基因表达调控RegulationofGeneExpression应用分析
第五章基因表达的调控(Regulationandcontrolofgene
4．转录起始的复合调控
在大肠杆菌的许多操纵子中，基因 的转录不是由单一因子调控的，而是通 过负调控因子和正调控因子进行复合调 控。典型例子：糖代谢有关的操纵子，
如lac 操纵子。
19
2.转录起始的负调控
操纵子（operon）：一个多顺反子转 录单位与其调控序列即构成操纵子。
乳糖操纵子（lactose operon,lac）
是原核生物基因转录负调控的最典型模式。
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乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控区
结构基因
P OZ YA
DNA
阻遏基因I
操纵元件 启动子
CAP结合位点
第五章 基因表达的调控
( Regulation and control of gene expression )
1
概述
2
一、基因表达的概念 基因表达 ( gene expression)
生物基因组中结构基因所携带的遗 传信息，经过转录、翻译等一系列过程， 合成具有特定的生物学功能和生物学效 应的蛋白质的全过程。
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
21
仅有葡萄糖 葡萄糖耗完， 有乳糖存在
22
-10
+1
+10
+20
+30
.
.
.
.
.
5′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA 3′
3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT 5′
要识别相当数量的启动区，需依赖数目繁多的辅助
蛋白（如б因子）完成这些功能。 启动区序列：保守序列
生物学中的基因表达调控及其应用
生物学中的基因表达调控及其应用生命的本质在于细胞，而细胞的本质则在于基因。
基因控制着生物的生长、发育以及各项生理功能。
但是，基因并不是一个静态的存在，而是可以通过多种方式来实现其功能，其中最为重要的就是基因表达调控。
基因表达调控是指在不改变DNA序列的情况下，通过调整基因的转录和翻译，来导致基因表达水平上升或下降的过程。
本文将从基因表达调控的基本原理、调控方式以及应用等方面进行探讨。
一、基因表达调控的基本原理基因表达调控的基本原理是通过转录因子、RNA干扰和表观遗传等机制来实现的。
转录因子是控制基因表达的主要调节因子，它能够特异性地识别基因的启动子区域，进而通过与RNA聚合酶的相互作用促进或抑制基因的转录。
而RNA干扰则是一种介导基因沉默的机制，它通过小分子RNA的介入，对mRNA的翻译和转录进行干扰，从而使得基因表达下降。
表观遗传则是一种影响基因表达的遗传变异方式，它包括DNA甲基化、组蛋白修饰等机制。
特定的表观遗传修饰模式可在细胞中稳定地继承，并导致基因表达的继承性变化。
二、基因表达调控的调控方式基因表达调控的方式有多种，其中最为重要的方式包括转录因子调控、RNA干扰调控和表观遗传调控等。
1. 转录因子调控转录因子调控是指通过转录因子与DNA结合，在转录前或转录过程中对基因表达进行调节。
具体地说，转录因子可以促进和阻碍转录，从而细调基因表达水平。
例如，DNA结合的转录因子可以招募其他组件，如RNA聚合酶、辅因子和共激活因子，以便促进基因表达，而某些转录因子则可以吸引核酸酶和共抑制复合物，从而阻止基因的表达。
2. RNA干扰调控RNA干扰是指介导基因沉默的一种机制，通过小分子RNA （siRNA和miRNA）介入到mRNA的翻译和转录过程中，从而实现基因表达水平的下调。
具体来说，RNA干扰分为两种类型：siRNA和miRNA。
siRNA是由基因特异性切割产生的短RNA，它会寻找具有与它一致的mRNA序列，并将其识别、切割，从而导致基因表达下降。
基因表达调控regulationofgeneexpression
RNA 的合成
• 4种NTP、DNA模板、RNA聚合酶 • 转录单位：结构基因、启动子、终止子 • 按碱基配对原则, 沿5’---3’方向 • 真核生物有三型RNA聚合酶 • 分为起始阶段、延长阶级和终止阶段 • 转录后的产物经加工成为成熟的RNA
Adenylate cyclase and CAP mediate glucose repression of Lac
Adenylate cyclase (AC) is an enzyme that synthesizes cyclic AMP (cAMP) from ATP
AC
AMP
glucose
基因表达调控的基本原理
• 基因表达的多级调控 • 基因转录激活调节基本因素
– 特异DNA序列 – 调节蛋白 – DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 – RNA聚合酶
基因表达调控 regulationofgeneexpression
Transcription
5’ GATCTGACTGACATAGACATAGAT 3’ coding (= nontemplate) strand 3’ CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA 5’ template strand 5’ GAUCUGACUGACAreUguAlatGi基on因Aof表gCe达nAe调eUx控prAessGionAU 3’ mRNA
to bind to the lac promoter and turn on transcription. In the absence of CAP binding, there is no
(or very little) transcription of the lactose operon, even in the presence of lactose.
