转录水平调控
基因转录水平调控概念
基因转录水平调控概念
基因转录水平调控是指调控基因在转录过程中产生的mRNA
量的机制。
基因转录是DNA转录为mRNA的过程，是基因表达的第一步。
基因转录水平的调控可以通过多种机制实现，包括转录因子的结合与解离、染色质结构的改变、RNA聚合酶
的活性调控等。
转录因子是一类能够结合到DNA上并调控转录过程的蛋白质，它们可以促进或抑制转录因子的结合，从而影响基因的转录水平。
转录因子的结合位点通常位于基因的启动子区域，能够与RNA聚合酶相互作用，促进或抑制转录的进行。
染色质结构的改变也能够影响基因的转录水平调控。
染色质是复杂的DNA和蛋白质组成的复合体，能够在较大范围内影响
基因的表达。
染色质状态的改变可以通过DNA甲基化、组蛋
白修饰等方式实现，进而影响基因的转录活性。
此外，RNA聚合酶的活性调控也是基因转录水平调控的重要
机制。
RNA聚合酶是负责合成RNA的酶，其活性的调节可以通过环境信号的作用以及转录调控因子的结合来实现。
这些机制能够影响转录因子的结合与解离、RNA链的合成速率以及RNA聚合酶的招募等，从而影响基因的转录水平。
总而言之，基因转录水平调控是通过调控基因的转录过程中产生的mRNA量来实现基因表达调控的过程。
通过转录因子、
染色质结构和RNA聚合酶等的调控作用，可以实现对基因转
录水平的精细调节。
细胞的转录与转录调控
细胞的转录与转录调控转录是生物体中基因表达的重要过程之一。
通过转录过程，DNA 序列将被转录成RNA分子，从而实现基因信息的转换和传递。
转录调控作为机体对基因表达的精细调节机制，不仅控制着细胞内各种生物过程的进行，还决定了细胞发育、分化以及应对环境变化的能力。
本文将从细胞的转录机制以及转录调控的重要性两个方面进行探讨。
一、细胞的转录机制细胞的转录是指在DNA模板的指导下，通过RNA聚合酶酶的催化作用，将DNA主链上的一段编码或非编码的基因序列转录成RNA分子的过程。
具体而言，转录的主要过程可分为如下几个步骤：1. 酶的结合：RNA聚合酶通过特异性与DNA结合，形成RNA聚合酶-DNA复合物。
这种结合形式通常是依赖于酶与DNA特定的序列结合而发生的。
2. 脱氧核苷酸的加入：RNA聚合酶将脱氧核苷酸（dNTP）与DNA 携带的模板链上的核苷酸进行互补配对，并将其加入到新合成的RNA 链中。
3. 转录起始：在DNA的启动子区域，RNA聚合酶会寻找具有特殊序列的基因，以确定转录起始点。
4. 转录终止：当RNA聚合酶通过识别特定的转录终止信号而停止在DNA上的移动时，转录过程达到终止点，生成的RNA链被释放。
通过上述步骤，细胞内的DNA信息得以转录成为RNA分子。
这些RNA分子代表着细胞中特定基因的表达水平，可进一步在蛋白质合成过程中发挥重要的作用。
二、转录调控的重要性转录调控是细胞内对基因转录过程进行精细调控的重要机制。
转录调控的主要目的是在不同发育阶段、组织和环境条件下，使细胞能够选择性地激活或抑制特定基因的转录，从而实现细胞功能和特性的调节。
以下是转录调控的几个重要类型：1. 转录因子：转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质，可以促进或阻止RNA聚合酶与转录起始复合物的形成，从而调控基因的转录。
转录因子在转录调控中起到关键作用，可以通过结合启动子区域和共激活蛋白相互作用，激活或阻止转录的进行。
2. 表观遗传调控：表观遗传调控是指通过对DNA和组蛋白修饰状态的改变，来调节基因的转录过程。
真核生物转录水平的调控机制
真核生物转录水平的调控机制一、转录因子转录因子是真核生物转录水平调控的重要环节。
它们可以识别和结合DNA上的特异序列，从而调控基因的表达。
根据结合位点的不同，转录因子可以分为上游启动子元件和增强子元件两类。
上游启动子元件主要包括TATA box和CAAT box等，而增强子元件则是一种具有增强基因转录功能的DNA序列。
二、染色质重塑染色质重塑是真核生物基因表达调控的重要机制之一。
染色质重塑可以改变染色质的结构，从而影响基因的表达。
染色质重塑过程中，染色质重塑复合物可以将核小体从DNA上移除或重新排列，从而改变染色质的可及性。
此外，染色质重塑还可以影响DNA的甲基化水平，进一步调控基因的表达。
三、miRNA和siRNAmiRNA和siRNA是真核生物中的非编码RNA，它们可以通过与mRNA的特异性结合来调控基因的表达。
