶。半乳糖苷酶。lacY lacY基因、基因、

5、基因、基因、lacAlacA基因：基因：基因：基因：分别编码分别编码分别编码分别编码 -半乳糖苷透性酶和半乳糖苷透性酶和半乳糖苷透性酶和半乳糖苷透性酶和 -半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。一、原核生物基因表达的调控P启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因结构基因结构基因调节基因调节基因调节基因调节基因OlacZlacYlacA操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因R1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用第4页，本讲稿共27页P启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因结构基因结构基因调节基因调节基因调节基因调节

6、基因OlacZlacYlacA操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因R 2 2）操纵基因）操纵基因(O)(O)：是是DNADNA上仅为上仅为26bp26bp的一小段序列，的一小段序列，不编码蛋白质，它是调节基因所编码的阻遏蛋白的结合部不编码蛋白质，它是调节基因所编码的阻遏蛋白的结合部位。操纵基因决定了位。操纵基因决定了RNARNA聚合酶是否能够与聚合酶是否能够与DNADNA序列上的序列上的启动子接触从而沿着启动子接触从而沿着DNADNA分子移动，启动分子移动，启动RNARNA的转录。的转录。对对结构基因起着结构基因起着“开关开关”的作用，直接控制结构基因的转录。的作用，直接控制结构基因的转录。一、原

7、核生物基因表达的调控1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用第5页，本讲稿共27页P启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因结构基因结构基因调节基因调节基因调节基因调节基因OlacZlacYlacA操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因R 3 3 3 3）启动子）启动子）启动子）启动子(P)(P)(P)(P)：有与有与有与有与RNARNARNARNA聚合酶结合的位点聚合酶结合的位点聚合酶结合的位点聚合酶结合的位点，可识别转录起，可识别转录起，可识别转录起，可识别转录起始点。始点。始点。始点。RNARNARNARNA聚合酶在这一位点与聚合酶在这一位点与聚合酶在这一位点与

8、聚合酶在这一位点与DNADNADNADNA接触，并开始进行转录。接触，并开始进行转录。接触，并开始进行转录。接触，并开始进行转录。RNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶一、原核生物基因表达的调控1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用第6页，本讲稿共27页P启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因结构基因结构基因调节基因调节基因调节基因调节基因OlacZlacYlacA操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因R 4 4）调节基因）调节基因）调节基因）调节基因(R)(R)：能产生阻抑物能产生阻抑物能产生阻抑物能产生阻抑物(阻遏蛋白阻遏蛋白)，通过阻抑物，通过阻抑物，通过阻抑

9、物，通过阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启。与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启。与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启。与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启。一、原核生物基因表达的调控1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用第7页，本讲稿共27页当环境中当环境中没有乳糖没有乳糖时：时：信使信使信使信使RNARNA转录转录转录转录P启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因结构基因结构基因调节基因调节基因调节基因调节基因OlacZlacYlacA操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因R阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物(阻遏蛋白阻遏蛋

10、白阻遏蛋白阻遏蛋白)翻译翻译翻译翻译阻遏蛋白与操纵基因结合，同阻遏蛋白与操纵基因结合，同时时阻挡了阻挡了RNARNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子的结合的结合，从而使，从而使结构基因转录结构基因转录和翻译受阻和翻译受阻，不能合成有关的，不能合成有关的酶。酶。一、原核生物基因表达的调控第8页，本讲稿共27页当环境中当环境中有乳糖有乳糖时：时：P启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因结构基因结构基因调节基因调节基因调节基因调节基因OlacZlacYlacA操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因R+阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物(阻遏阻遏阻遏阻遏蛋白蛋白蛋白蛋白)乳糖乳糖乳糖乳糖RNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚

11、合酶转录转录转录转录翻译翻译翻译翻译乳糖与阻遏蛋白结合，引起其乳糖与阻遏蛋白结合，引起其构构象变化象变化，使阻抑物，使阻抑物失去与操纵失去与操纵基因结合基因结合的能力，的能力，RNARNA聚合酶聚合酶便可与启动子结合，从而使结便可与启动子结合，从而使结构基因转录和翻译正常进行。构基因转录和翻译正常进行。一、原核生物基因表达的调控第9页，本讲稿共27页当环境中当环境中有乳糖有乳糖时：时：P启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因结构基因结构基因调节基因调节基因调节基因调节基因OlacZlacYlacA操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因R半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶酶酶酶酶酶酶酶酶转录转