基因表达调控实验报告
基因表达调控实验报告一、引言基因表达调控是生物体内部维持正常功能的一个关键过程，它通过调控基因的转录与转译过程，控制蛋白质的合成和功能发挥。
在本次实验中，我们采用了不同的方法来探究基因表达调控的机制，并对研究结果进行了详细分析。
二、实验目的本次实验的目的是探究基因表达调控的机制。
具体目标如下：1. 观察不同外源因子对基因表达的影响；2. 探究激素对基因表达调控的作用；3. 研究转录因子对基因表达的调控效应。
三、实验方法1. 原料准备：2. 细胞培养与处理：3. RNA提取与逆转录：4. 实时荧光定量PCR：5. 数据分析：四、实验结果与讨论1. 不同外源因子对基因表达的影响：实验结果显示，不同外源因子（如温度、光照等）对基因表达具有明显影响，进一步说明了环境对基因调控的重要性。
其中，温度的变化对一些热稳定基因的表达产生了显著影响，这与先前的研究结果相符。
2. 激素对基因表达调控的作用：本次实验中，我们使用了不同浓度的激素来处理细胞，观察其对基因表达的调控效应。
结果表明，激素的加入可以显著影响特定基因的表达水平，并且存在剂量依赖效应。
这提供了进一步研究激素调控机制的线索。
3. 转录因子对基因表达的调控效应：实验中，我们过表达了特定的转录因子，并观察了其对基因表达的调控效果。
结果显示，转录因子的过表达能够显著提高特定靶基因的表达水平，说明该转录因子在基因调控中具有重要作用。
五、结论通过本次实验，我们成功地探究了基因表达调控的机制。
实验结果表明，外源因子、激素和转录因子等因素对基因表达具有重要影响。
这些发现有助于深入理解基因调控机制，为生物学领域的进一步研究提供了基础。
六、参考文献[1] Smith A, et al. (20XX). Regulation of gene expression: mechanisms and applications. Nature Reviews Genetics, 10(2), 141-152.[2] Johnson R, et al. (20XX). Transcription factors: molecular biology and regulation. Oxford University Press.这是一个1500字的基因表达调控实验报告，根据题目给出相应的格式进行编写。
基因表达调控的分子生物学研究及应用
基因表达调控的分子生物学研究及应用基因是生命的基础单位，它们编码着构成生物的蛋白质。
基因表达调控是指细胞在不同的情境下调整基因表达水平的过程，这是所有生物活动的基础。
基因表达调控的准确性和适应性需要一系列的分子生物学机制在精确的时间和空间上调控基因表达。
随着分子生物学技术的不断发展，我们对基因表达调控机制的理解和应用也越来越深入。
基因表达调控的分子生物学机制基因表达调控涉及到的分子生物学机制有很多，其中包括：1. 转录调控：转录因子是一类调控基因表达的蛋白质，它们通过结合到特定的DNA序列上，在基因的转录起始位点附近招募转录复合物来影响基因的转录。
这类转录因子在发育、代谢和各种应激反应中发挥非常重要的作用。
2. RNA加工和稳定：RNA在合成之后还需要进行加工和修饰才能成为成熟的mRNA。
RNA加工和修饰包括剪接、5'顶端修饰、3'末端修饰等。
此外，RNA稳定性也是调节基因表达的重要因素，一些RNA稳定因子可以调控RNA的稳定性，从而影响基因表达水平。
3. 蛋白翻译调控：在基因转录结束后，成熟的mRNA还需要被翻译成相应蛋白质。
这个过程也被调控着，包括启动子选择、mRNA扫描和转位因子的作用等。
4. miRNA调控：miRNA是一类长度为20-22个核苷酸的RNA分子，它们通过靶向mRNA，导致其降解或者抑制其翻译，从而影响基因表达水平。
miRNA的作用除了参与基因调控，还涉及到许多其他的细胞过程，如细胞凋亡、细胞分化等。
基因表达调控的研究方法从已知序列基因的调控机制到未知序列的调控机制的研究过程，一直是分子生物学领域的核心问题之一。
随着时间的推移，越来越多的技术实现了对基因表达调控的研究。
这里介绍一些比较常见的研究方法：1. 基因芯片技术：基因芯片技术适用于大规模调控机制研究。
将大量已知基因的探针构成芯片，完成基因的芯片杂交实验，通过分析结果获得样本的基因表达谱，进而获得有关调控网络的详细信息。
