基因表达-翻译
原核生物和真核生物基因表达调控复制、转录、翻译特点的比较
原核生物和真核生物基因表达调控、复制、转录、翻译特点的比较1.相同点：转录起始是基因表达调控的关键环节①结构基因均有调控序列；②表达过程都具有复杂性，表现为多环节；③表达的时空性，表现为不同发育阶段和不同组织器官上的表达的复杂性；2.不同点:①原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平。
真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次。
②原核基因表达调控主要为负调控，真核主要为正调控。
③原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性，真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子，依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活。
④原核基因表达调控主要采用操纵子模型，转录出多顺反子RNA，实现协调调节；真核基因转录产物为单顺反子RNA，功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。
⑤真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平，其次是翻译水平。
原核生物基因以操纵子的形式存在。
转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白、负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。
翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。
真核生物基因表达的调控环节较多：在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。
在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。
在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。
在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。
真核基因调控中最重要的环节是基因转录，真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。
基因表达方式
基因表达方式是指基因如何被转录和翻译，从而产生蛋白质的过程。
这个过程可以分为以下几个步骤：1. 转录（Transcription）：在这个阶段，DNA的一条链被酶RNA聚合酶（RNA polymerase）解开，形成两条单链。
然后，RNA聚合酶沿着DNA模板链合成一条互补的RNA链，这个过程称为mRNA（信使RNA）。
mRNA是蛋白质合成的蓝图，它携带了从DNA中编码的信息。
2. 剪接（Splicing）：在mRNA合成后，需要对其进行剪接，去除不需要的部分，保留正确的序列。
这个过程由剪接体（spliceosome）完成，最终得到成熟的mRNA。
3. 转运（Transport）：成熟的mRNA需要从细胞核运输到细胞质，以便进行下一步的翻译。
这个过程由多种蛋白质协同完成，包括核孔复合物（nuclear pore complex）和转运蛋白等。
4. 翻译（Translation）：在细胞质中，mRNA与核糖体结合，开始蛋白质的合成。
这个过程分为三个阶段：起始、延伸和终止。
首先，核糖体识别mRNA上的起始密码子（start codon），形成一个稳定的三元复合物。
然后，核糖体沿着mRNA链移动，每次加入一个氨基酸，形成多肽链。
最后，当遇到终止密码子（stop codon）时，翻译过程结束。
5. 后翻译修饰（Post-translational modification）：在蛋白质合成完成后，还需要进行一系列的后翻译修饰，如磷酸化、糖基化、甲基化等，以改变蛋白质的性质和功能。
这些修饰过程通常发生在细胞质中。
总之，基因表达是一个复杂的过程，涉及到多个步骤和多种蛋白质的协同作用。
通过这个过程，基因的信息被转化为具有特定功能的蛋白质。
名词解释 基因的表达
名词解释基因的表达基因的表达是生物体在其基因组中所拥有的基因在蛋白质合成过程中被转录和翻译的过程。
在这个过程中，基因的信息从DNA分子转录成RNA分子，然后翻译成蛋白质分子。
基因表达是生物体发展、生长和功能运行的基础，对于进化和适应环境起着至关重要的作用。
基因的表达是一个高度调控的过程，包括转录和翻译两个主要步骤。
转录是指DNA中的一段基因被复制成RNA的过程，通过RNA聚合酶酶的催化作用，DNA 的信息被转录成一条RNA链。
这一过程是基因表达的第一步，而转录后的RNA 被称为信使RNA（mRNA）。
转录完成后，mRNA会通过核膜离开细胞核，进入到细胞质中，接下来就是翻译的过程。
翻译是指mRNA上的信息通过核糖体来转译成蛋白质的序列。
核糖体是一种包含多种蛋白质和rRNA（核糖体RNA）的复合物，它根据mRNA的编码序列来合成具有特定功能的蛋白质链。