12、录转录转录翻译翻译翻译翻译+阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物(阻遏阻遏阻遏阻遏蛋白蛋白蛋白蛋白)乳糖乳糖乳糖乳糖RNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶转录转录转录转录翻译翻译翻译翻译分解分解分解分解乳糖乳糖乳糖乳糖一、原核生物基因表达的调控第10页，本讲稿共27页 一个一个操纵基因控制下操纵基因控制下的一组相邻的的一组相邻的结构基结构基因因以及以及启动子启动子和和调节基因调节基因，统称为，统称为操纵子操纵子。P启动子启动子启动子启动子结构基因结构基因结构基因结构基因调节基因调节基因调节基因调节基因OlacZlacYlacA操纵基因操纵基因操纵基因操纵基因R操纵子操纵子 操纵子是原核生物的基因在转录水平上

13、进操纵子是原核生物的基因在转录水平上进行调控的一个功能单位。行调控的一个功能单位。一、原核生物基因表达的调控第11页，本讲稿共27页从大肠杆菌乳糖调控过程可以看出从大肠杆菌乳糖调控过程可以看出 大肠杆菌细胞只有在环境中有乳糖存在时，大肠杆菌细胞只有在环境中有乳糖存在时，才能产生相关的酶。所以，其乳糖代谢调控过才能产生相关的酶。所以，其乳糖代谢调控过程是一个程是一个自我调控过程自我调控过程。在这一过程的作用下，生物体才不会浪费在这一过程的作用下，生物体才不会浪费细胞中的物质和能量，并能不断适应变化的外细胞中的物质和能量，并能不断适应变化的外界环境。界环境。一、原核生物基因表达的调控第12页，本讲

14、稿共27页(二)色氨酸操纵子1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 调控基因 结构基因 催化分支酸转变为色氨酸 的酶trpRtrp一、原核生物基因表达的调控第13页，本讲稿共27页二、真核生物基因表达的调控 真核生物是由多细胞组成的，多细胞生物的细胞分化，是真核生物是由多细胞组成的，多细胞生物的细胞分化，是真核生物是由多细胞组成的，多细胞生物的细胞分化，是真核生物是由多细胞组成的，多细胞生物的细胞分化，是选择性基因表达的结果。不同的细胞有特异的基因表达方式。选择性基因表达的结果。不同的细胞有特异的基因表达方式。选择性基因表达的结果。不同的细胞有特异的基因表达方式。选择性基因表达的结果。不同的细胞有特

15、异的基因表达方式。基因的表达受到开启或关闭的调控，随细胞内外环境条件的改基因的表达受到开启或关闭的调控，随细胞内外环境条件的改基因的表达受到开启或关闭的调控，随细胞内外环境条件的改基因的表达受到开启或关闭的调控，随细胞内外环境条件的改变和时间程序而在不同的表达水平上进行着精确而有序的调节。变和时间程序而在不同的表达水平上进行着精确而有序的调节。变和时间程序而在不同的表达水平上进行着精确而有序的调节。变和时间程序而在不同的表达水平上进行着精确而有序的调节。在真核生物中基因表达的调节其特点是（1）多层次，（2）无操纵子和衰减子(在色氨酸操纵子中存在一种转录水平上调节基因表达的衰减作用，用以终止和减

16、弱转录。这种调节作用称为衰减子)（3）个体发育复杂，（4）受环境影响较小第14页，本讲稿共27页 在真核生物中，DNA的三级超螺旋结构与蛋白质结合，构成染色质的基本单位-核小体。其核心由组蛋白八聚体(由H2A、H2B、H3、H4各两分子组成)和盘绕其上的一段DNA双链组成，连接区含有组蛋白H1和一小段DNA双链。核小体彼此连成串珠状染色质细丝，经高度螺旋化形成染色质纤维，进一步卷曲、折叠成染色单体。这样，DNA的长度被压缩近万倍。核小体可能通过阻止转录酶接近DNA分子的方式起到了调节基因表达的作用。二、真核生物基因表达的调控1.DNA的包装影响基因的表达第15页，本讲稿共27页 多线染色体来源

