分子生物学课程思政教学实践案例——原核生物的基因调控(一)乳糖操纵子

课程思政是思想教育的关键环节,有助提高研学生思想意识形态。分子生物学是一门感性与理性并存的学科,既有逻辑推理又有人生哲理。有效地将课程思政与分子生物学融合是提高学生学习能力、思想意识形态和逻辑推理能力的重要手段。本文以"乳糖操纵子调控机制"教学内容为例,从课堂思政融入教学的整体设计思路、教学内容思政教学点、教学效果和教师感悟等几个方面进行了简要介绍,取得了一定教学效果,希望对其他学科的课程思政融入起到很好的借鉴作用。

乳糖操纵子模型的建立与教学中若干问题的解析

基因结构和表达调控机制是现代生命科学的研究热点和焦点。乳糖操纵子是大肠杆菌(Escherichia coli)分解代谢乳糖的一簇基因,其基因组成与表达调控方式是最早被阐明的基因结构与调控机制,因而成为微生物学、遗传学和分子生物学等多门专业课程讲解基因调控机制的经典教学案例和要求重点掌握的内容,备受师生们的重视。该知识点虽然结论简单,记忆容易,但由于触及生命结构与功能的核心机制,内涵丰富,逻辑深奥,理解困难。教师要充分发挥该教学案例的效果并非易事,需要深入了解乳糖操纵子的基因结构和工作原理,特别是科学家揭秘这些奥秘的科学背景和思维过程。本文通过回溯大肠杆菌乳糖操纵子发现和表达模式解析的历程,追随J.Monod和F.Jacob等前辈名家的脚印,聆听他们对实验结果的分析,学习他们的科研思想和创新思维,结合乳糖操纵子的DNA序列,深入分析和理解乳糖操纵子表达的若干奇特现象的原因,共同探讨如何充分发挥遗传学和分子生物学经典案例的教学价值。

高校生物化学教学设计——以乳糖操纵子教学为例

尽管生物化学理论内容抽象、难学,但生物化学对于培养农林医药院校学生解决问题能力和创新能力是至关重要的。该文以乳糖操纵子教学为例,从导课、授课、知识拓展、强化训练、小结5个环节阐述生物化学的教学设计,以期激发学生学习兴趣,提高学生的学习主动性,确保教学目标的实现。

大肠杆菌棉子糖操纵子α-半乳糖苷酶表达的调节控制

大肠杆菌棉子糖操纵子(raf)位于质粒,其第一结构基因rafA编码的α-半乳糖苷酶为诱导酶。raf操纵子比乳糖操纵子(lac)或蜜二糖操纵子(mel)对诱导物有更严格的结构特异性。该酶被蜜二糖或棉子糖诱导,也被D-半乳糖微弱诱导,但不受乳糖、PNPG等结构相近糖所诱导。α-半乳糖苷酶的酶诱导形成能力在对数生长末期出现高峰。raf操纵子基因结构组成及调节与乳糖操纵子相似。以阻遏物为中介的负调控在raf操纵子调节中起主要作用,同时以环腺苷-代谢降解物基因激活蛋白(cAMP-CAP)为中介的正调控也参与调节。当0.4%葡萄糖加入到其它碳源培养基时,该酶表达水平下降至原活力的1/2—1/3。无论诱导或组成型酶的葡萄糖抑制均未见瞬时抑制。腺苷环化酶(cya)缺失或环腺苷受体蛋白(crp)和cya双缺陷菌株的酶表达则分别下降到原活力的9%和2.5%。cya突变株或葡萄糖对raf操纵子表达的抑制可被cAMP解除,但cya和crp双缺陷菌株仍有葡萄糖抑制,而且这种抑制不为cAMP抵消,表明通过降低cAMP而影响cAMP-CAP复合体形成还不能解释代谢降解物抑制的全部机制。尚无证据说明吲哚类小分子化合物和低浓度尿素对raf操纵子表达的明显作用。

