遗传学第十四章基因表达调控
基因表达调控和表观遗传学
基因表达调控和表观遗传学基因是控制生物体发育、生长和功能的最基础的遗传单元。
但是，基因并不是静态地存在于细胞核中，而是被调控着表达，并实现每个细胞和整个生命体系的功能。
基因表达调控是指在基因转录和翻译的过程中，通过转录因子、核糖体等多种分子机制从外部环境和内源性信号中完成对基因表达的精确调节，以确保基因的正常表达，维持生命活动的平衡。
而表观遗传学，则是通过修饰染色体结构和DNA 本身的化学改变，来影响基因表达以及后代细胞和个体的遗传特征。
基因表达调控的分类基因表达调控有两种基本的模式：正向调控和负向调控。
正向调控是指蛋白质转录因子与DNA结合后，启动基因的转录和翻译过程，使其表达和合成；而负向调控则是指结合蛋白质转录抑制因子与DNA，阻止基因转录和翻译的进行。
这两种模式的调控因素可以是外源性信号、内源性因素、细胞周期等多种生物因素。
基因表达调控的分子机制基因表达调控的分子机制主要是通过转录因子、启动子、剪切体等多种分子复合物的结合和相互作用，来实现对基因表达的正常和精确调节。
在转录因子的调节下，基因启动子可被开放，RNA聚合酶能正常转录DNA，逐步形成RNA链，而后在核质中进行翻译，启动运行细胞分子的生产和代谢活动。
同时，剪切体的作用则能够取决于RNA的修饰方式，以及RNA的分子结构，进行后续的转译调控。
表观遗传学的种类表观遗传学是指不涉及DNA序列本身改变的基因遗传学领域，而是指基于DNA核苷酸和蛋白质之间的化学修饰，从而影响基因表达和功能。
表观遗传学的种类主要包括甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、转录后修饰等。
甲基化是指DNA和某些蛋白质上添加甲基基团，从而影响基因或染色体结构可达到调控目的。
组蛋白修饰则是指调节或重塑染色体之间的相互作用，从影响基因包装和通路的方式来实现基因表达的控制。
而染色质重塑通过染色质突变、显微操作、某些细胞周期等手段，对染色质结构进行重塑，以更好地实现对基因的调控和功能调整。
遗传学中的基因表达调控
遗传学中的基因表达调控基因表达调控是指基因在细胞内转录成RNA的过程，并通过翻译成蛋白质来发挥作用的过程。
在生物体内，基因调控是一个复杂且高度精确的过程，它由多种调控机制组成，包括转录调控、转录后调控以及表观遗传调控。
一、转录调控转录调控是指基因在转录过程中的调控机制。
转录因子是一类能够结合到基因的调控区域，并影响该基因转录水平的蛋白质。
转录因子可以激活或抑制基因的转录，从而调节基因的表达水平。
在细胞内，转录因子可以与启动子或增强子结合，促进或抑制RNA聚合酶的结合，进而影响基因转录。
除了转录因子，染色质构象也在基因转录调控中起着重要的作用。
DNA在细胞核中以染色质形式存在，染色质的紧缩程度会影响基因的可读性。
甲基化是一种常见的基因调控方式，可以通过甲基化的方式改变基因座位的染色质结构，进而影响基因的转录。
二、转录后调控在基因转录成RNA的过程中，还有一些后续的调控机制，这些机制主要发生在RNA分子的剪接、修饰和定位过程中。
剪接是指在转录过程中将RNA分子的某些部分去除或结合起来的过程。
剪接的方式多种多样，它可以通过不同的剪接方式产生不同的RNA变异体，进而影响基因的表达。
修饰包括RNA分子中的修饰酶修饰碱基或脱除相应的碱基。
这些修饰可以影响RNA的稳定性和转运能力，从而影响基因的表达。
三、表观遗传调控除了上述转录调控和转录后调控机制外，表观遗传调控也在基因表达中起着重要的作用。
表观遗传调控是指通过改变染色体DNA和相关蛋白质的化学修饰方式，来调控基因的表达水平。
DNA甲基化是表观遗传调控中最常见的机制之一。
DNA甲基化是指通过在DNA分子上添加甲基基团来改变DNA序列的机制。
甲基化通常发生在DNA的CpG岛区域，这些区域通常位于基因启动子和增强子区域。
DNA甲基化可以影响转录因子的结合能力，从而影响基因的表达。
此外，组蛋白修饰也是基因表达调控中的重要机制。
组蛋白是一类与DNA紧密结合的蛋白质，在细胞核中形成染色质。
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。
细胞生物学[第十四章细胞分化与基因表达调控]课程预习
![细胞生物学[第十四章细胞分化与基因表达调控]课程预习](https://img.taocdn.com/s3/m/c7aa2e6a2e3f5727a5e962c7.png)
第十四章细胞分化与基因表达调控一、细胞分化(一)细胞分化的基本概念1．细胞分化在个体发育中,由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化(cell differentiation)。
细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。
细胞分化是基因选择性表达的结果。
2．当家基因与组织特异性基因当家基因(house-keeping genes)是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的。
组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因(luxury genes)，是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能。
3．组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控(combinational control)概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化的调控机制。
即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调节完成的。