17、于核内有丝分裂，多线染色体来源于核内有丝分裂，即核内即核内DNA多次复制产生子染色体并多次复制产生子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密地结合在一起，从而阻止了染色紧密地结合在一起，从而阻止了染色质纤维的进一步聚缩，形成体积很大质纤维的进一步聚缩，形成体积很大的多线染色体。的多线染色体。光镜下观察多线染色体，可见一系列光镜下观察多线染色体，可见一系列交替分布的带和间带，带区的染色质包交替分布的带和间带，带区的染色质包装程度比间带染色质包装程度高得多，装程度比间带染色质包装程度高得多，所以呈带色较深间带较浅的染色。多线所以呈带色较深间带较浅的染色。多线

18、染色体上的数目、形态、大小及分布位染色体上的数目、形态、大小及分布位置都很稳定。置都很稳定。果蝇幼虫唾液腺多线染色体果蝇幼虫唾液腺多线染色体 二、真核生物基因表达的调控1.DNA的包装影响基因的表达第16页，本讲稿共27页 个体发育的某个阶段，多线个体发育的某个阶段，多线染色体的某些区段变得疏松膨染色体的某些区段变得疏松膨大而形成胀泡。最大的胀泡叫大而形成胀泡。最大的胀泡叫Balbiani环。胀泡是基因活跃转环。胀泡是基因活跃转录的形态学标志。控制果蝇多录的形态学标志。控制果蝇多线染色体基因转录的主要因素线染色体基因转录的主要因素之一就是蜕皮激素，这种激素之一就是蜕皮激素，这种激素水平在幼虫发

19、育期间周期性变水平在幼虫发育期间周期性变化，从而诱导那些编码每次蜕化，从而诱导那些编码每次蜕皮和蛹化所需的蛋白质转录。皮和蛹化所需的蛋白质转录。多线染色体的带与胀泡多线染色体的带与胀泡,(a)带与间带带与间带;(b)胀泡胀泡 二、真核生物基因表达的调控1.DNA的包装影响基因的表达第17页，本讲稿共27页 2.异染色质化与基因的表达失活 在染色质中可分为常染色质和异染色质，它们在细胞中凝聚的时期不同。异染色质是包装成20-30nm，不具有转录活性的染色质。它又分为组成性异染色质和兼性异染色质。前者是指在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质，如着丝粒，端粒等。后者指在某些特定的细胞

20、中，或在一定的发育时期和生理条件下凝聚，由常染色质变成异染色质，这本身也是真核生物的一种表达调控的途经。二、真核生物基因表达的调控第18页，本讲稿共27页 在正常女性的细胞核核膜附近有一团高度凝聚的染色质小体与性别及X染色体的数目有关，称为性染色质体又名巴氏小体，在正常男性的细胞核中都没有。正常的女性个体中有XX染色体，而它们的体细胞中有一个巴氏小体。在正常男性个体中有XY染色体，没有巴氏小体。在带有多条X染色体的个体，只有一条X染色体是有活性的。巴氏小体的数目为X染色体的条数减1。图18-25 巴氏小体(a)正常女人的细胞，在核膜附近存在巴氏小体(箭头所指)；(b)正常男人的细胞，在核膜附近

21、无巴氏小体(转引自Russell,1992)二、真核生物基因表达的调控2.异染色质化与基因的表达失活第19页，本讲稿共27页 1961 1961年提出了年提出了莱昂假说，莱昂假说，其主要论点是：其主要论点是：巴尔小体是巴尔小体是一个失活的一个失活的X X染色体，失活的过程就称为莱昂化；染色体，失活的过程就称为莱昂化；在哺乳在哺乳动物中，雌雄个体细胞中的两个动物中，雌雄个体细胞中的两个X X染色体中有一个染色体中有一个X X染色体在染色体在受精后的第受精后的第1616天（受精卵增殖到天（受精卵增殖到5000-60005000-6000，植入子宫壁时），植入子宫壁时）失活；失活；两条两条X X染色

22、体中哪一条失活是随机的；染色体中哪一条失活是随机的；XX染色体失染色体失活后，在细胞继续分裂形成的克隆中，此条染色体都是失活活后，在细胞继续分裂形成的克隆中，此条染色体都是失活的；的；生殖细胞形成时失活的生殖细胞形成时失活的X X染色体可得到恢复。染色体可得到恢复。二、真核生物基因表达的调控2.异染色质化与基因的表达失活第20页，本讲稿共27页 实例：三色猫（又叫做玳瑁猫）的雌性个体腹部的毛是白色的，背部和头部的皮毛由桔黄色和黑色斑组成。这种雌猫是一个X-连锁基因杂合体，X-连锁的b基因控制橙色毛皮，其等位基因B是控制黑色的毛皮。基因是Xb染色体若失活，XB表达，产生黑色毛斑，若基因是XB染色

