外源基因的表达08课件.ppt
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- 基因 表达 08 课件
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1、 外源基因表达系统由基因表达载体和外源基因表达系统由基因表达载体和相应的受体细胞两部分组成。相应的受体细胞两部分组成。基因表达系统有原核生物基因表达系基因表达系统有原核生物基因表达系统和真核生物基因表达系统。统和真核生物基因表达系统。第一节外源基因表达系统第一节外源基因表达系统据受体细胞的不同可分为:据受体细胞的不同可分为:1原核表达系统:原核表达系统:将外源基因引入原核细胞,并使其在原将外源基因引入原核细胞,并使其在原核细胞中以发酵形式快速高效地表达、核细胞中以发酵形式快速高效地表达、合成基因产物的体系。合成基因产物的体系。2真核表达系统:使外源基因在真核细真核表达系统:使外源基因在真核细胞
2、中表达的体系。胞中表达的体系。(1)大多数为单细胞异养,生长快,代谢易于控制)大多数为单细胞异养,生长快,代谢易于控制,可通过发酵迅速获得大量基因表达产物。,可通过发酵迅速获得大量基因表达产物。(2)基因组结构简单,便于基因操作和分析。)基因组结构简单,便于基因操作和分析。(3)多数原核生物细胞内含有质粒或噬菌体,便于)多数原核生物细胞内含有质粒或噬菌体,便于构建相应的表达载体。构建相应的表达载体。(4)生理代谢途径及基因表达调控机制比较清楚。)生理代谢途径及基因表达调控机制比较清楚。(5)不具备真核生物的蛋白质加工系统,表达产物)不具备真核生物的蛋白质加工系统,表达产物无特定的空间构象。无特
3、定的空间构象。(6)内源蛋白酶会降解表达的外源蛋白,造成表达)内源蛋白酶会降解表达的外源蛋白,造成表达产物的不稳定性。产物的不稳定性。原核生物作为基因表达系统的受体细胞具有如下特点:原核生物作为基因表达系统的受体细胞具有如下特点:外源基因在受体细胞中的表达包括转录外源基因在受体细胞中的表达包括转录和翻译两个环节,它是在一系列酶蛋白和调和翻译两个环节,它是在一系列酶蛋白和调控序列的共同作用下完成的。控序列的共同作用下完成的。l一、启动子一、启动子 启动子启动子(promoter,P)是指能被是指能被RNA聚合聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。序列。第
4、二节基因表达的调控元件第二节基因表达的调控元件 1.原核生物的启动子原核生物的启动子 原核生物的启动子一般由四个部分构成:转录原核生物的启动子一般由四个部分构成:转录起始位点、两个六联体保守序列区和间隔区。起始位点、两个六联体保守序列区和间隔区。识别区识别区 Pribnow框框 转录起点转录起点 1619bp 59bp5 TTGACA TATAAT A(G)33 AACTGT ATATTA T(C)5 -35序列序列 -10序列序列 图示:图示:原核生物启动子结构模式原核生物启动子结构模式 (1)转录起始位点)转录起始位点:大多数细菌启动子转大多数细菌启动子转录起始区的序列为录起始区的序列为C
5、AT,转录从第二个碱基,转录从第二个碱基开始,该碱基为嘌呤碱基(开始,该碱基为嘌呤碱基(A/G)。)。(2)Pribnow框框:在距转录起始位点上游在距转录起始位点上游存在一个存在一个6bp保守序列:保守序列:TATAAT,由于富含,由于富含A、T,又称为,又称为TATA box,中间的碱基位于转,中间的碱基位于转录起始点上游的录起始点上游的10bp处,又称为处,又称为 10序列区序列区。少数。少数Pribnow框中间碱基的位置在框中间碱基的位置在 9-18之间变化。之间变化。(3)Sextama框框:在转录启动区的另一个六联在转录启动区的另一个六联体保守序列位于距转录起始位点上游体保守序列位