生物学作用：一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仪可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成(如眼的发育)。
4．分化启动机制靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。
单细胞有机体的细胞分化与多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。
多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。
5．转分化与再生转分化(transdifferentiation)：一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化。
转分化经历去分化(dedifferentiation)和再分化的过程。
再生(regeneration)：生物界普遍存在再生现象，再生是指生物体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。
遗传学第十四章基因表达的调控
（四）乳糖操纵子的正调控 大肠杆菌的葡萄糖效应
二、色氨酸操纵子中基因表达时的衰减作用 （一）色氨酸操纵子的结构
编码色氨酸合成相关的五个基因trpE,trpD, TrpC,TrpB,trpA；在这五个结构基因上游有启动 区和操纵基因（trpO）；在第一个结构基因trpE 和trpO之间，有一长达160bp的核苷酸序列，称为 前导序列（L），其中含一段衰减子（A）区段。
野生型乳糖操纵子（I+O+Z+Y+A+）的负调控 作用
◆ 细胞中没有乳糖时，阻遏物连到操纵基因上， 阻断转录，没有酶产生。
◆ 细胞中有乳糖时，乳糖与阻遏物连接，诱导转 录，产生相应的酶。
（三）建立乳糖操纵子模型的相关实验分析
1、相关突变体 （1）结构基因本身改变的突变体 Z+ : 能合成β-半乳糖苷酶 Z- : 不能合成β-半乳糖苷酶 （2）组成型突变体
小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA， PPTmRNA）的不同剪接
2、反式剪接
3、RNA编辑
（三）翻译水平的调控 卵母细胞中隐蔽mRNA的调控。P366
（四）翻译后调节 蛋白质剪接
（五）基因表达中的RNA调节 RNAi , miRNA
谢谢大家！
◇阻遏物单体。 ◇阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片
段。
阻遏物单体
阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片段
4、操纵基因（O）的确定 操纵基因序列的突变将导致阻遏物不能识别
和结合到该部位上。从而造成乳糖利用物质继续 合成。
如何识别突变体Oc和I- 。部分二倍体实验。
5、启动子 RNA聚合酶识别和结合部位： -10区： 序列特征 5’-TATGTT-3’ -35区： 序列特征 5’-TTTACA -3’
生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 (二聚化结构域)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
遗传学中的基因表达与调控
遗传学中的基因表达与调控基因是生命的基本单位，是生物体内存储遗传信息的分子。
基因表达与调控是指基因信息从DNA转录成RNA再翻译成蛋白质的过程，以及这个过程中所涉及到的调控机制。
基因表达与调控在遗传学研究中有着重要的作用。
一、基因表达的概念与过程基因表达是指生物遗传信息的表达，即DNA转录成RNA，再通过RNA转换成蛋白质的过程。
这个过程中，RNA是转录作用的产物，蛋白质则是基因信息在功能方面的表达。
基因表达主要包括三个过程：转录、RNA后处理和翻译。
其中，转录是指DNA 序列作为模板，RNA聚合酶将RNA合成，在这个过程中，RNA 链与DNA链形成互补配对，形成RNA链。
随后，RNA通过RNA后处理的过程，在细胞核内进行修剪和剪接，形成成熟的mRNA。
最后，翻译过程将mRNA翻译成蛋白质，采用三个碱基为一个密码子的规律进行翻译。
二、遗传信息的调控基因表达过程中的调控非常重要，因为细胞的状态和环境都会对基因表达产生影响。
因此，可以通过基因表达的调控机制来调整细胞状态和适应环境变化。
1. DNA水平的调控DNA水平的调控是指对基因本身的控制，这种调控有多种形式，如DNA甲基化、组蛋白修饰、转录因子的结合等。
在DNA甲基化过程中，甲基转移酶将甲基添加到特定的胞嘧啶核苷酸上，从而改变了DNA甲基化模式。
这种改变可能会导致基因的表达产生变化。
组蛋白修饰也是一种DNA水平的调控，通过化学修饰调整组织特异性基因的表达。
比如，在组蛋白N端的赖氨基酸上可以发生丝氨酸/苏氨酸激酶催化的磷酸化，而磷酸化状态的组蛋白结构发生变化，因此影响基因的表达。
2. RNA水平的调控RNA水平的调控是指对RNA分子的控制，包括RNA降解、RNA修饰、RNA干扰等。
RNA降解是一种广泛存在于真核生物中的调控机制，可以通过调节RNA的寿命来影响基因表达。
在哺乳动物细胞中，RNA寿命的长短由多个因素决定，包括RNA的序列和结构等。
RNA修饰是指RNA分子中的化学修饰，在翻译和MMR中起到非常重要的作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
遗传学第十四章基因表达调控
小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA， PPTmRNA）的不同剪接
遗传学第十四章基因表达调控
（二）大肠杆菌乳糖操纵子的负调控 1961，法国F.Jacob和J.Monod提出
乳糖操纵子学说（operon hypothesis).
