基因的表达与调控
生物学中的基因表达调控机制
生物学中的基因表达调控机制基因表达是指DNA的信息被转录成为RNA分子，然后被翻译成蛋白质，从而实现基因的功能。
每一个细胞都包含了DNA的全部信息，但不同类型的细胞有不同的外部形态和功能，这是因为在不同的细胞中，不同的基因被不同程度地表达。
基因表达调控机制主要包括转录因子、表观遗传学和RNA干扰等方面。
一、转录因子转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质。
它们的主要作用是在转录过程中降低或增加某些特定基因的表达。
转录因子主要结合到与DNA上的启动子序列，并招募转录酶以开始转录。
转录因子与DNA的结合是高度特异性的，这使得它们能够调控特定基因的表达。
转录因子的活性可以被调控，这意味着它们可以适应细胞对环境和不同发育时期的不同需求。
二、表观遗传学表观遗传学是指不改变DNA序列的情况下，通过化学修饰DNA或与DNA相关的蛋白质，调节基因表达的过程。
这些修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等。
甲基化是一种让基因表达沉默的修饰方式，甲基化的DNA上游或下游调节元件会导致DNA的失活。
组蛋白修饰通过对组蛋白磷酸化、甲基化和乙酰化等方式来调控基因的表达。
非编码RNA包括既能够紧密地与DNA相互作用的长长的非编码RNA，也包括可以干扰其他RNA的小RNA。
三、RNA干扰RNA干扰是一种能够调控基因表达的高度保守、非编码的RNA分子系统。
在这里，小RNA分子与特定的靶RNA序列相互作用，从而在RNA的一生中发挥重要的作用。
RNA干扰可以被看作是自然的反义遗传工程。
在许多生物体中，特别是植物和无脊椎动物，RNA干扰被发现能够调控基因表达和抵御病原体攻击。
在生物学中，基因表达调控机制是非常复杂的。
每个细胞内背负着一套复杂却微妙的调控系统，这些调控系统能够使微小的变化对基因表达产生深远的影响。
研究生物体内调控机制的探索是我们逐渐了解生命的复杂性和发展方向的关键之一。
在未来的研究中，我们有理由期待更进一步地了解这些复杂机制，以更好地维护人类健康、发展与自然。
基因的结构与表达调控
基因结构及其表达的调控第一部分知识拓展一、基因的结构基因是有遗传效应的DNA分子片段；基因的遗传效应是指复制、转录、翻译、调控、突变、重组等功能。
（一）原核细胞的基因结构分为编码区、非编码区。
非编码区由编码区上游和编码区下游的DNA序列组成。
非编码区虽然不能编码蛋白质，但起着调控遗传信息表达的作用。
例如位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。
（二）真核基因是不连续基因1、实例：鸡卵清蛋白mRNA与DNA杂交实验鸡卵清蛋白基因的大小和结构如下：（1）A、B、C、D、E、F、G的序列不能转录，约占75.2%(5641bp)（2）L、1、2、3、4、5、6、7的序列能够转录，约占24.8%(1859bp)2、真核基因的结构（1）基因由编码区和非编码区两部分组成（2）基因编码区结构及转录（以不同动物的β-珠蛋白基因为例）二、基因表达的调控（一）原核基因表达的调控1、大肠杆菌在乳糖存在的环境下，乳糖对其代谢基因表达起到诱导作用2、乳糖操纵元的组成3(真核生物基因表达调控的过程与原核生物有许多共同之处。
例如：在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样存在着许多不同的调控序列。
真核生物通过特异性蛋白与某些调控序列的结合与否，来调控基因的转录。
但是，真核生物基因表达调控比原核生物复杂得多，有许多方面是原核生物所没有的表现在：1、DNA含量高和基因数目多，且与其他物质组成核小体2、转录和翻译在空间与时间上分开，转录在细胞核中进行，翻译在细胞质中进行。
3、前体RNA需要剪接才能成为有功能的成熟的信使RNA。