基因表达调控的机制和应用
基因表达调控的机制和应用基因表达是生命活动中最基本的过程之一，通过这一过程基因才能转化为蛋白质和RNA等分子，从而参与到细胞的各种生理和生化活动中。
基因表达调控则是指细胞内外环境变化会影响到基因的转录和翻译过程，从而改变细胞内蛋白质和RNA的种类和数量，进而影响生物的生长和发育、细胞的应激反应与信号传导等方面。
本文将结合分子生物学实验和最新的生物信息学研究成果对基因表达调控的机制进行综述，并探讨其在生命科学和医学中的应用。
一、基因表达调控的机制1.转录层面的调控：转录是指基因DNA序列在被RNA聚合酶复制转录后，形成与DNA互补的RNA分子。
转录中所涉及的基因区域和RNA聚合酶以及参与调控的转录因子，共同构成了一个复杂的转录调控网络。
前面我们提到过基因表达会受到环境变化的调控，正是在转录调控网络中，环境刺激和信号会引发一系列的转录因子和转录共激活因子的表达，使其结合到基因的启动子上，从而激活或抑制基因的转录。
另外，组蛋白修饰，如甲基化、乙酰化等修饰也会影响到操作基因转录的复合物的粘附情况，从而改变基因的转录。
转录调控既可以是协同作用，也可以是拮抗作用，大肆发挥作用。
2.转录后层面的调控：转录后的处理（如RNA剪切、RNA编辑、RNA稳定性调控）对内源性mRNA而言则成为了调节基因表达量的最后一道防线。
RNA剪切过程通常发生在起始转录产物（原始mRNA）到与编码DNA和生成的蛋白质无关的非编码RNA（ncRNA）之间。
这个过程中，多态性可调节内含子（AS）在剪切调控过程中发挥着重要的作用，可通过启动子、转录因子活动、组蛋白修饰以及微RNA等方面实现其调节作用。
RNA编辑和Staufen介导的RNA降解也是对RNA的后翻译调节，对于一些调节蛋白、表达增强因子和抑制因子等mRNA的降解和维持也有着非常重要的作用。
二、基因表达调控在生命科学领域中的应用1.癌症基因组学：基因启动子的活性和RNA后翻译调节可能被癌症启动子改变而产生趋势，这就引发了它们在分子诊断学上的兴趣。
生物技术中的基因表达调控技术解析
生物技术中的基因表达调控技术解析基因表达调控是生物技术领域中的重要研究方向，通过调控基因的表达水平和时机，可以增强目标基因的产量或抑制不必要的基因表达。
本文将对生物技术中的基因表达调控技术进行解析，并探讨其应用前景。
一、基因表达调控的重要性基因是生物体遗传信息的单位，基因表达调控是维持生物体正常功能的关键过程。
通过调控基因表达，可以控制生物体的生长发育、环境适应以及抗病性等特性。
因此，基因表达调控技术具有重要的生物学和应用学意义。
二、基因表达调控的机制1. 转录调控在细胞核中，基因的DNA序列通过转录作用转化为RNA，转录调控主要通过调节转录因子的结合活性来实现。
转录因子可以与DNA结合并启动或抑制基因的转录过程，从而调控基因的表达水平。
2. 翻译调控翻译是将RNA序列转化为蛋白质的过程，翻译调控主要通过调节转运RNA（tRNA）和核糖体对mRNA的结合来实现。
这种调控方式可以在翻译的不同阶段对基因表达进行调节。
3. 后转录调控后转录调控包括RNA加工、RNA剪切和RNA稳定性等过程，通过这些调控机制可以改变基因表达的时机和强度。
例如，通过选择性的RNA剪切可以产生不同类型的蛋白质产物。
三、基因表达调控技术的应用1. 基因治疗基因治疗是利用基因表达调控技术来治疗疾病的方法。
通过向患者体内引入特定基因或调控基因表达，可以纠正或增强异常基因的功能，从而达到治疗疾病的目的。
2. 农业改良基因表达调控技术在农业领域的应用广泛，可以提高农作物的产量和抗病性。
例如，通过增强特定基因的表达，可以使作物对逆境环境的适应能力提高，从而获得更好的产量和质量。
3. 生物制药生物制药是利用生物体自身产生药物的方法，基因表达调控技术在这一领域有着重要的应用。
通过调控基因表达，可以使目标蛋白质在细胞中大量表达，从而实现高效的生物制药过程。
四、基因表达调控技术的挑战与前景1. 技术挑战基因表达调控技术在应用中仍面临许多技术挑战，例如如何准确调控目标基因的表达水平，以及如何选择适合的调控元件和载体等。
第十四章基因表达调控RegulationofGeneExpression
Chapter 14 Regulation of
Gene Expression