6、于距转录起始位点上游35bp处,通处,通常称为常称为-35区区,该保守序列为,该保守序列为TTGACA,其中前三,其中前三个碱基具有较强的保守性,它是个碱基具有较强的保守性,它是RNA聚合酶的识别聚合酶的识别位点。位点。(4)间隔区间隔区:原核生物启动子在转录起始位点原核生物启动子在转录起始位点与与Pribnow框之间、框之间、Pribnow框与框与Sextama框之间框之间存在长度不等的间隔序列。间隔序列内部无明显的存在长度不等的间隔序列。间隔序列内部无明显的保守性,其序列的碱基组成对启动子的功能并不十保守性,其序列的碱基组成对启动子的功能并不十分重要分重要,但间隔序列的长度却是影响启动子功
7、能的但间隔序列的长度却是影响启动子功能的重要因素。重要因素。启动子强弱取决于启动子强弱取决于-35区和区和-10区的碱基组成及其间区的碱基组成及其间隔序列隔序列 原核原核RNA聚合酶不能识别真核基因的启聚合酶不能识别真核基因的启动子。动子。原核表达系统中通常使用可调控的强启原核表达系统中通常使用可调控的强启动子有动子有Lac、Trp、PL、Tac等。等。一般认为,大肠杆菌一般认为,大肠杆菌RNA聚合酶识别聚合酶识别并结合启动子并结合启动子-35区和区和RNA聚合酶聚合酶 亚基结亚基结合,合,-10区和区和RNA聚合酶的核心酶结合,在聚合酶的核心酶结合,在转录起始位点附近,转录起始位点附近,DN
8、A被解旋形成单链,被解旋形成单链,RNA聚合酶使第聚合酶使第1和第和第2核苷酸形成磷酸二核苷酸形成磷酸二酯键,以后酯键,以后RNA聚合酶向前推进,形成新聚合酶向前推进,形成新的的RNA链。链。根据真核基因编码的产物和根据真核基因编码的产物和RNA聚合酶的聚合酶的种类可把真核生物的启动子分为三类:种类可把真核生物的启动子分为三类:l 型启动子型启动子:rRNA基因启动子。基因启动子。l 型启动子型启动子:mRNA基因启动子。基因启动子。l 型启动子型启动子:tRNA启动子。启动子。2真核生物的启动子真核生物的启动子 所属的基因绝大多数为编码蛋白质。所属的基因绝大多数为编码蛋白质。型启动子型启动子
9、也具有也具有两个高度保守的共有序列。其一是在两个高度保守的共有序列。其一是在25附近的一段附近的一段AT富集富集序列,其共有序列是序列,其共有序列是TATAA,称为,称为TATA盒盒。TATA盒与原核盒与原核的的Pribonow盒相似,盒相似,是与是与DNA双链的解链有关,决定转录双链的解链有关,决定转录的起始的起始。其二是在多数启动子中,。其二是在多数启动子中,-70附近共有序列附近共有序列CAAT区区,称为,称为CAAT盒盒,与,与RNA酶的结合有关酶的结合有关。除以上两个区域外。除以上两个区域外,有些启动子上游中含有,有些启动子上游中含有GC盒盒,是转录因子与,是转录因子与DNA分子此它
10、分子此它们可影响转录起始的频率。启动子决定了被转录基因的启动们可影响转录起始的频率。启动子决定了被转录基因的启动频率与精确性,同时启动子在频率与精确性,同时启动子在DNA序列中的位置和方向是严序列中的位置和方向是严格固定的,是由格固定的,是由5到到3方向。方向。型启动子型启动子:转录终止过程包括:转录终止过程包括:(1)RNA聚合酶停在聚合酶停在DNA模板上不再前进,模板上不再前进,RNA的延伸也停止在终止信号上;的延伸也停止在终止信号上;(2)完成转录的)完成转录的RNA从从RNA聚合酶上释放出来聚合酶上释放出来;(3)RNA聚合酶从模板上释放出来。聚合酶从模板上释放出来。二二 终止子(终止
11、子(terminatorterminator,T T):位于基位于基因因33端端,给予给予RNARNA聚合酶转录终止信聚合酶转录终止信号的号的DNADNA序列。序列。对对RNA聚合酶起强终止作用的终止子在结构聚合酶起强终止作用的终止子在结构上有一些共同的特点,有上有一些共同的特点,有1段富含段富含A/T的区域和的区域和1段段富含富含G/C的区域,的区域,G/C富含区域又具有回文对称结富含区域又具有回文对称结构,这段终止子转录后形成的构,这段终止子转录后形成的RNA具有茎环结构。具有茎环结构。并且有与并且有与A/T富含区对应的一串富含区对应的一串U。G/C富含区富含区2 G/C富含区富含区1 A