4、多细胞生物在个体发育过程中要发生细胞分化，分化是不同基因表达的结果。
不同组织细胞的基因活化或受阻的时空序列不同，发育阶段、激素水平是基因表达调控的主要因素，营养和环境因素则为次要影响因素。
第二部分例题讲解例1、人胰岛细胞能产生胰岛素，但不能产生血红蛋白，据此推测胰岛细胞中A、只有胰岛素基因B、比人受精卵的基因要少C、既有胰岛素基因，也有血红蛋白基因和其他基因D、有胰岛素基因和其他基因，但没有血红蛋白基因[答案]C。
基因的表达与调控教案
基因的表达与调控教案教学目标：1.让学生了解基因表达与调控的基本概念。
2.让学生理解基因表达调控的生物学意义及其在细胞和生物体发育中的重要性。
3.让学生掌握基因表达调控的环节及其在原核生物和真核生物中的差异。
4.培养学生的思维能力和自主学习能力。
教学内容：1.基因表达调控的概念及重要性。
2.基因表达调控的环节。
3.原核生物和真核生物基因表达调控的差异。
教学重点与难点：重点：基因表达调控的环节及其在原核生物和真核生物中的差异。
难点：基因表达调控的生物学意义及其在细胞和生物体发育中的重要性。
教学方法：1.讲授法：讲授基因表达与调控的基本概念、生物学意义等基础知识。
2.讨论法：组织学生进行小组讨论，探讨基因表达调控在细胞和生物体发育中的重要性及其在原核生物和真核生物中的差异。
3.案例分析法：通过典型案例分析，让学生深入理解基因表达调控的机制及其应用。
教具和多媒体资源：1.投影仪：展示基因表达调控的流程图、示意图等。
2.PowerPoint演示文稿：展示基因表达调控的相关知识点。
3.教学视频：播放基因表达调控的实验过程及相关视频资料。
教学过程：1.导入新课：通过问题导入，让学生思考基因表达调控的意义及其在细胞和生物体发育中的作用。
2.讲授新课：讲解基因表达调控的概念、生物学意义、环节等基础知识，并通过案例分析加深学生的理解。
3.巩固练习：提供一些练习题，让学生巩固所学知识，并组织学生进行小组讨论。
4.归纳小结：总结本节课的主要内容，并回顾基因表达调控在细胞和生物体发育中的重要性及其在原核生物和真核生物中的差异。
评价与反馈：1.设计评价策略：通过小组讨论、提问、测试等方式评价学生对基因表达与调控知识的掌握情况。
2.为学生提供反馈：根据评价结果，为学生提供反馈意见，帮助他们了解自己的学习状况，同时指出需要加强的地方。
基因表达的调控与机制
基因表达的调控与机制基因是生物体内控制生命活动的基本单位，而基因表达则是基因产生生物学效应的过程。
在生物体内，不同细胞的基因表达模式不同，这种差异称为基因表达调控。
基因表达调控是细胞分化、发育、生长、免疫应答和病变等过程中的关键因素。
基因表达调控的机制是深入研究的热点领域，对此我们有必要进行深入探讨。
1.基因表达的调控基因表达调控是生物学的关键过程，其目的是控制基因的转录和翻译，从而使生物能够适应内外环境的不同需要。
基因表达的调控有两种方式：一是属于遗传学范畴的突变和基因重组，二是属于分子生物学范畴的转录后调控和信号转导。
其中转录后调控和信号转导是生物体内基因表达调控的主要手段。
2. 转录后调控转录后调控是指基因转录后，需要进行各种后续加工和调整，才能产生成熟的mRNA和蛋白质。
转录后调控包括RNA加工、RNA剪接和RNA稳定化等。
在RNA加工方面，mRNA的5'端和3'端需要经历不同的修饰，才能够被稳定地存储和表达。
RNA剪接是指在基因转录之后，需要对mRNA进行选择性剪接，以产生不同的转录本。
这些转录本可以在翻译过程中产生不同的蛋白质。
RNA稳定化是指在mRNA合成之后，其稳定性需要得到精细的调控，以保证其能够长时间地存在。
3. 信号转导信号转导是生物体内基因表达调控的另一种方式，它是通过反应分子之间的交互作用来实现的。
信号转导包括细胞表面受体和细胞内信号转导通路两个方面。
细胞表面受体是指细胞表面上的受体分子，它们与外界的信号分子结合，通过改变受体的构象来转导信号。