在基因的表达过程中，除了转录和翻译，还有一系列复杂而精细的调控机制。
这些调控机制可以使细胞在不同的发育阶段、不同环境条件下产生不同的蛋白质，从而实现细胞的分化和特化。
基因表达的调控可以通过多种方式进行，包括转录因子的结合、DNA甲基化和组蛋白修饰等。
转录因子是一类能够结合到特定DNA序列上的蛋白质，它们能够促进或抑制基因的转录过程。
DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰方式，通过在DNA上加上一个甲基基团来影响基因的表达。
组蛋白修饰是指组蛋白上发生的一系列化学修饰，例如酶促的乙酰化、甲基化和磷酸化等，这些化学修饰可以影响染色质的结构和基因的可访问性。
基因表达的调控不仅限于单个基因，还可以通过基因组上的相互作用、基因网络和转录调控元件等方式进行。
例如，转录因子可以相互作用形成互作网络，不同的转录因子可以共同调控一组基因的表达。
转录调控元件是一种特殊的DNA序列，在特定的基因表达调控过程中起到重要的作用。
基因表达的异常往往与多种疾病的发生和发展相关。
例如，某些癌症可能由于基因表达调控失常而导致癌基因的过度表达，进而导致细胞的异常增殖和恶性转化。
生物化学及分子生物学(人卫第九版)-16基因表达调控说课讲解
色氨酸操纵子的结构及其关闭机制
A.前导序列的结构特征；B.在Trp低浓度时，核糖体停滞在序列1上，2/3发卡结构形成，转录继续进行； C.在Trp高浓度时，3/4发卡结构和多聚U序列使得转录提前终止
3.转录衰减的机制 ①色氨酸的浓度较低时，前导肽的翻译因色氨酸量的不足而停滞在第10/11的色氨酸密码子 部位，核糖体结合在序列1上，因此前导mRNA倾向于形成2/3发夹结构，转录继续进行； ②色氨酸的浓度较高时，前导肽的翻译顺利完成，核糖体可以前进到序列2，因此发夹结构 在序列3和序列4形成，连同其下游的多聚U使得转录中途终止，表现出转录的衰减。
3.真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表 达调控的层次。
4.原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调 控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子 （monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及多个基因的 协调表达。
1.原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的
2.操纵子（operon）：由结构基因、调控序列和调节基因组成 ①结构基因：包括数个功能上有关联的基因，它们串联排列，共同构成编码区。这些结 构基因共用一个启动子和一个转录终止信号序列，因此转录合成时仅产生一条mRNA长 链，为几种不同的蛋白质编码。这样的mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息，被称 为多顺反子（polycistron）mRNA。
5种E.coli 启动子的共有序列
b. 操纵元件：是一段能被特异的阻遏蛋白识别和结合的DNA序列。 ③调节基因（regulatory gene）：编码能够与操纵序列结合的阻遏蛋白
基因表达的名词解释
基因表达的名词解释基因表达是指基因在生物体内转录和翻译过程中表达的过程和结果。
基因是指能编码蛋白质的DNA或RNA分子序列，而基因表达则是将基因信息转化为RNA和蛋白质的过程。
基因表达在生物体内起着非常重要的作用，它决定了一个生物体的发育、生长、功能和适应环境的能力。
基因表达的过程包括转录和翻译两个主要阶段。
转录是指DNA模板上基因序列被转录为RNA分子的过程。
在转录过程中，DNA上的一段基因序列作为模板，被RNA聚合酶酶依据碱基互补配对的原则合成RNA分子，形成信使RNA （mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）等多种类型的RNA。
这些RNA分子以不同的方式参与到后续的翻译过程中。
翻译是指mRNA分子通过核糖体和tRNA的调控，以三个碱基密码子一次被翻译为氨基酸序列的过程。
翻译过程中，mRNA的序列决定了氨基酸的排列顺序，tRNA的抗密码子与mRNA的密码子互补配对，将氨基酸送入到正在合成的蛋白质链中。
这样，一连串的氨基酸以特定顺序连接起来，形成特定结构的蛋白质分子。
基因表达的结果是形成具有特定功能的蛋白质。
蛋白质是生物体内功能最复杂、最重要的分子之一，它们可以通过多种形式参与到生物体的各种生理过程中。
例如，酶是一种特殊的蛋白质，它参与了生物体的代谢过程、信号传递和细胞结构的组建等。
其他类型的蛋白质包括结构蛋白、免疫球蛋白、激素等，它们都起着重要的生物学功能。
基因表达的调控是生物体在不同环境和发育阶段下维持自身稳态的重要机制。
调控基因表达的方式非常多样，包括转录因子与DNA结合、甲基化修饰、染色质重塑等。
通过这些方式，生物体可以在不改变基因序列的前提下，使不同基因、不同细胞类型和不同物种表达出不同的基因组和蛋白质组，从而实现生物体的多样化和适应性。