miRNA和siRNA可以与mRNA 的3'UTR结合，导致mRNA的降解或翻译抑制，从而调控基因的表达。
此外，miRNA和siRNA还可以通过与转录因子或染色质重塑复合物等相互作用，影响基因的转录和表达。
四、转录起始和延伸转录起始和延伸是真核生物转录水平调控的重要环节。
转录起始和延伸过程中，RNA聚合酶可以识别启动子元件并开始转录，然后沿着DNA序列向下游移动并合成RNA。
在这个过程中，转录起始和延伸复合物可以与RNA聚合酶相互作用，从而影响转录的效率和方向。
此外，一些转录因子也可以与RNA聚合酶相互作用，进一步影响基因的表达。
五、转录后修饰真核生物中的RNA聚合酶可以使用各种转录后修饰来修饰其转录产物。
这些修饰可以包括mRNA的加尾、编辑、剪接和稳定性等。
这些过程可以影响mRNA的翻译效率和稳定性，从而影响基因的表达。
此外，一些蛋白质也可以通过磷酸化、乙酰化或甲基化等修饰来影响基因的表达。
六、细胞周期与细胞分化细胞周期和细胞分化是真核生物细胞生命活动中的重要过程，也是转录水平调控的重要方面。
《转录水平的调控》课件
转录因子在转录过程中的作用机制
激活机制
转录因子通过与DNA上的特异序 列结合，促进RNA聚合酶的招募 ，从而激活基因转录。
抑制机制
转录因子通过与DNA上的特异序 列结合，阻止RNA聚合酶的招募 ，从而抑制基因转录。
共激活剂和共抑制
因子
一些转录因子可以招募共激活剂 或共抑制因子，进一步增强或减 弱其调控作用。
转录因子在疾病中的调控作用
肿瘤发生和发展
一些转录因子在肿瘤发生和发展过程中发挥重要作用，如MYC、FOXM1等。这些转录因子的异常表达可以导致肿瘤 细胞的增殖、侵袭和转移。
免疫系统调控
一些转录因子在免疫系统的发育和功能中发挥重要作用，如NF-κB、IRF等。这些转录因子的异常表达可以导致免疫 系统紊乱，增加疾病易感性。
在转录过程中，RNA聚合酶识别DNA上的启动子 02 序列，并开始合成RNA链。
转录过程中，DNA双链结构中的一条链作为模板 03 ，合成RNA链。
转录的步骤
起始
RNA聚合酶结合到DNA上的启动子序列， 并开始合成RNA链。
延长
RNA聚合酶沿着DNA模板链不断向前移动，同时合 成RNA链。
终止
RNA聚合酶到达DNA上的终止子序列，停 止合成RNA链，并从DNA上释放出来。
表观遗传学主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码 RNA等机制。
表观遗传学调控在细胞分化、胚胎发育、肿瘤发生等多种生物学过程中发 挥重要作用。
DNA甲基化在转录水平调控中的作用
DNA甲基化是指在 DNA序列中，CpG位 点的胞嘧啶被甲基所
修饰的一种形式。
DNA甲基化可以影响 转录因子与DNA的结 合，从而调控基因的
02
原核生物中基因转录调控的机制
原核生物中基因转录调控的机制原核生物是一类比较基础的生物，其中包括细菌、蓝藻、古菌等。
这些生物生活在各种极端环境中，是人类认识生命机制的重要对象。
其中的基因转录调控机制也经常受到科学家们的研究关注。
在原核生物中，基因的转录调控主要包括启动子区域和转录因子两个方面。
启动子是指基因的调控区域，转录因子是指一种蛋白质，它能够与启动子区域结合，从而影响基因的转录水平。
启动子区域是基因调控最基本和重要的部分，包括序列反应元件（response element）和转录起始位点（transcription start site）。
序列反应元件是指启动子区域内的一些特殊元素，它们能够与转录因子结合，从而调控基因的转录水平。
有些反应元件是针对某些特定的转录因子而设计的，比如Escherichia coli细菌中的Lac operon区域的反应元件就是用来诱导lac基因的转录。
转录因子是着重研究的对象之一。
转录因子在原核生物中广泛存在，它们是一些具有特殊结构的蛋白质，能够结合到DNA的启动子区域上，从而调控基因的转录水平。
转录因子分为两类：正常转录因子和反式转录因子。
正常转录因子是指那些促进基因转录的转录因子，而反式转录因子则是那些抑制基因转录的转录因子。
在原核生物中有一个独特的基因调控机制，就是正常转录因子和反式转录因子相互竞争的机制。
这种机制被称为”遗传随机噪声“，其具体运作方式是在细胞内产生一些机率性的分子浓度波动，使得正常转录因子和反式转录因子的结合状态发生时时变化，从而调整基因表达的水平。
最近，科学家们发现在原核生物中还有一种新的基因调控机制，即启动子隐性调控机制。