细胞内信号转导通路是指信号转导的下游分子，它们接收来自上游的信号，从而调节基因表达。
4.基因表达调控的机制基因表达调控的机制是指影响基因表达的各类分子机制。
这些机制中，蛋白质-蛋白质相互作用及其调控、DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA干扰等是较为常见的。
在蛋白质-蛋白质相互作用及其调控方面，蛋白质相互作用是一种广为应用的基因表达调控机制，如转录因子结合DNA，促进或抑制基因转录。
普通生物学中的基因表达调控
普通生物学中的基因表达调控基因是生物体传递遗传信息的基本单位，而基因的表达调控则决定了生物体的发育、适应和功能。
在普通生物学中，基因的表达受到许多调控因素的影响，包括转录因子、表观遗传修饰和环境刺激等。
本文将探讨普通生物学中的基因表达调控。
一、转录因子调控基因表达转录因子是一类能够结合在DNA上的蛋白质，它们能够调控基因的转录过程。
转录因子的结合位点通常位于基因启动子区域，通过结合位点上的转录因子来激活或抑制基因的转录。
一个基因通常可以被多个转录因子调控，它们的结合和组合方式形成了基因表达的调控网络。
例如，在果蝇发育过程中，转录因子Bicoid通过结合在hare酮酸的位点上，激活一系列的下游基因的转录。
这些下游基因进一步调控胚胎的前后轴发育，形成不同的体节段。
二、表观遗传修饰影响基因表达除了转录因子，表观遗传修饰也是基因表达调控的重要一环。
表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的作用等。
这些修饰可以影响染色质的结构和紧密度，从而影响基因的可及性和转录活性。
在哺乳动物中，DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰形式。
DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶将甲基基团添加到DNA分子上，进而影响基因的转录活性。
DNA甲基化的模式可以在细胞分化中形成细胞记忆，决定细胞的特化命运。
三、环境刺激对基因表达的调控环境刺激是基因表达调控中一个重要的调控因素。
生物体需要通过调整基因表达来适应环境的变化。
例如，在植物的应答机制中，光照是一个重要的环境刺激。
光照可以激活特定的转录因子，进而影响植物的光合作用和生长发育。
光照调控基因表达的机制在植物学中被广泛研究，对于改良作物的耐旱性和光合效率具有重要意义。
四、基因表达调控的应用对基因表达调控的深入研究不仅可以帮助我们理解生物体的发育和适应机制，也为科学家们开发新的治疗方法和生物技术应用提供了理论基础。
在癌症治疗中，研究人员已经开始利用基因表达调控的方法来恢复被癌症细胞异常表达的基因。
基因表达的调控机制
基因表达的调控机制基因表达是指基因通过转录和翻译过程将DNA信息转化为蛋白质的过程。
在细胞内，基因表达的调控机制起着至关重要的作用，决定了细胞的功能和特性。
本文将介绍基因表达的调控机制，包括转录调控、转录后调控和翻译调控。
一、转录调控转录调控是指通过调控基因的转录过程来控制基因表达水平。
转录调控主要包括启动子区域的结构和转录因子的结合。
1. 启动子区域的结构启动子是位于基因上游的DNA序列，包含转录起始位点和调控元件。
调控元件包括增强子和抑制子，它们可以与转录因子结合，促进或抑制转录的发生。
启动子区域的结构可以通过DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等方式进行调控。
2. 转录因子的结合转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质，它们通过与启动子区域的调控元件结合来调控基因的转录。
转录因子可以分为激活子和抑制子，激活子能够促进转录的发生，而抑制子则能够抑制转录的发生。
转录因子的结合与DNA序列的亲和性有关，不同的转录因子结合到不同的DNA序列上，从而实现对基因的调控。