总之，基因表达是基因信息转化为RNA和蛋白质的过程，是生物体发育、生长、功能和适应环境的基础。
对基因表达的深入理解将有助于我们揭示生物体复杂的生理、病理过程，并为人类健康和疾病治疗提供新的思路和方法。
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
分子生物学-4
G
A
珠蛋白基因簇位于第 11 号染色体； , G, A, 和 为功能基因， 为假 基因。
胚胎发育早期的 Hb：22, 22 和 22 妊娠 8 周后胎儿的 HbF：22 成人型 HbA： 22 和 22 (3%)
(二) 空间特异性
在个体生长过程中，某种基因产物在个体中按不同组 织空间顺序出现，称为基因表达的空间特异性 (spatial specificity) 或组织特异性 (tissue specificity)。
真核生物基因表达调控
/10005107/
The ENCODE Project 旨在解析人类基因组中的所有功能性 元件。
染色体结构的变化对基因表达的影响
• DNA 甲基化： 胞嘧啶甲基化； • 染色质修饰：组蛋白的多种共价修饰；
• DNase I 超敏感位点：转录活性基因对 DNase I 极度敏感。
适体区序列保守，能与适体直接结合，使表达平台的构 象变化，形成有选择性的茎环结构，导致 mRNA 转录提前 终止或者抑制翻译的起始。
aptamer region (pink) expression platform (orange)
抑制型核糖开关：适体存在时能抑制基因表达； 激活型核糖开关：适体存在时能启动基因表达。
lacY 基因编码透过酶 (permease)
lacA 基因编码乙酰基转移酶 (transacetylase)
E.coli 在含葡萄糖的培养基中生长 时，lacZ 基因不表达。 当葡萄糖耗尽而乳糖存在时， lacZ 基因表达，-半乳糖苷酶将乳糖水 解成葡萄糖和半乳糖。
Allolactose (异乳糖)
• EF-G (转位酶) 定位在 L12CTD 和 L11-NTD 之间。
基因表达的调控机理和方法
1.乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子）
（1）人们早在上个世纪初就发现了酵母中酶的诱导现象。即分解 底物的酶只有底物存在时才出现。酶受底物的诱导，这种可诱导现 象在细菌中普遍存在。
在培养基中加入适合底物-乳糖或半乳糖后2~3分钟，β一半乳 糖苷酶可迅速达到5000个酶分子，增加了1000倍，占细菌蛋白总量 的5~10%。 (β一半乳糖苷酶水解乳糖→半乳糖+葡萄糖 2个单糖)。
基因表达及其调控的特点
组成性基因表达（constitutive gene
expression）管家基因的表达方式，较
少受环境影响，在个体各生长阶段的几 乎全部组织中持续表达或变化很小。
管家基因（housekeeping gene）在一个
生物个体的几乎所有细胞中持续表达的 基因。
诱导表达（induction expression）有一些基
5、倒位蛋白通过DNA重组倒位而调节基因表达 倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶。
6、衰减子
衰减子又称为弱化子，位于一些操纵子中第一个结构 基因之前，是一段能减弱转录作用的序列。如色氨酸 操纵子序列内含有一段衰减子序列.
7、RNA聚合酶抑制物 细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合酶活性降低， RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止，这种现象称为严 谨反应。机制：当氨基酸缺乏时，游离核糖体与空载的 tRNA增加，在ATP存在下，产生pppGpp和ppGpp， 后者与RNA聚合酶结合形成复合物，进而使RNA聚合酶 构象变化，活性降低。
启动子功能：： （1）决定转录方向及那一条DNA链作模板。（以信 息链的互补链作模板，转录mRNA与信息链一致）
（2）决定转录效率。 E.coli启动子，在-35、－10的 两个区序列称为一致性序列。通过比较大量的E.coli启 动子，表明这两个序列中各碱基的出现频率为-35区： TGACA；-10区：TATAAT。如果某一个启动子与上 述序列越接近，基因的转录效率越强。反之就弱。
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吡咯赖氨酸
22nd AMINO ACID IDENTIFIED in 2002
[Science, 296, 1459 and 1462 (2002)].
中科院生物物理所 龚为民教授参加了 此项工作。
密码的变偶性（摆动性）：
次黄嘌呤
二、tRNA是氨基酸的运输工具
三、核糖体（核蛋白体）是翻译的场所
4E、4G、4B、4A、 Pablp。 eIF-4B帮助起始 蛋氨酰-tRNA寻找起始 AUG。
O
~ H3C-S-CH2CH2-CH-C
NH2
eIF-2GTP
• 80S起始复合物形成： eIF-5帮助大亚基与48S 复合物结合，并水解 GTP，释放相关因子。
原核生物70S起始复合物 形成：
mRNA上的起始密码子的辨认： AUG (GUG)
mRNA上的核糖体结合位点：S.D 序列。
