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。
基因表达调控的机制及其意义
基因表达调控的机制及其意义基因表达调控是指对基因表达的控制过程，从而实现基因功能的调节和调整。
这个过程是正常细胞秩序发展和功能维持的重要保证，同时也与许多疾病的形成和预防密切相关。
本文将从基因表达调控的机制及其意义两方面进行阐述。
一、基因表达调控的机制1.表观遗传学机制表观遗传学是指一种不改变基因序列，但能直接或间接地影响基因表达水平的信息遗传方式。
它通常包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化、组蛋白去乙酰化、RNAi等各种修饰类型。
表观遗传学修饰通常是由酶介导，可以强化或削弱基因转录各环节中的调节因子作用，从而实现基因表达的调控。
2.转录因子和调节元件的作用转录因子是特定序列的DNA结合蛋白，它们可以识别和结合特定DNA序列，从而影响RNA聚合酶复合物与DNA的互作，进而影响基因的表达过程。
而调节元件则是指体积较小的调节区域，包括强化子、启动子、转录终止子等，它们通过与转录因子的结合，进而影响转录因子的转录调节效应。
3.非编码RNA的作用非编码RNA是指不能译码为蛋白质的RNA分子。
它们可以通过直接干扰转录过程、调节染色质状态，或与其他RNA、蛋白质相互作用等方式，对基因表达调控产生影响。
二、基因表达调控的意义1.保证正常细胞功能细胞是生命活动的基本单位，不同类型的细胞在其生命周期内需要进行不同的基因表达调控。
这保证了正常细胞秩序发展和功能维持，从而有助于维护了人体内的正常生命活动。
2.参与疾病形成和预防基因表达调控的紊乱与许多疾病形成的紧密相关。
例如，肿瘤的形成可归结于肿瘤细胞的基因表达异常。
因此，正确掌握基因表达调控机制，对于临床疾病的治疗有非常重要的意义。
另外，一些药物可以针对基因表达调控的不同环节进行调节，从而达到治疗或预防疾病的目的。
3.支持个体遗传多样性基因表达调控决定了不同基因型表现出不同的表型特征。
这样，通过基因表达调控，不同的个体可以呈现出不同的表型特征。
这一多样性不仅体现在生理、生化、心理等诸多方面，同时也有助于维持种族、物种的生态平衡和多样性。
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
生物化学第十三章 基因表达调控
第十三章基因表达调控一、基因表达调控基本概念与原理：1．基因表达的概念：基因表达（gene expression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA 分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。
2．基因表达的时间性及空间性：⑴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。
⑵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。
3．基因表达的方式：⑴组成性表达：组成性基因表达（constitutive gene expression）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。
其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。
这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。
⑵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。
4．基因表达的生物学意义：①适应环境、维持生长和增殖。
②维持个体发育与分化。
5．基因表达调控的基本原理：⑴基因表达的多级调控：基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。
⑵基因转录激活调节基本要素：①顺式作用元件：顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。
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
微生物学中的基因表达调控
微生物学中的基因表达调控微生物学作为生物学的一门分支，研究微生物的运作，其中一个重要的方面就是基因表达调控。
基因表达调控是指细胞如何在不同的环境条件下控制基因的表达，从而决定细胞的功能。
微生物体特别适合研究基因表达调控，因为它们的生命周期非常短，容易生长和复制。
在本文中，我们将讨论微生物学中的基因表达调控。
基因表达调控的类型微生物可以通过许多方式来控制基因的表达，其中一种方式是转录因子的调控。
转录因子是一种蛋白质，能够结合到 DNA 上，并调节转录 RNA 的过程。
转录因子能够促进或抑制序列中的基因表达。
此外，一些微生物可以通过 RNA 干扰来调节基因表达。
RNA 干扰是基于 RNA 分子互相作用的一种过程，它可以抑制蛋白质的翻译，从而影响细胞功能。
基因表达的控制可以发生在不同的层次上。
一些微生物可能通过 DNA 甲基化，即化学改变 DNA 分子的方式来控制基因的表达。
在某些情况下，一个基因所述的表观遗传标记也可以影响其表达。
表观遗传学是一种研究对基因表达的长期调控的方式，这种方式不涉及 DNA 序列的改变。
微生物的信号转导系统许多微生物通过信号转导系统来控制基因表达。
信号转导是一种微生物在不同环境条件下适应性的机制。
它涉及到微生物检测周围的信号和它们对这些信号做出反应的方式。
信号转导通常涉及到一个蛋白质在不同条件下的磷酸化状态的变化。
磷酸化是一种常见的蛋白质修饰方式，它能够改变蛋白质的功能和稳定性。
信号转导系统包括激活剂、响应元件和信号转导通路。
激活剂是一种信号分子，能够启动一个信号转导通路。
响应元件是指由激活剂识别的 DNA 序列，这是控制基因表达的关键。
信号转导通路是一系列相互作用的蛋白质或其他分子，能够传递信号并调节基因的表达。
信号转导系统在微生物学中的研究非常活跃。
通过了解信号转导的工作原理，微生物学家能够在实验室中控制基因表达，并理解微生物在不同环境条件下适应性的机制。
细胞自动质控机制微生物学家正在研究一种称为 CRISPR-Cas 系统的自动质控机制。
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第二节 原核细胞基因表达调控
• 原核细胞基因组的特点 •主要调控是在转录水平，其次是翻译水平。
• 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子 （cistron）。