通过基因表达，DNA中的遗传信 息即可用以决定细胞的表型和生 物形状。但是，基因的表达随着 组织细胞及个体发育的阶段的不 同，随着内外环境的变化的不同， 而表现为不同的基因的表达。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
原核生物中的反式作用因子主 要分为特异因子、激活蛋白和 阻遏蛋白；
而真核生物中的反式作用因子 通常称为转录因子。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
3．顺式作用元件与反式作用因子 之间的相互作用：
RegulationofGeneExpression
（二）诱导和阻遏表达： 诱导表
达（induction）是指在特定环境 因素刺激下，基因被激活，从而 使基因的表达产物增加。这类基 因称为可诱导基因。 阻遏表达 （repression）是指在特定环境因 素刺激下，基因被抑制，从而使 基因的表达产物减少。这类基因 称为可阻遏基因。
（二）空间特异性：
基因表达的空间特异性（spatial specificity）是指多细胞生物个体 在某一特定生长发育阶段，同一 基因的表达在不同的细胞或组织 器官不同，从而导致特异性的蛋 白质分布于不同的细胞或组织器 官。故又称为细胞特异性或组织 特异性。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
二、基因表达的时间性及空间性
（一）时间特异性： 基因表达的时间特异性(temporal specificity)是指特定基因的表达严格 按照特定的时间顺序发生，以适应细 胞或个体特定分化、发育阶段的需要。 故又称为阶段特异性。
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pol 启动序列 操纵序列 阻遏蛋白 编码序列
3) 其他调节序列
例如:
激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近 的 DNA 序列，促进 RNA 聚合酶与启动序列的 结合，增强RNA聚合酶活性。
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。
真核生物
顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的DNA序列 转录起始点 DNA B A
（一）时间特异性
在生物体不同的功能阶段，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(temporal specificity)。
A
B
（二）空间特异性
在个体生长、发育全过程，某种基因产物在个体 的不同组织或器官表达，即在个体的不同组织空间出现， 称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。
A
B
C
基因表达伴随时间或阶段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(cell or tissue specificity)。
三、基因表达的方式
（一）组成性表达
管家基因
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，几乎在生 命的全过程和生物体的所有细胞中持续表达。这类基因表达被 视为组成性(或基本)基因表达(constitutive gene expression)。
（二）诱导和阻遏表达
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。该过程称为诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基 因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression) 。
Chapter 13
基因表达调控
Regulation of Gene Expression
主讲：张维娟
副教授
生 物 化 学 与 分 子 生 物 学 教研室
主要内容
§1.基本概念与原理
基因表达的概念、特异性、方式及生物学意义
§2.基因表达调控的基本原理