乳糖操纵子

介绍了乳糖操纵子的基本结构、结构基因群、启动子、操纵基因、调控基因和终止子的结构和基本功能;并介绍了乳糖操纵子通过阻遏蛋白的负性调控和通过CAP的正性调控的过程和机理。

E.Coli乳糖操纵子模型动力学行为的逻辑代数表达式

把 E.Coli 乳糖操纵子模型中阻抑过程与阻抑解除过程的动力学行为,类比为“开关”的基础上,将乳糖操纵子模型变换为它的逻辑代数表达式。并将该逻辑代数表达式与客观存在的某些生物原型中的阻抑与阻抑解除过程的动力学行为进行比较,可以看出,所建立的逻辑代数表达式与生物原型之间输入与输出是严格等价的。

用乳糖作为诱导剂进行重组蛋白的表达

目的研究用乳糖替代IPTG作为诱导剂进行重组蛋白的表达。方法以表达SARS刺突蛋白片段的工程菌BL21(DE3)/S为模型菌株,采用葡萄糖、甘油作为碳源,不同浓度的乳糖和异乳糖作为诱导剂,在摇瓶中进行表达实验。在40L发酵罐中进行验证。结果在摇瓶实验中,乳糖浓度大于0.5mmol/L即可以很好地诱导目的蛋白的表达,表达量与IPTG诱导时相当;葡萄糖的存在可以抑制乳糖,但不能抑制异乳糖的诱导作用;使用甘油作为碳源,既不抑制乳糖,也不抑制异乳糖的诱导作用。在发酵罐实验中,诱导初始阶段葡糖糖的存在抑制乳糖的诱导作用。结论在以乳糖操纵子为调控手段的工程菌表达系统中,可以使用乳糖作为诱导剂,诱导阶段应采用非葡萄糖碳源。

乳糖酶缺乏

乳糖酶存在于小肠黏膜吸收细胞的刷状缘内，主要作用是使乳糖水解为葡萄糖和半乳糖，在乳糖的消化、吸收中起作用。乳糖酶缺乏是指小肠黏膜刷状缘乳糖酶数量不够或活性低下，如乳糖酶缺乏仅引起乳糖吸收障碍而无临床症状时，称为乳糖吸收不良；如还伴随腹胀、腹痛、腹泻、肠鸣和排气过多等一系列临床症状时，称为乳糖不耐受。

乳糖操纵子介导的半乳糖苷酶在转基因动物中的应用前景

细菌的乳糖操纵子可以在哺乳动物中调控基因的表达,修饰阻抑物基因和操纵基因可调控阻抑物诱导能力及其对操纵基因的亲和力,更好的适应高等动物的内环境。半乳糖苷酶对乳糖操纵子系统有正向调控作用,利用乳糖操纵子在转基因动物中可诱导性调控半乳糖苷酶基因的表达,能有效的提高转基因动物利用半乳糖苷、吸收营养物质的能力。以下从乳糖操纵子的结构功能、乳糖阻抑物功能活性的基因调控、操纵基因的功能以及其在哺乳动物的应用现状四个方面,结合半乳糖苷酶的生理功能和其在转基因动物中应用两个方面进行综述,对乳糖操纵子介导的半乳糖苷酶在转基因动物中的应用效果和前景进行了分析探讨。

单分子水平的酶催化与基因表达研究

近半个多世纪以来生命科学取得了非凡的进展,从DNA双螺旋结构的提出,到第一个酶晶体结构的被解析,都得益于像X射线衍射、核磁共振、质谱这样的物理化学工具的发展.如今,在深入细致地定量研究生物活体系统中我们正面临新的挑战,例如:了解酶及其他大分子复合物在体内是如何实时工作的,它们在分子数很少时是怎样工作的,在活细胞中大分子复合物是如何协调工作的,以及不同的基因在活细胞中分子数很少的情况下是如何实现表达和不表达的等等.近十多年来,单分子成像,超高分辨率显微镜和单分子操纵技术在世界范围内被广泛地运用于生物医学研究,对生物化学和分子生物学的发展产生着深远的影响,因为运用这些单分子、超高分辨技术,使很多如上述的令人感兴趣的生物学问题实现了单分子层面上的研究和理解.本文拟就近年来相关的物理化学方法特别是单分子方法和技术在生物医学中的应用做一个简要介绍.