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
野生型乳糖操纵子（I+O+Z+Y+A+）的负调控 作用
lacIs：该突变的效应与lacI-相反，产生的阻遏物分子不 能与乳糖相互作用，而是连在操纵基因序列上，使结构基 因转录关闭。
遗传学第十四章基因表达调控
2、部分二倍体分析
将带调节基因的Fˊ导入E.coli F- 细胞，构建不
同组合的部分二倍体，比较在乳糖存在或没有乳
糖时，野生型和突变型基因的活性。
启动子；近启动子；增强子和沉默子。 （2）转录调节蛋白（反式作用因子）
转录因子；激活因子；铺激活因子；阻遏物。
遗传学第十四章基因表达调控
2、染色质修饰与基因表达 DNA甲基化与基因组印迹。
如小鼠基因组中 IGF-Ⅱ基因。
遗传学第十四Βιβλιοθήκη 基因表达调控（二）转录后水平的调控
1、选择性剪接
如 小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA，PPTmRNA）的不同剪接
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
3、调节基因I的功能及其产物分析 （1）调节基因I的功能 P328 表14-1 （2） lac阻遏物的晶体结构分析
◇阻遏物单体。 ◇阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA
片段。
遗传学第十四章基因表达调控
阻遏物单体
遗传学第十四章基因表达调控
第十四章 基因表达的调控
一、原核生物基因表达的调控
（一）大肠杆菌乳糖操纵子的调控机制 1、大肠杆菌对乳糖的利用和酶诱导 诱导作用（induction) 可诱导系统（inducible system) 与乳糖分解利用相关的酶： β-半乳糖苷酶(Z)；半乳糖透性酶(Y)； 硫代半乳糖苷转乙酰基酶(A).
◆ 细胞中没有乳糖时，阻遏物连到操纵基因上， 阻断转录，没有酶产生。 ◆ 细胞中有乳糖时，乳糖与阻遏物连接，诱导转 录，产生相应的酶。
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
（三）建立乳糖操纵子模型的相关实验分析
1、相关突变体 （1）结构基因本身改变的突变体 Z+ : 能合成β-半乳糖苷酶 Z- : 不能合成β-半乳糖苷酶 （2）组成型突变体
遗传学第十四章基因表达调控
2、反式剪接
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
二、真核生物基因表达调控 （一）真核生物基因转录水平调节 1、真核基因转录调节中的两种主要成分 （1）顺式调节元件
遗传学第十四章基因表达调控
（四）乳糖操纵子的正调控 大肠杆菌的葡萄糖效应
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
二、色氨酸操纵子中基因表达时的衰减作用 （一）色氨酸操纵子的结构
编码色氨酸合成相关的五个基因trpE,trpD, TrpC,TrpB,trpA；在这五个结构基因上游有启动 区和操纵基因（trpO）；在第一个结构基因trpE 和trpO之间，有一长达160bp的核苷酸序列，称为 前导序列（L），其中含一段衰减子（A）区段。
没有诱导物存在，也能进行酶合成的突变型。 多发生在I基因和O基因上。
遗传学第十四章基因表达调控
lacI-：该组成型突变使阻遏物发生改变，不能连到操纵基 因区，结构基因总是处于开放状态。 lacOc：该组成型突变使操纵基因的DNA序列发生改变， 不能与正常的阻遏物分子连接，结构基因处于转录状态。
（3）超阻遏物突变体 突变株丧失合成结构基因产物的能力。
阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片段
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
4、操纵基因（O）的确定 操纵基因序列的突变将导致阻遏物不能识别
和结合到该部位上。从而造成乳糖利用物质继续 合成。
如何识别突变体Oc和I- 。部分二倍体实验。
5、启动子 RNA聚合酶识别和结合部位： -10区： 序列特征 5’-TATGTT-3’ -35区： 序列特征 5’-TTTACA -3’