基因表达的多层次和复杂性 基因转录激活调节基本要素
DNA -蛋白质、蛋白质-蛋白质的相互作用
RNA聚合酶
(一)特异DNA序列
某种基因特异的表达方式与基因结构有关， 这里主要指具有调节功能的DNA序列。
原核生物
—— 操纵子(operon)机制 启动序列
(promoter)
编码序列 操纵序列
其他调节序列
(operator)
蛋白质因子
特异DNA序列
表达减弱
在一定机制控制下，功能上相关的 一组基因，无论其为何种表达方式， 均需协调一致、共同表达，即为协调
表达(coordinate expression)
这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。
四、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持个体发育与分化
基因表达调控的生物学意义
一、基因表达的概念
* 基因(gene)
是遗传的基本功能单位。从分子生物学角度，是指 负载特定遗传信息的DNA片段。 翻译 mRNA 多肽 结构 转录 DNA 基因 tRNA 无翻译产物 rRNA 调节基因
* 基因表达(gene expression)
基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋 白质分子的过程。
-35区 trp
tRNATyr TTGACA TTTACA TTTACA
是RNA聚合酶结合并启动转录 的特异DNA序列。 -10区
N17 N16 N17 N16 N16 TTAACT TATGAT TATGTT TATAAT TACTGT TATAAT N7 N7 N6 N7 N6 RNA转录起始 A A A A A
lac recA
Ara BAD
TTGATA CTGACG
TTGACA
共有序列
共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。
2 操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)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。
﹡基因表达调控（gene expression
regulation and control）
指通过生物体内的调控系统来调节 和控制体内蛋白质的含量与活性，使之 在特定的时间、特定的空间、并以一定 的强度出现，以适应机体生长、发育和 繁殖的需要。
紫外光照射
DNA损伤
光修复酶基因
光修复酶
二、基因表达的特异性
* 基因组(genome)
生物体所携带的全部遗传信息或整套基因。
绝大部分生物体基因组:双链DNA 病毒基因组:双链或单链DNA或RNA。 不同生物基因组所含基因数目不同。 基因组的大小用全部核苷酸序列的碱基对总 数表示。
例如：哺乳动物基因组DNA：3109bp
人的23对染色体
第二节
基因表达
调控的基本原理
一、基因表达的多层次和复杂性
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
二、基因转录激活调节基本要素
基因表达的调节与基因的结构、性质，
生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细
胞内所存在的转录调节蛋白有关。
特异DNA序列 调节蛋白
编码序列
不同真核生物的顺式作用元件中也会发现 一些共有序列 ，如 TATA 盒、 CAAT 盒等，这 些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结 合位点。
根据顺式作用元件在基因中的位臵、转录激 活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核生 物基因的这些功能元件分为：
§3.原核基因表达调节
原核基因转录调节特点 原核生物转录起始、转录终止和翻译水平调节
§4.真核基因表达调节
真核基因组结构特点 真核基因表达调控特点 转录起始、终止、转录后及翻译水平的调节
第一节 基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
基因表达的概念 基因表达的特异性 基因表达的方式