二、转录后调控转录后调控是指在转录完成后，通过调控RNA的加工、修饰和稳定性来控制基因表达水平。
转录后调控主要包括RNA剪接、RNA修饰和RNA降解。
1. RNA剪接RNA剪接是指在转录过程中，将前体mRNA中的内含子剪接掉，将外显子连接起来形成成熟的mRNA。
通过剪接的方式，可以产生不同的mRNA亚型，从而调控基因的表达。
RNA剪接的调控主要依赖于剪接因子的结合和剪接位点的选择。
2. RNA修饰RNA修饰是指在转录后，通过添加化学修饰基团来改变RNA的结构和功能。
常见的RNA修饰包括甲基化、腺苷酸转换和伪尿苷酸转换等。
RNA修饰可以影响RNA的稳定性、转运和翻译效率，从而调控基因的表达。
3. RNA降解RNA降解是指通过核酸酶将RNA分解为小片段，从而降低基因的表达水平。
RNA降解的速度受到RNA的稳定性和降解酶的活性的影响。
不同的RNA分子具有不同的稳定性，一些RNA分子具有较长的半衰期，而另一些RNA分子则具有较短的半衰期。
基因表达与调控
基因表达与调控基因是生物体内蛋白质合成的基本单位，而基因表达与调控则是指基因在不同细胞类型和生理状态下的活性水平调节。
通过基因表达与调控，细胞能够在不同环境中正确地产生所需的蛋白质，从而维持生命的正常功能。
本文将从基因表达、基因调控以及相关机制等方面进行论述。
一、基因表达基因表达是指基因通过转录和翻译过程转化为蛋白质的过程。
基因表达分为几个步骤，包括转录和翻译。
转录是指DNA分子通过酶的作用，在细胞核内转录成RNA分子的过程。
翻译是指RNA通过核糖体和tRNA的配合作用，在细胞质中合成蛋白质的过程。
基因表达的过程中，遵循了中心法则，即DNA→RNA→蛋白质。
二、基因调控基因调控是指通过调节基因的表达水平来控制细胞功能和生物体发育的过程。
基因调控的作用机制很多，包括转录水平的调控、RNA后转录调控以及转译后调控等。
转录调控是指通过控制转录过程中的启动子、转录因子和蛋白质复合体等因素的结合，来调节基因表达。
RNA后转录调控是指通过不同的RNA分子、非编码RNA以及miRNA 等调控因子，对RNA分子进行修饰和降解的过程。
转译后调控是指通过对已合成的蛋白质进行修饰、分解和定位等方式调节基因表达。
三、基因表达与调控的相关机制1. DNA甲基化DNA甲基化是指DNA分子中的一些Cytosine碱基通过甲基化酶的作用而被甲基基团修饰的过程。
DNA甲基化可以影响基因的表达，通常甲基化的基因会出现表达静默的现象，从而达到对基因的调控效果。
2. 转录因子转录因子是指能够与DNA特定区域结合，调控基因表达的蛋白质。
转录因子可以通过结合启动子区域，影响RNA聚合酶与DNA结合的能力，从而调控基因的转录过程。
转录因子的表达量和活性水平可以受到其他调控因素的影响，从而进一步调节基因的表达。
3. miRNAmiRNA（microRNA）是一种短链非编码RNA分子，具有调节基因表达的功能。
miRNA可以与靶基因的mRNA结合，通过抑制其翻译或降解来影响基因的表达水平。
基因的表达与调控
No RNA
R-
1 No RNA R-
No RNA
RNA
RNA
RNA
RNA
No RNA
No RNA
1
21
2
2
32
3
3、基因的微细结构
20世纪50年代的生化技术还无法进行DNA的序列 测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术， 对T4噬菌体rⅡ区基因的微细结构进行了详细分析。
野生型T4噬菌体 可侵染B株和K12株 噬菌斑小而模糊
功能上被互补（顺反）测验所规定的核苷酸 序列。
假定有两个独立起源的隐性突变，如a1与a2，它 们具有类似的表型。
如何判断它们是属于同 一个基因的突变，还是分 别属于两个基因的突变？ 即如何测知它们是否是等 位基因？
二、基因的微细结构
1、互补作用与互补测验(顺反测验)
