基因表达调控
普通遗传学第十四章 基因表达的调控
第一节 原核生物的基因调控
一、转录水平的调控
→原核生物基因表达的调控主要发生在 转录水平。
→当需要某一特定基因产物时，合成这 种mRNA。当不需要这种产物时， mRNA转录受到抑制。
1、乳糖操纵元模型
大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳 糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增 加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢酶 基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖 操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表 达的调控机制
转录效率更高
→在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp， 也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP 复合物，因此基因不表达。
乳糖操纵元的正调控
2、色氨酸操纵元
大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。
◆trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、
trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 5′端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和 衰减子（attenuator）。
❖ 负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的 调控。
❖ 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相 互作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结 合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序 列结合，激活基因起始转录。
原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中 则主要是正调控机制。
图 14-1 正调控和负调控
2、反义RNA调控
反义RNA可与目的基因的5’UTR（ untranslated region ）互补配对，配对的区域 通常也包括启动子的SD序列，使mRNA不能与 核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。
反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生 物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义 RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。
生物化学 5-基因表达调控
个基因或一些功能相近的基因表达（生物体内基因表达）的开启、
关闭和表达强度的直接调节。
它是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确而灵敏的生存 能力和应变能力，是生物赖以生存的根本之一。
二、基因表达的方式
（一）组成性表达(constitutive gene expression)
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表 达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的， 这类基因可称为管家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少
性。
• 当有葡萄糖存在时， cAMP浓度较低， cAMP与CAP 结合受阻，lac操纵子表达下降。
（4）协调调节
Lac阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作 • 无乳糖，无诱导物时，转录作用被I表达的阻遏蛋白所阻断。 • 有诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合，使其变构，从操纵基
因上解离出来。
调节基因
β －半乳糖苷酶
2、阻遏蛋白 的负性调节
没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻
遏状态。I序列表达的lac阻遏蛋白与
O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序 列结合，抑制转录启动。
有乳糖存在时，lac 操纵子可被诱导。
别乳糖作为诱导剂分子结合阻遏 蛋白，使蛋白构象变化，导致阻 遏蛋白与O序列解离，发生转录
基因产物特异识别、结 合其它基因的调节序列， 调节其它基因的开启或
关闭称为反式调节
基因产物特异识别、 结合自身基因的调 节序列，调节自身 基因的开启或关闭 称为顺式调节
DNA
a
A A
反式调节
b
mRNA
蛋白质A
C
c
DNA
mRNA
顺式调节
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。
第14章 原核生物基因表达调控
第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。
难点：色氨酸操纵子的衰减作用。
第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。
二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。
结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。
调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。
其产物通常是DNA结合蛋白。
调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。
三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。
在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。
这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。
根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。
第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。
细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。
一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。
二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。
四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。
基因表达的调控
基因表达的调控基因表达的调控是生物体中基因活动的一个重要过程，通过调控基因的表达水平，维持细胞的功能和稳态。
基因表达调控涉及多个层次，包括转录水平、转译水平和后转录水平等。
下面将对这些层次的基因表达调控进行详细介绍。
一、转录水平调控转录水平调控指的是通过调节基因的转录过程来控制基因表达的水平。
主要的调控方式包括转录激活和转录抑制。
转录激活因子可以与DNA结合，促进转录因子的结合，从而增强转录过程，而转录抑制因子则能够与DNA或转录因子结合，阻碍转录的进行。
此外，染色质的结构也会对基因的转录起到重要的调控作用，如DNA甲基化、组蛋白修饰等都可以改变染色质的状态，进而影响基因的表达。
二、转译水平调控转译水平调控是指调控基因的转录产物（mRNA）的转译过程。
在细胞中，mRNA需要被翻译成蛋白质才能发挥作用。
转译的调控主要包括转录后修饰和mRNA降解两个方面。