• 原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一 起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列 对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同 表达。为多顺反子（polycistron）。
基因组内基因的数量非常庞大，但是只有少数 表达，大多数不表达或表达水平极低。
二、基因表达的规律
Specificities of Gene Expression
（一）时间特异性（阶段特异性）
Temporal Specificity (Stage Specificity)
（二）空间特异性（ 组织/细胞特异性）
增强子（enhancer）
正性调节元件
决定基因的组织特异性表达
沉默子（silencer）
负性调节元件
•反式作用因子p508
绝大多数转录因子属于反式作用因子
五、基因表达调控的多层次和复杂性
RNA 复制
复制 DNA 转录
RNA 翻译
逆转录
❖ 基因组
❖ 转录 ❖ 转录后
蛋白质
❖ 翻译 ❖ 翻译后
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
基因表达调控的多层次和复杂性
基因表达调控
第一节 基因表达调控的基本概念
BASIC CONCEPTS OF GENE REGULATION
基因表达（gene expression）：在基因组携带 的固有遗传信息指导下生成各种具有生物学功能的 RNA和蛋白质的过程。
一、基因表达是转录和翻译的过程
基因表达是转录和翻译的过程，但不是所有的 基因表达都产生蛋白质，rRNA和tRNA的产生也属 于基因表达。
A
N7
A
N6
A
N7
A
N6
A
Consensus sequence
二、乳糖操纵子 是原核生物基因转录负调控的最典型模式。
Multi-levels and Compliexity of Gene Expression Regulation
基因激活
DNA甲基化 组蛋白乙酰化
转录起始
转录后加工及转运
mRNA降解
DNA element, TF mRNA可变剪接、编辑 siRNA
翻译及翻译后加工
蛋白质降解
化学修饰 泛素化降解
六、基因表达调控是生物生长发育的基础 • 适应环境、维持增长和增殖
• 真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单 顺反子（single cistron）。
多顺反子：如色氨酸操纵子
一、操纵子 一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。
结构基因
启动子
调控序列
操控元件 阻遏蛋白
特异因子
调节基因
阻遏蛋白 激活蛋白
The Discovery of Operons
In 1961, Francois Jacob and Jacques Monod proposed the operon model of gene regulation in bacteria. They received the Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965 for this work.
（二）适应性表达 adaptive expression
（一）持续表达（基本表达、组成性表达） 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。 •管家基因
定义p358 actin、tublin、GAPDH等
bcl-2 β-actin
12
常用的管家基因
Spatial Specificity (Tissue/Cell Specificity)
二、基因表达的时间和空间特异性
（一）时间特异性 按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺 序发生。 • 甲胎蛋白 •碱性磷酸酶 • 受精卵发育
蛹 3龄期
1龄期 2龄期
Expression patterns of some genes during the ES cell differentiation
（三）协调表达 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。
四、顺式作用元件和反式作用因子 •顺式作用元件p513
真核生物
—— 顺式作用元件 (cis-acting element)
启动子（promoter） 基础元件，决定基因的基本表达 含有共有序列： TATA盒（－25区） GC盒和CAAT盒（－40～－110区）
（二）空间间特异性 指在个体生长、发育过程中，某种基因产物在个体 不同组织器官表达存在差异。又称细胞或组织特异 性。 •胰岛素 •血红蛋白：红细胞 •鸟氨酸循环酶类：肝细胞
三、基因表达方式存在多样性
不同的基因对生物体内、外环境信号刺激 的反应性不同，表达方式也会不同。
（一）持续表达（组成性表达） constitutive gene expression
原核生物启动序列
-35区
trp
TTGACA N1
7
tRNATyr TTTACA N1
6
lac
TTTACA N1
7
recA TTGATA N1
6
Ara BAD CTGACG N1 6
TTGACA
-10区 TTAACT TATGAT TATGTT TATAAT
TACTGT TATAAT
RNA转录起始
N7
中文名称
英文缩写
Beta－肌动蛋白
β-actin
甘油醛3-磷酸脱氢酶 GAPDH TATA Box结合蛋白 TBP
18s 核糖体核糖核酸 18s rRNA
微管蛋白α
α-Tubulin
基本的基因表达一般只受启动子 与RNA聚合酶相互作用的影响， 而很少受其他机制的调节。
（二）适应性表达：诱导和阻遏 诱导 (induction) 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因 产物表达增加 。如DNA损伤修复、HSP 阻遏 (repression) 在特定环境信号刺激下，相应的基因被抑制，基因 产物表达减少 。如色氨酸
•维持细胞分化与体发育
（一）适应环境，维持细胞的正常生长与繁殖
细菌
与葡萄糖代谢有关的酶表达增强 与乳糖代谢有关的酶表达增强
（二）维持细胞分化和个体发育 多细胞生物
Cell differentiation
第二节 原核基因表达调控
REGULATION OF PROKARYOTIC GENE EXPRESSION