这种机制指的是一些没有被转录因子结合的启动子区域，它们的存在并不会影响基因的转录水平，但是只要细菌处于某些外界生态条件下，这些启动子区域就能够被转录因子结合，从而影响基因的表达水平。
总结来说，原核生物中基因的转录调控机制包括启动子区域和转录因子两个方面，而在转录因子这个方面中，包括正常转录因子和反式转录因子、遗传随机噪声机制、启动子隐性调控机制等。
基因转录调控和表达水平
疾病相关基因的表达变化
疾病特异性基因表达
某些基因在特定疾病中表达上调或下调，这些基因的表达变化可以 作为疾病的生物标志物。
基因表达谱的改变
疾病状态下，基因表达谱发生显著变化，包括差异表达基因的鉴定 和表达模式的改变等。
基因表达的时空特异性
基因表达在不同组织、不同发育阶段和疾病进程中具有时空特异性 ，对于理解疾病的发病机制和诊断治疗具有重要意义。
转录调控的复杂性和多样性
转录调控的多层次性
基因转录调控涉及多个层次，包括染色体水平、转录水平、转录后 水平等，这些层次之间相互作用，共同影响基因的转录。
转录调控的多样性
不同的基因具有不同的转录调控机制，这种多样性使得细胞能够精 确控制每个基因的表达水平。
转录调控的动态性
转录调控是一个动态过程，随着细胞内外环境的变化，转录调控机制 也会发生相应的变化，以适应细胞的需求。
THANK YOU
03
长读长测序技术
如PacBio和Oxford Nanopore等， 能够直接读取全长转录本，揭示复杂 的转录本结构和变异。
单细胞测序技术
单细胞RNA测序（scRNA-Seq）
对单个细胞进行转录组测序，揭示细胞间基因表达的异质性，解析细胞发育和分化过程中的基因调控 网络。
单细胞ATAC-Seq
检测单个细胞中染色质可及性的高通量测序技术，用于研究单细胞水平上的表观遗传学和基因调控。
发展单细胞测序技术，实现单细 胞水平的基因表达检测，揭示细 胞间的基因表达差异和动态变化 。
利用人工智能和机器 学习优化数据分析
结合人工智能和机器学习技术， 对海量的基因表达数据进行深度 分析和挖掘，提高数据分析的效 率和准确性。
探索基因转录调控在疾病治疗中的应用潜力
基因转录机制的调控
基因转录机制的调控基因是人类遗传信息的基本单位。
基因的表达受到多种因素的影响，其中包括基因转录机制的调控。
基因转录是指将DNA基因序列转录成RNA的过程。
这个过程需要多个转录因子协同作用，包括启动子、转录因子、RNA聚合酶等。
而基因转录的调控则是指这些转录因子如何被调节，以影响基因的表达。
基因的转录调控可以发生在多个层面：染色体水平、转录前后调控以及RNA 剪接调控等。
染色体水平的调控可以通过染色体的结构和改变来影响基因的表达。
例如，组蛋白的修饰、DNA甲基化、染色体构象的变化等可以通过染色体本身的结构来影响基因的转录和表达。
另一种调控是在转录前和转录后。
转录前调控主要发生在启动子区域，该区域包含转录起始位点和调节元件。
这些元件可以通过转录因子的作用来调节基因的表达。
转录后调控涉及到RNA修饰、剪接和降解等过程。
RNA的修饰如N6甲基腺嘌呤的添加、尾端多聚腺苷酸的添加和RNA剪接的变异可以影响RNA的稳定性和功能。
RNA的降解也会在一定程度上调节基因表达。
最近，研究人员越来越意识到不同基因在不同组织和时间点的表达差异是基因调节的重要特征。
这些差异可以通过转录因子、长链非编码RNA（lncRNA）和微小RNA来实现。
这些RNA分别和DNA序列特异地结合并调节基因表达。
lncRNA可以通过模拟或干扰转录因子的作用来调节基因表达；微小RNA可以与基因底物RNA结合并降低其稳定性和翻译效率，从而调节基因的表达。
基因的转录调控是一个复杂的过程。
该过程受到DNA序列、转录因子、RNA 聚合酶、RNA修饰和lncRNA/miRNA等多种因素的影响。
了解基因调控机制可以帮助人们更好地理解基因和生物学现象的多样性和复杂性。
在未来，随着技术的进步，我们将更深入地了解基因调控机制，并将其应用于治疗和疾病预防等方面。
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。
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Negative Positive
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
operon off operon on Pos.