需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突 变间有无互补皱粒表现型是由于缺少了淀粉档分享dnagtacatcatgtacttgaaacttgacctggagaacttgaacttaaatttmrna密码子guacaucuuacuccugaagaaaaa氨基酸dnagtacatmrna密码子gua氨基酸dnaaaatttmmrna密码根据红色面包霉的研究提出了一个基因一个酶的假说后来又被修改为一个基因种多肽链
Enzymes
B
CAP
G
R
ZY A
a
b
P
X
在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就不能 形成正调控因子cAmp-CAP，因此，基因不表达。
目前，通过遗传分析证明了lac操纵元的存在； 已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白 的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序 列结合的结构。
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任务二 原核生物基因表达调控
一、原核生物基因表达调控的特点
（一）原核生物基因表达调控的总体特点 （1）表达调节相对比较简单； （2）细菌中仅存在1种RNA聚合酶识别基因启动子的特殊顺序（主要是以-10和-35为中心 的两个通用顺序），并不必需其它因子的协助； （3）许多基因是以操纵子为单位进行转录调节的； （4）包括正性和负性两种类型的调节； （5）目的主要是使单一的细胞适应营养环境变化以便细胞的生长和分裂尽可能最佳化。
任务三 真核生物基因表达调控
一、转录前水平的调控
转录前水平的调控是指发生在基因组内基因结构的变化，这种调控稳定持久。通过改 变DNA序列和染色质结构等实现基因调控，包括染色质丢失、基因扩增、DNA甲基化、基 因重排、基因修饰（甲基化修饰）和染色质结构改变等，转录前水平的调控并不是普遍存 在的调控方式。例如，染色质的丢失只在某些低等真核生物中发现。
2.反式作用因子 反式作用因子也称为分子间作用因子，能直接或间接与顺式作用元件结合，从而实现
特异基因转录的调控，为调节蛋白。
DNA
a
mRNA
反式调节
A
B
蛋白质A
ACLeabharlann cDNA顺式调节
C
mRNA 蛋白质C
反式调节因子与顺式作用单元相互作用示意图
三、基因表达调控的多层次复杂调节
蛋白质和酶的基因编码与表达过程受到多环节的调控，如基因激活、转录起始、转录 后加工、mRNA降解、翻译及翻译后的修饰与蛋白质降解等。转录起始是基因表达的基本 控制点。
乳糖操纵子
三、翻译水平的调控
（一）mRNA翻译水平差异的调控 mRNA翻译水平受5'起始密码子上游一段富含嘌呤的SD序列的重要影响，这段SD序列能 与16SrRNA3'端的部分核苷酸序列互补，并促使核糖体与mRNA结合，有利于翻译起始。
（二）翻译阻遏作用
蛋白质可作为阻遏物或激活物对转录过程进行调控，在生物体中非常普遍。蛋白质对翻 译过程也能起到调控，如核糖体蛋白。核糖体作为生物大分子，其结构中含中50多种核糖 体蛋白以及多种rRNA。在细胞内，如果存在过量的核糖体蛋白游离存在时，它能引起相关 蛋白质合成过程的阻遏以及自身阻遏。基于翻译水平进行的阻遏称为翻译阻遏
（二）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性和基因转录的特异性 （三）操纵子模型的普适性 （四）受到阻遏蛋白的负性调控性
二、原核生物转录水平调节-操纵子学说
1960-1961年法国巴斯德研究院的F.Jacob和J.Monod对大肠杆菌乳糖发酵过程 中酶的诱导合成及各种突变型进行系统研究，提出了乳糖操纵子模型，清楚的阐明了 原核生物基因表达的调节在转录水平上进行。