在转录后修饰中，mRNA会经历剪接、剪接调控、RNA编辑等多个步骤，来改变它的结构和功能。
而mRNA降解则通过一系列核酸酶的作用，将mRNA降解成短的片段，从而控制基因的表达。
三、后转录水平调控后转录水平调控是指基因表达的调控发生在转录和转译之后的过程。
在这个阶段，蛋白质会经历一系列的修饰和定位过程，以实现其特定的功能。
这些修饰包括糖基化、磷酸化、乙酰化等，它们可以改变蛋白质的稳定性、定位和相互作用等性质。
此外，许多蛋白质需要通过蛋白酶的作用进行裂解，形成活性的多肽或蛋白质片段。
总结起来，基因表达的调控是一个复杂而精细的过程，涉及多个层次的调控机制。
通过转录水平的调控，可以控制基因的转录过程和染色质的结构状态；通过转译水平的调控，可以调节mRNA的转译和降解过程；而后转录水平的调控，则调节了蛋白质的修饰和定位等过程。
这些调控机制相互作用，共同维持了细胞内基因表达的平衡，保证了生物体的正常功能。
基因表达的调控不仅对细胞发育和生理功能具有重要的影响，还与疾病的发生和进展密切相关。
基因的表达调控
第十三章基因表达调控一．基因表达是指基因转录及翻译的过程。
1.基因是负载特定遗传信息的DNA片段。
cDNA习惯上也称为基因，无内含子遗传学：遗传的基本单位，含有编码一种RNA（多数也指多肽）的信息单位；分子生物学：负载遗传信息的DNA片段。
结构包括：内含子、外显子和调控序列。
2.基因组是一个生物体的整套遗传信息；即一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。
3.基因表达是基因转录及翻译的过程；即在一定调控机制下，基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或产生RNA的过程。
二．基因表达具有时间特异性及空间特异性。
1.按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。
2.多细胞生物从受精卵到个体，有不同的发育阶段。
在每一个阶段都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启和关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。
3.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。
4.基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性。
三.基因表达的方式及调节存在很大差异。
1.基因表达调控：细胞或生物体在接受环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制。
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：组成性表达、诱导或阻遏表达。
2.基本（或组成性）表达：（只受RNA聚合酶和启动子相互影响，不受其他机制调节）某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。
无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。
区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达。
3.诱导和阻遏表达（适应性表达）：（除受RNA聚合酶和启动子相互影响，还受其他机制调节）与管家基因不同，大多数基因表达受环境信号影响。
基因表达调控
第一节 基因表达调控的基本原理
目录
一、基因表达的基本方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
1、组成性表达
某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持 续表达，通常被称为 管家基因(housekeeping gene)。无论表达水平高低，管家基因较少受环 境因素影响，这类基因表达被视为组成性基因 表达。
（一）调控序列（顺式作用元件）
可影响自身基因转录活性的DNA序列。
调控序列
顺式作用元件 启动子
结构基因
RNA-pol等
反式作用因子
调节蛋白
目录
1. 启动子
真核基因启动子是RNA聚合酶结 合位点周围的一组转录控制组件，至 少包括一个转录起始点以及一些功能 组件。如TATA盒。
目录
2. 增强子(enhancer)
目录
目录
六、转录后加工水平的调控 七、翻译水平的调控
目录
小结
1. 基因表达和基因表达调控的概念 2. 基因表达调控的多级调控模式 3. 转录起始调节的要素
顺式作用元件与反式作用因子 4.操纵子概念及乳糖操纵子调控机理
目录
绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通 过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体 (dimer)或多聚体(polymer)。属于蛋白质蛋白 质相互作用.
目录
1. 调节蛋白分类
通用转录因子(general transcription factors) 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。TFⅠ、Ⅱ、Ⅲ。
基因 激活
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
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。
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基因表达调控
基因表达调控是指细胞中基因的转录和翻译过程，以及基因产物的
调控和调节。
调控基因表达可以影响细胞的生理状态和功能。
本文将
介绍基因表达调控的机制和方法。
一、转录调控
转录调控是指通过调节基因的转录过程来影响基因表达。
转录调控
可以通过激活或抑制转录因子的结合来实现。
1. 转录激活
转录激活是指转录因子与启动子结合，促进转录的过程。
转录因子
可以通过结合DNA序列上的特定区域，招募RNA聚合酶，从而启动
基因的转录。
例如，转录因子可以结合到启动子区域，招募辅助蛋白质，形成转录激活复合物，促进转录的进行。
2. 转录抑制
转录抑制是指转录因子与启动子结合，阻碍转录的过程。
转录抑制
可以通过阻止转录复合物的形成或招募转录抑制因子来实现。
例如，
一些转录因子可以竞争性地结合到启动子区域，阻碍转录因子的结合，从而抑制转录。
二、转录后调控
转录后调控是指在基因转录和翻译之后对基因产物进行调控和调节。
1. RNA剪接调控
RNA剪接是指在转录后的RNA分子中去除内含子，将外显子连接
起来的过程。
通过不同的剪接方式，可以合成出不同的mRNA亚型，
从而影响基因表达。
剪接调控可以通过剪接因子的调节来实现。
例如，一些剪接因子的表达水平可以受到转录因子的调节，从而影响剪接的
结果。
2. RNA修饰调控
RNA修饰是指在转录后的RNA分子中添加各种化学修饰基团的过程。
RNA修饰可以通过调节修饰酶的活性来实现。
不同的RNA修饰
形式可以影响RNA的稳定性、转运和翻译效率。
三、表观遗传调控
表观遗传调控是指通过改变染色质结构和DNA甲基化状态来影响
基因的表达。
表观遗传调控可以通过组蛋白修饰、DNA甲基化和非编
码RNA等多种方式实现。
1. 组蛋白修饰调控
组蛋白修饰是指在染色质上修饰组蛋白蛋白质的过程。
组蛋白修饰
可以改变染色质的紧密程度，从而影响基因的可及性。
例如，乙酰化
组蛋白可以解开染色质的紧密程度，促进基因的转录。
2. DNA甲基化调控
DNA甲基化是指在DNA分子上添加甲基基团的过程。
DNA甲基
化可以影响基因的可及性，进而影响基因表达。
高甲基化状态可以抑
制基因的转录，低甲基化状态则有助于基因的转录。
3. 非编码RNA调控
非编码RNA是指在转录过程中产生的不具备蛋白质编码功能的RNA分子。
非编码RNA可以与DNA、RNA或蛋白质相互作用，从而调节基因表达的过程。
例如，某些非编码RNA可以结合到DNA、RNA或蛋白质上，形成复合物，影响基因转录、RNA的剪接或翻译。
总结：
基因表达调控是细胞中基因转录和翻译过程的调节和调控。
转录调控包括转录激活和转录抑制，可以通过转录因子的结合来实现。
转录后调控包括RNA剪接调控和RNA修饰调控，可以通过调节剪接因子或修饰酶的活性来实现。
表观遗传调控包括组蛋白修饰调控、DNA甲基化调控和非编码RNA调控，可以通过改变染色质结构和DNA甲基化状态来影响基因表达。
这些调控机制的研究将有助于我们深入了解基因表达及其在生物体发育和疾病中的重要作用。