● Repressor binding on O site
阻止转录启动
• Expressor binding front p site
● Operon off
6.4. 染色质重建对基因表达的控制 6.5.Programmed Cell Death (PCD) and
development
基因表达调控的简介
阐明的科学问题
真核与原核生物如何调控数以千、万计 的基因以最为经济、有效的时空模式进 行转录，从而实现对环境的适应、细胞 的分化, 组织的特化 和个体的发育。
Inducer
Add signal mol. Operon off (repressible operon)
Co-repressor
Operon control model
negative
positive
Ind. active
inactive
Rep. inactive
active
• Negative—inducible operon 例 (分解酶类 lactose operon)
基因表达的调控涉及
RNA转录的开/关 数量 选择性加工
蛋白质翻译速率 数量 加工、降解和分泌…
转录水平上的调控是最为经济, 灵活，又是最为重要，复杂的调控
● 在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点 ● 精细调节基因表达的水平, 以保证生物体对环境的适应 ● cis factor & trans factor 间严格而又灵活的互作 ● 保证RNA polymerase 的进行式转录（不中断，准确终止）
Methylation enhanced by repressor
Symmetrical seq. of 21 bp & G/C as axis T can be crosslinked to repressor(binding site)
mRNA startpoint
unwinding
Obstruction? Competition?
RNA polymerase binding Repressor binding
O gene (operator) cis-action factor
Protected by repressor against methylation
第6章 基因表达调控
(Controlling of the Gene Expression)
6.1. transcriptional level control
6.2. post-transcriptional level control
6.3.Gene expression control in translation level
I 基因(trans) 位点不固定
b) operon control type Negative & Positive
• I gene
repressor
expressor (apoinducer)
无辅基诱导物
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
operon on operon off
• 诱导型表达 （inducible expression by signaling molecular）
Luxury gene
• 顺、反因子间和反式因之间的互作方式 Epistasis effect
6.1. transcriptional level control
Prok. operon stringent response attenuator transposon…
遗传信息的概念 C>c
10%; 结构基因的编码序列
全
triplet codon（I类遗传信息）
基 90%; 重复，调节序列, Non coding RNA…
因
组
基因选择性表达指令
重要的遗传信息（II类遗传信息）
遗传信息表达的方式
• 组成型表达（constitutive expression） Housekeeping gene
6.1.1. Operon control
(1961 Jacob. & Monod.)
a) operon concept
● 控制某一代谢途径的相关基因, 紧密连锁地排列在一起, 受同一操纵子控制
Lac operon I p o Z Y A
● 各结构基因按一定比例协调翻译 ( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 ) ● 具有极性突变效应 ● P & O基因(cis)紧密连锁 或 彼此重叠
原核生物与真核生物基因 表达调控机制具有惊人的相似性
共同的起源与共同的分子基础
调控机理上 调控层次上
核酸分子间的互作 核酸与蛋白质分子间的互作 蛋白质分子间的互作
transcriptional level post—transcriptional level translational level post—translational level
IPTG;异丙基 －β－D－硫 代半乳糖苷， 自己不被分解 的强诱导物 （安慰诱导物）
binding between labeled lacO- DNA with 32p and added increasing amounts of lac repressor.
O gene (operator) cis-action factor
激活转录启动 意味转录效率极低
● Negative control 是广泛保险的机制 （自然选择使 Prok. 获得选择优势）
Positive control 是灵活，严格，经济的调控机制
c) Model
● Signal molecular be needed for both types Add signal mol. Operon on (inducible operon)
I
I gene active repressor
38 kd / monomer
tetramer 152 kd
binding on Operator
I+
mut. iC (constitutive mut.)
iS (super--reperessible)
Lac or IPTG lactose analog is inducer of Lac operon