二、基因表达调控序列和调控蛋白
（一）原核生物
原核生物调控序列
启动子 (promoter)
结构基因
阻遇蛋白基因 (repressor)
操纵序列 (operator)
特异DNA序列
1.启动序列 是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。启动序列的转录活性大小由共有序列
决定。 2.操纵序列
是阻遏蛋白的结合位点，当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序 列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。 3.其他调节序列、调节蛋白
有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。
（二）真核生物
1.顺式作用元件 顺式作用元件也称分子内作用元件，是指同一DNA分子中参与转录调节的特异DNA碱基
序列，是具有特殊功能转录因子DNA结合位点和其它调控基序（motif）。按功能分为通用调 控元件（如启动子、增强子和沉默子等）和专一调控元件（如激素反应元件、cAMP反应元件 ）。
这一过程称为阻遏表达。
3. 协同表达
➢ 生物体内各代谢途径的生物化学反应复杂，常由多种酶和蛋白质参与，这些酶和蛋白 质的表达受到精确的调控，只有酶和蛋白质表达适度且适当，才能保证生物体的有序。这 种在一定机制控制下，功能上相关的一组基因协调一致、共同表达，即为协同表达。 ➢ 对应的这种调节方式称为协同调节
（三）反义RNA的调控作用
基因的调控除蛋白质水平外，还可以通过RNA对调控因子进行基因调控，也就是反义 RNA与基因DNA或mRNA的相互作用实现调控。反义RNA是一种与靶mRNA互补的RNA分 子，起负调控作用，是一种RNA调节物。转录产生反义RNA的基因称为反义基因。反义 RNA结合的位点通常是mRNA的SD序列、起始密码子AUG和N端的部分密码子，从而抑制 mRNA的翻译。人们称这类RNA为干扰mRNA的互补RNA，简称micRNA
（四）鸟苷多磷酸的调控作用
当细菌生长环境中缺乏足够的氨基酸时，细菌蛋白质的合成受到抑制，为节约营养物质 的消耗而适应环境，细胞会关闭大部分的代谢途径，这种现象称为严谨反应。当环境营养条件 改善时，代谢途径陆续恢复。研究发现，细菌在氨基酸营养极度缺乏时，体内产生两类稀有核 苷酸，即鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp），合称为（p）ppGpp。（p） ppGpp参与细菌体内众多基因的表达和蛋白质的合成，如细菌的生长速率与（p）ppGpp总体 水平成反比。
项目十四 基因的表达与调控
任务一 概述
一、基因表达的特异性与表达方式
（一）基因表达的特异性
1.时间特异性：是指不同基因在生命的同一生长发育阶段的表达是不一样的，同一基因在生命 的不同生长发育阶段表达也是不一样的，而同一基因在不同个体同一生长发育阶段的表达是一 样的，这种特定基因表达严格按特定时间顺序发生的基因表达称基因表达的时间特异性。 2.空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基 因表达的空间特异性。
（二）基因表达的方式
1. 组成性表达：有些基因在生命活动的全部过程中都是必不可少的，在生物 体几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因，这类基因表达被视为组 成性基因表达。
2.诱导表达和阻遏表达： 与管家基因不同，有些基因的表达受环境的因素影响，在特定环境信号刺激下，相应的
基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因，这一过程称为诱导表达。 在生物体内，有些基因的表达受到环境信号的刺激而关闭或弱化，基因表达水平降低，