原核生物70S起始复合物形成：
原核生物的核糖体循环
进位
Tu TGsTP
Tu GDP
Ts GTP
5'
AUG
3'
成肽
fMet
E位
是转肽酶催化的肽键形成的过程
转位
fMet
E位
核蛋白体释放 因子（RF）的 结合使肽基转 移酶的构象改 变： 原转肽作用变 为水解作用！
Hsp40 GreE Hsp70 AATDPP
② 分子伴素GroEL的作用机制
二、新生肽链的加工修饰
1、一级结构的加工修饰
肽链的剪接 特定氨基酸的共价修饰 组蛋白修饰
1）肽链的剪接
肽链N端Met或fMet的切除 信号序列的切除 切除新生肽链中的非功能片段 多蛋白的加工 蛋白质的剪接
切除N-甲酰基或蛋氨酸 （1）脱甲酰基酶：去除甲酰基 （2）氨基肽酶：去除蛋氨酸
多核蛋白体循环： 指多个核蛋白体 （10～100个）以 相同的距离、以相 同的 速度、沿着 同一条mRNA翻译出 多条相同的肽链。
当第一个核蛋白体 移动约80个核苷酸 时，第二个核蛋白 体启动，以此类推。
第三节 翻译后产物的加工和 靶向运输
翻译后加工（post-translation processing): 从核蛋白体释放出的新生多肽链一般不具备蛋 白质生物活性，必须经过折叠及不同的加工修 饰过程才转变为具有天然功能构象的成熟蛋白， 该过程成为翻译后加工。
外显肽1
Cys/Ser
Ser/Thr/Cys 外显肽2
现已在22种古细菌、真细菌和单细胞真核生物的30种蛋白中 发现了内含肽，这些蛋白质大约一半参与核酸代谢。蛋 白内含肽常具有一定的生物活性sion—Translation
中心法则
Replication 复制
转录
Reverse transcription
逆转录
翻译
tRNA rRNA
DNA决定遗传性状，而直接表现遗传性状的是蛋白质。
第一节 翻译的体系
The Translation System
一、mRNA是翻译的直接模板
蛋白质的剪接：内含肽(intein)的切除
1990年，Hirata等在酵母液泡膜H＋－ATPase的α亚基(VMA1) 中首次发现了蛋白质自剪接(protein self-splicing)现象。
蛋白剪接成熟过程中内含肽（一般为300～600aa）被切除， 而处于内含肽两侧的外显肽(extein)相连起来产生成熟的 蛋白产物。蛋白质剪接是一个自催化的过程。
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遗传密码类别
遗传密码
代表的信息 说明
起始密码：AUG
起始信号及氨 （真核）代表蛋
基酸信息
氨酸
（原核）代表甲
酰蛋氨酸
终止密码：UAA、UAG和 终止信号 UGA
UGA还代表硒 代半胱氨酸 UAG、还代表 吡咯赖氨酸
余下的密码
只代表氨基酸 信息
硒代半胱氨酸
The 21st amino acid and the 22nd amino acid have their own codons
四、参与翻译的蛋白因子
第二节 翻译过程
• 43S前起始复合物形成： eIF-3与核糖体小亚基结
合，促进大、小亚基解 离，eIF-6参加此过程。 起始蛋氨酰-tRNA与eIF2及GTP的复合物与小亚 基结合。
• 48S复合物形成： 43S前
起始复合物结合在
UAC
mRNA的5´端，并需eIF-
分子伴侣：
Lasky于1978年首先提出分子伴侣（mulecular chaperone）的概念，这是一类在细胞内能帮助新生肽 链正确折叠与装配组装成为成熟蛋白质，但其本身并 不构成被介导的蛋白质组成部分的一类蛋白因子，在 原核生物和真核生物中广泛存在。
① 热休克蛋白机制：
蛋白质在合成时，未折 叠的肽段有许多疏 水的基团暴露在外， 具有分子内或分子 间聚集的倾向，使 蛋白质不能正确折 叠。分子伴侣能可 逆的与未折叠的肽 段的疏水基团反复 结合，使其正确折 叠。分子伴侣还能 与错误聚集的肽段 结合，再诱导其正 确折叠。
一、新生肽链的正确折叠
肽 链 的 折 叠：肽链折叠是指从多肽链 的氨基酸序列形成具有正确三维空间结 构的蛋白质的过程。
体内多肽链的折叠参与的酶及蛋白分子: （ 1 ） 蛋 白 质 二 硫 键 异 构 酶 （ protein disulfide isomerase, PDI）； （2）肽-辅氨酰顺反异构酶（peptide prolyl cistrans isomerase, PPI) （3）分子伴侣
O
~ H3C-S-CH2CH2-CH-C aa2 aa3 aa4 aa5 aa6 aa7 aa8 aa9aa10aan
H-C—NH2
O
切除新生肽链中的非功能片段
切除新生肽链中的非功能片段 酶原激活
胰蛋白酶
切除新生肽链中的非功能片段 前清蛋白原水解剪裁
多蛋白的加工 鸦片促黑皮质素原（POMC）水解剪裁
多蛋白的加工
单一多肽链的切割
POMC: pro-opiomelanocortin 阿黑皮素原 ACTH: adrenocorticotropic hormone, 促肾上腺皮质激素 -LPH: lipotropin, 促脂素，脂酸释放激素 MSH：melanocyte-stimulating hormone 促黑激素 CLIP: corticotropin-like intermediate lobe peptide, 促皮质素样中叶肽 Endorphin: 内啡肽