基因视角下的企业二次创业路径

本文基于企业二次创业和微生物二次生长具有相似性这一特点,构建以人力资源链和财务保障链为双链的企业文化基因结构,提出企业DNA内含子剪切具体过程,建立"企业文化—企业制度—员工技能"的企业中心法则,然后运用该企业中心法则和乳糖操纵子理论分析企业二次创业的微观路径,并对华为二次创业进行案例分析。研究结果表明:企业基因理论研究对企业路径实现有较好的解释作用;企业二次创业是文化、制度和员工技能三个层次上系统化自组织过程。本研究为企业建立二次创业的绩效考核体系提供了新的管理模式。

生命的γ态与基因活动的粗调

当不良环境来临时,生物体不能用很强的生命状态(α态和β态)来保护自己,反而通过基因粗调进入接近非生命的状态(γ态,一般是α态和β态相互转化时的过渡态)来保护自己。用接近死亡的状态来避免死亡,这也是生命辩证法的表现之一。

基因研究的发展与现状

基因学说是影响整个遗传学发展的基础理论。基因研究的发展过程,大体上可以分为两个不同的历史阶段。在本世纪五十年代以前,主要从细胞染色体水平进行研究,属于基因的染色体遗传学阶段;五十年代以后则主要从DNA大分子水平上进行研究,属于基因的分子遗传学阶段。从孟德尔遗传定律的提出到沃森-克里克DNA双螺旋结构的发现的有关历程,

关于英文术语operator的中文译名

本文总结了基因概念的演化、乳糖操纵子的结构及各成分的功能，并以基因的结构与功能为依据，对英文术语operator的中文译名进行了探讨。Operator不编码任何产物．仅参与同一染色体上相邻结构基因的表达调控，不具备基因概念的要素。因此，operator应译作操作子或操作元件。

大肠杆菌分解代谢产物阻遏效应研究进展

细菌在多种碳源共存的环境中优先利用一种(通常是葡萄糖)的现象被称为分解代谢产物阻遏效应。国内现有分子生物学及相关课程教材普遍对该效应的机理解释不清甚至给出错误的解释。大肠杆菌葡萄糖-乳糖分解代谢产物阻遏效应产生的根本原因不是胞内葡萄糖的存在,而是葡萄糖经PTS(Phosphoenolpyruvate:carbohydratephosphotransferase system)系统向胞内运输同时藕联磷酸化的过程。磷酸向葡萄糖的传递导致PTS关键组分EⅡAGlc去磷酸化形式的积累。该形式的EⅡAGlc可以与质膜上本底表达的乳糖透性酶LacY结合,阻止诱导物乳糖的吸收。cAMP的影响也是通过激活参与PTS系统的关键基因而加强了诱导物排斥作用。此外,去磷酸化形式的EⅡBGlc和YeeⅠ对全局性转录阻遏蛋白Mlc活性的抑制也保证了PTS系统关键组分蛋白的基因表达。文章综述了近年来有关大肠杆菌分解代谢产物阻遏效应机理的最新研究进展,并对相关教材有关这一内容的阐述提出了修改建议。

大肠杆菌为何“钟爱”葡萄糖

本文对“大肠杆菌优先利用葡萄糖”这一生物学现象的分子生物学原理进行阐述。

基因标记、转化、表达与检测

933985在瞬时转染测定中对报道基因的表达进行检测和定量的 PCR 方法[英]/Morales,M.J.…∥AnalBiochem.-1993,210(1).-188～194[译自 DBA,1993,12(13),93-07319]开发了 PCR 测定法,能在含报道质粒 DNA 条件下检测报道基因 cDNA。用含一启动子(含有人促生长素(hST)报道基因)的质粒转染细胞。