备课素材：启动子及其作用机制-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

启动子及其作用机制 先看一道试题： （2025年甘肃高考试题）水稻白叶枯病（植株的叶片上会出现逐渐扩大的黄白色至枯白色病斑）由白叶枯病菌引起，严重威胁水稻生产和粮食安全。科学家利用CRISPR-Cas9基因组编辑技术，对水稻白叶枯病的感病基因SWEET（该基因被白叶枯病菌利用以侵染水稻）的启动子区进行了定点“修改”，编辑后的水稻幼胚通过植物组织培养技术获得抗病植株（如下图）。回答下列问题。 （1）CRISPR-Cas9重组Ti质粒构建完成后，可通过             （方法）将该质粒转入植物细胞，并将              整合到该细胞的染色体上。为了能够筛选出转化成功的细胞，需要在植物组织培养基中添加                 。 （2）实验中用到的水稻幼胚在植物组织培养中被称为            ，对其消毒时需依次使用酒精和              处理。诱导形成再生植株的过程中需使用生长素和细胞分裂素，原因是                     。 （3）为了检测基因编辑水稻是否成功，首先需采用            技术检测目标基因的启动子区是否被成功编辑；然后，在个体水平需将基因编辑后的水稻与野生型水稻分别接种白叶枯病菌，通过比较                  来验证抗病性。 （4）在该研究中，基因编辑成功后的水稻可以抗白叶枯病的原因为              。 答案：（1）农杆菌转化法    Ti质粒上的T-DNA     潮霉素 （2）外植体    次氯酸钠    生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素 （3）：PCR-测序    病斑的大小（或病斑面积、发病情况等合理答案） （4）对感病基因SWEET的启动子区进行定点修改后，白叶枯病菌无法利用该基因侵染水稻 解析：（1）将重组Ti质粒转入植物细胞常用农杆菌转化法。因为农杆菌中的Ti质粒上的T-DNA（可转移DNA）能够整合到植物细胞的染色体DNA上。利用农杆菌侵染植物细胞，从而将重组Ti质粒的T-DNA导入植物细胞。为了筛选出转化成功的细胞，由于重组Ti质粒上含有潮霉素抗性基因（HygR），所以需要在植物组织培养的培养基中添加潮霉素，只有成功导入重组Ti质粒的的T-DNA细胞才能在含有潮霉素的培养基上存活。 （2）在植物组织培养中，离体的植物器官、组织或细胞被称为外植体，所以实验中用到的水稻幼胚被称为外植体。 对水稻幼胚消毒时需依次使用酒精、次氯酸钠处理。 在植物组织培养诱导形成再生植株的过程中，生长素和细胞分裂素是启动细胞分裂、脱分化和再分化的关键激素。不同浓度的生长素和细胞分裂素的配比可以调控细胞的分裂和分化方向，从而诱导形成根和芽等不同的器官，最终形成再生植株。 （3）为了检测基因编辑水稻是否成功，首先需采用PCR-测序技术检测目标基因的启动子区是否编辑成功。通过PCR扩增目标基因的启动子区片段，然后进行测序，与编辑前的序列进行对比，看是否发生了预期的改变。 在个体水平需将基因编辑后的水稻与野生型水稻分别接种白叶枯病菌，通过比较病斑的大小（或病斑面积、发病情况等）来验证抗病性。如果基因编辑后的水稻病斑明 （4）在该研究中，基因编辑成功后的水稻可以抗白叶枯病的原因为：对感病基因SWEET的启动子区进行定点修改后，白叶枯病菌无法利用该基因侵染水稻，从而使水稻获得了抗病性。 这是一道有关基因工程的试题，试题比较常规，在教材的基础上有所拓展，如CRISPR-Cas9基因组编辑技术和DNA测序。 此题考查了启动子人教版教材上的表述为：是一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因上游，紧挨转录的起始位点，它是RNA聚合酶的识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA，最终表达出人类需要的蛋白质。浙科版教材的表述：位于基因“上游”，有RNA聚合酶结合的位点。控制转录的开始。 那么，启动子及其作用机制是什么?。 按照高中生物学知识，质粒元件主要包括目的基因、复制起点(Ori)、标记基因、启动子(Promoter)、终止子、酶切多克隆位点等组成。 启动子是位于基因上游(5'端)的一段特定DNA序列，其核心功能是招募RNA聚合酶和转录因子，启动基因的转录过程。简单来说，启动子是基因表达的“开关”，决定了基因何时、何地以及以何种强度被“激活”，其有助于揭示基因表达调控的分子机制。 1.启动子的结构与组成 （1）核心启动子：主要由转录起始位点(TSS)、TATA盒以及起始子(Inr)组成。其中，TSS是RNA合成起始位置，TATA盒常见于真核生物，位于TSS上游约25-30bp处，帮助RNA聚合酶定位，而Inr主要位于TSS附近，独立于TATA盒，也能启动转录。 （2）近侧启动子元件：位于启动子上游100-300bp的区域，包含转录因子结合位点，如CAAT盒、GC盒等，增强转录效率。 （3）远侧调控元件：主要位于启动子上游或下游较远位置，可跨越数千碱基对，包含增强子、沉默子等调控元件，通过染色质环化与核心启动子相互作用。相关阅读：高考真题解析｜2024年北京高考材料试题——报告基因；增强子；增强子捕获载体 2. 启动子的主要作用 (1) 启动转录: RNA聚合酶需要结合到启动子上，才能开始读取基因序列并合成RNA。 (2) 调控表达强度: 启动子的序列和结构决定了RNA聚合酶的结合效率，从而影响基因的表达水平。 (3) 响应调控信号: 某种启动子能够感知环境信号(例如: 激素、温度、光照等)，动态调节基因表达水平。 3.启动子的工作机制 （1）识别与结合：启动子位于基因的5’端上游区域，是RNA聚合酶识别和结合的核心位点。当细胞需要表达某个基因时，相应的转录因子(包括通用转录因子和特异性转录因子)首先结合到启动子区域。这些转录因子能够识别启动子中的特定序列，例如: 原核生物启动子中的-10区(TATA盒)和-35区，以及真核生物启动子中的TATA框等保守序列。 （2）转录起始复合物形成：转录因子与启动子结合后，会募集RNA聚合酶到启动子上，形成“转录前起始复合物”。在这个过程中，DNA会在该区域解螺旋并暴露模板链，以便RNA聚合酶能够读取DNA序列。（3）转录开始：RNA聚合酶在启动子处精确定位到转录起始位点(TSS)后，开始沿着DNA模板移动，合成RNA。启动子因此起到支架作用，确保转录机器准确装配并开始mRNA合成。 甘肃高考试题情境中的原理就是改变SWEET启动子序列来达到水稻抵抗疾病，原因在于：启动子并非简单的“开关”，其序列差异会显著影响转录活性，例如，强启动子含有多个转录因子结合位点(如CAAT框、GC框等)，能高效募集调控蛋白，大幅提升转录速率；而弱启动子结合位点较少，转录效率较低。 另外，启动子还可通过特定序列实现组织特异性表达，例如， 肝脏细胞中某些基因的启动子含有与肝细胞核因子结合的位点，胰岛β细胞中胰岛素基因的启动子包含与PDX-1蛋白结合的调控区域，这种特异性确保了基因仅在需要的细胞中表达，避免资源浪费。 学科网（北京）股份有限公司 $$