12、/T富含区富含区 DNA NNAA GCGCCG NNNN CCGGCGC TTTTTT NNN NNTT CGCGGC NNNN GGCCGCG AAAAAA NNN RNA NNAAGCGCCGNNNNCCGGCGCUUUUUUNNN-OHNN N N C G CC G C G RNA结构结构G CC GG CA UA UNNNN UUUU-OH3图:图:强终止子模式图强终止子模式图 mRNA的翻译起始效率主要由其的翻译起始效率主要由其5端的结构序列端的结构序列所决定,称为核糖体结合位点(所决定,称为核糖体结合位点(RBS),它包括下),它包括下列四个特征要素:列四个特征要素:l (1)位
13、于翻译起始密码子上游的)位于翻译起始密码子上游的6至至8个核苷酸序个核苷酸序列列5UAAGGAGG3,即,即Shine-Dalgarno(SD)序列,序列,富含嘌呤核苷酸,通过识别大肠杆菌核糖体小亚基中富含嘌呤核苷酸,通过识别大肠杆菌核糖体小亚基中的的16S rRNA 3端的富含嘧啶区域端的富含嘧啶区域3AUUCCUCC5并与之专一性结合,将并与之专一性结合,将RNA定位于核糖体上,从而定位于核糖体上,从而启动翻译启动翻译。l 三、三、SD序列序列:lSD序列是核糖体序列是核糖体RNA的识别和结合位点的识别和结合位点。(2)翻译起始密码子,大肠杆菌绝大)翻译起始密码子,大肠杆菌绝大部分基因以部
14、分基因以AUG作为阅读框架的起始位点作为阅读框架的起始位点,但有些基因也使用,但有些基因也使用GUG或或UUG作为翻作为翻译起始密码子译起始密码子。(3)SD序列与翻译起始密码子之间的序列与翻译起始密码子之间的距离及碱基组成。距离及碱基组成。(4)基因编码区)基因编码区5端若干密码子的碱端若干密码子的碱基序列。基序列。在组成蛋白质的在组成蛋白质的20种氨基酸中,只有甲硫氨酸种氨基酸中,只有甲硫氨酸和色氨酸仅对应唯一的密码子,另外和色氨酸仅对应唯一的密码子,另外18种氨基酸均种氨基酸均拥有拥有2至至6种不同的密码子,这些编码相同氨基酸的种不同的密码子,这些编码相同氨基酸的不同密码子称为简并密码子
15、。不同密码子称为简并密码子。在在E.coli中,并非每一种密码子都拥有自己的中,并非每一种密码子都拥有自己的tRNA,同一种,同一种tRNA分子往往可以识别多种简并密分子往往可以识别多种简并密码子。码子。四、密码子:四、密码子:采用外源基因全合成的方法,按照大肠杆菌密采用外源基因全合成的方法,按照大肠杆菌密码子的偏爱性规律,设计更换外源基因中不适宜的码子的偏爱性规律,设计更换外源基因中不适宜的相应简并密码子。相应简并密码子。l 原核生物和真核生物基因组中密码子的使用频原核生物和真核生物基因组中密码子的使用频率具有不同程度的差异性,因此,外源基因尤其是率具有不同程度的差异性,因此,外源基因尤其是
16、哺乳动物基因在大肠杆菌中高效翻译的一个重要因哺乳动物基因在大肠杆菌中高效翻译的一个重要因素是密码子的正确选择。素是密码子的正确选择。增强子(增强子(enhancer)是能够增强)是能够增强启动子转录活性的启动子转录活性的DNA顺式作用序列顺式作用序列。增强子的结构类似启动子,由多个增强子的结构类似启动子,由多个元件组成,每个元件可以与一种或多种元件组成,每个元件可以与一种或多种转录调控因子结合。转录调控因子结合。转录调控区通常含有多个自主的转录调控区通常含有多个自主的增强子,每个长增强子,每个长501500bp不等。每不等。每个增强子都有一种特定的功能。个增强子都有一种特定的功能。五、增强子五
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