23、体失活，Xb表达，则产生橙黄色毛斑。三色猫 二、真核生物基因表达的调控2.异染色质化与基因的表达失活第21页，本讲稿共27页真核生物基因表达调控过程与原核生物的共同真核生物基因表达调控过程与原核生物的共同点：点：在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样存在许多不同的存在许多不同的调控序列调控序列，并能通过，并能通过特异性蛋特异性蛋白与某些调控序列的结合与否白与某些调控序列的结合与否，来，来调控基因的调控基因的转录转录。二、真核生物基因表达的调控 真核细胞和原核细胞的基因结构不同点真核细胞和原核细胞的基因结构不同点：原核原核细胞基因的编码区是细胞基因的编码区是连续

24、连续的，的，真核细胞真核细胞基因的基因的编码区是编码区是间隔间隔的，的，不连续不连续的。的。3.真核细胞和原核细胞的基因结构第22页，本讲稿共27页什么叫侧翼序列？什么叫侧翼序列？每个基因在第一个和最后一个外显子每个基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段的外侧各有一段非编码区非编码区，称为侧翼序列。，称为侧翼序列。侧翼序列上有一系列的调控序列。侧翼序列上有一系列的调控序列。编码区编码区编码区编码区非编码区非编码区非编码区非编码区非编码区非编码区非编码区非编码区侧翼序列侧翼序列二、真核生物基因表达的调控第23页，本讲稿共27页真核生物基因表达调控过程与原核生物的不同真核生物基因表达调控过程与

25、原核生物的不同之处：之处：真核生物中编码蛋白质的基因通常是真核生物中编码蛋白质的基因通常是间间断断的、的、不连续不连续的，由于转录时内含子和外显子的，由于转录时内含子和外显子是一起转录的，因而转录产生的是一起转录的，因而转录产生的信使信使RNARNA必须必须经加工经加工，将，将内含子转录部分剪切掉内含子转录部分剪切掉，将，将外显子外显子转录部分拼接转录部分拼接起来，才能成为成熟的起来，才能成为成熟的RNARNA。二、真核生物基因表达的调控第24页，本讲稿共27页信使信使RNA的加工：的加工：编码区下游编码区下游编码区下游编码区下游编码区上游编码区上游编码区上游编码区上游成熟的信使成熟的信使成熟

26、的信使成熟的信使RNARNA转录转录转录转录加工加工加工加工初级转录物初级转录物剪切内含子剪切内含子转录部分拼接外显子拼接外显子转录部分转录部分 真核生物基因转录后的真核生物基因转录后的真核生物基因转录后的真核生物基因转录后的剪切剪切剪切剪切、拼接拼接拼接拼接和和和和转移转移转移转移等过程，都需等过程，都需等过程，都需等过程，都需要有要有要有要有调控序列的调控调控序列的调控调控序列的调控调控序列的调控，这是，这是，这是，这是真真真真核生物核生物核生物核生物所所所所特有特有特有特有的的的的。二、真核生物基因表达的调控第25页，本讲稿共27页 真核生物基因表达调控过程与原核生物的不真核生物基因表达

27、调控过程与原核生物的不同之处：同之处：真核生物有细胞核，核膜将核质与细胞质真核生物有细胞核，核膜将核质与细胞质隔开，因此，转录在细胞核中进行，翻译在细胞隔开，因此，转录在细胞核中进行，翻译在细胞质中进行。可见其质中进行。可见其转录和翻译具有时间和空间上转录和翻译具有时间和空间上的分隔的分隔。真核生物大多是真核生物大多是多细胞生物多细胞生物，个体发育过，个体发育过程中要发生程中要发生细胞分化细胞分化。分化是不同的基因特异性。分化是不同的基因特异性表达的结果。细胞中关闭或开启某些基因，都是表达的结果。细胞中关闭或开启某些基因，都是在严格调控作用下进行的。基因的这种在严格调控作用下进行的。基因的这种特异性表特异性表达的调控机制达的调控机制也是也是真核生物真核生物所所特有特有的。的。二、真核生物基因表达的调控第26页，本讲稿共27页 谢 谢 欣 赏设计制作：陈维强宁夏石嘴山市第三中学第27页，本讲稿共27页