基因表达的概念及特点
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基因表达的概念和特点
基因表达的概念和特点
•基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整 套基因。
•基因表达(gene expression) 基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功 能的蛋白质分子或RNA分子的过程。
•基因表达调控(gene regulation, or regulation of gene expression)
A
四种母源影响基因的 mRNA和蛋白沿果蝇 胚胎前-后轴分布的
浓度变化图
BICOID
NANOS P
HUNCHBACK
CAUDAL
（3）选择性
• 普遍性
特殊性
外界环境的影响下，原癌基因由抑制变成激活，正常表达导致癌症， 而正常生物体内的原癌基因就不能表达。
基因表达是受严格调控的。
Regulation of Gene Expression
Chromatin
epigenetic control
Protein degradation RNA silencing
一般而言的基因表达调控范畴
特点 （1）时间特异性
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)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。
人体发育过空间特异性
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(spatial specificity)。
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(cell or tissue specificity)。
•基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整 套基因。
•基因表达(gene expression) 基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功 能的蛋白质分子或RNA分子的过程。
•基因表达调控(gene regulation, or regulation of gene expression)
A
四种母源影响基因的 mRNA和蛋白沿果蝇 胚胎前-后轴分布的
浓度变化图
BICOID
NANOS P
HUNCHBACK
CAUDAL
（3）选择性
• 普遍性
特殊性
外界环境的影响下，原癌基因由抑制变成激活，正常表达导致癌症， 而正常生物体内的原癌基因就不能表达。
基因表达是受严格调控的。
Regulation of Gene Expression
Chromatin
epigenetic control
Protein degradation RNA silencing
一般而言的基因表达调控范畴
特点 （1）时间特异性
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)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。
人体发育过空间特异性
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(spatial specificity)。
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(cell or tissue specificity)。
生物化学-第十八章 基因表达调控
3、协调调节
※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能 发挥作用；
※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序 列结合，操纵子仍无转录活性。
单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌 首先利用葡萄糖。
葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢 阻遏(catabolic repression)。
胰岛素基因 胰岛β细胞
三、基因表达的方式多样性
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
（一）基本表达 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，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。这类基因表达被视为基本（或组成性） 基因表达(constitutive gene expression)。
无专一性，需要启动子才能发挥作用。 酵母：上游激活序列（UAS）
3. 沉默子(silencer)
某些基因的负性调节元件，当其结合特异 蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
（二）反式作用因子 1. 转录（调节）因子分类（按功能特性）
* 基本转录因子(general transcription factors) 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组
GC盒: GGGCGG CAAT盒: GCCAAT
• 位于-30 〜 -110bp区域 • 与相应蛋白因子结合，影响转录效率。
典型的启动子由TAAT盒和CAAT盒和/或 GC盒组成，通常具有一个转录起始点及较高的 转录活性。
2. 增强子(enhancer)
指远离转录起始点、决定基因的时间、 空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序 列。发挥作用的方式：与方向、 距离无关。
基因表达与调控
假设某一基因的表达受一种调控蛋白质(regulator protein)控制，只有在调控蛋白质与该基因的启动子位点结合时，这个基因才能表达。如果这个基因的启动子位点发生突变，调控蛋白不能识别这个位点，也就不能转录形成RNA，基因就不能表达(图8－3)。 如基因的启动子发生突变，使得调控蛋白不能识别启动子结构，该基因就不能表达；只影响基因本身的表达， 而不影响其它等位基因的调控突变。 调控蛋白发生突变，不能与某基因的启动子结合， 还会影响到与该调控蛋白结合有关的所有等位基因位点 表达。
3. 激活子： 激活子(transcription activator):是一种与强化子结合的蛋白质，属于一种转录因子。 正激活子包括： 真激活子：与转录复合体接触激活转录； 抗阻遏物激活子：改变染色质结构（染色质重建） 与转录因子结合来提高转录效率。 负激活子：抑制转录的因子。
一些基因在所有细胞中都呈现活跃状态，为组成型表达，称为看家基因(house keeping gene)。 另一些基因则在不同细胞或组织中呈现高度表达，受到一定的调控，称为特异表达基因。
启动子和转录因子： 启动子(promoter)： 转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于基因上游某一固定位置，紧接转录起始点，是基因一个组成部分。 转录因子(transcription factor，TF) ：激活真核生物基因转录的一系列蛋白质。
一、原核生物的基因调控：
、转录水平的调控: 负调控：细胞中阻遏物阻止基因转录过程的调控机制。 阻遏物与DNA分子结合阻碍RNA聚合酶转录使基因处于 关闭状态； 正调控：细胞中激活子激活基因转录过程的调控机制。 诱导物通常与蛋白质 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 使基因处 于表达的状态。
《生物化学》-第八章
➢ 与前述操纵子的基本组成一样，乳糖操纵子也是由结构基因和调控区组成的 ➢ 乳糖操纵子包括Z、Y和A三个结构基因 ➢ Z结构基因编码β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳糖 ➢ Y结构基因编码半乳糖透过酶，促使半乳糖透过酶进入细菌内 ➢ A结构基因编码乙酰转移酶，催化半乳糖形成乙酰半乳糖 ➢ 调控区包括调节基因（I）、启动子（P）、操纵基因（O）及启动子上游的一个CAP结合位点，
第一节 基因表达的调控
二、基因表达调控的概念和意义
（一）基因表达调控的概念
➢ 基因表达调控是指细胞或生物体在接收内外环境信号刺激 或适应环境变化的过程中，在基因表达水平上所做出的应 答，即基因组内的基因如何被表达、表达多少等
➢ 基因表达调控大致可以在5个层次上进行，即转录前、转 录、转录后、翻译和翻译后
➢ 基因表达是指在一定的调节机制的控制下，基因组DNA经 转录、翻译等一系列过程，合成具有特异生物学功能的蛋 白质的过程
➢ 并非所有基因表达过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA编码 基因转录生成功能型RNA的过程也属于基因表达
第一节 基因表达的调控
一、基因表达的概念、特点及方式
（二）基因表达的特点--时间特异性
5′-侧上游，主要控制整个结构基因群的转录
第一节 基因表达的调控
三、原核生物基因表达的调控
（一）操纵子的基本组成
➢ 3．操纵基因 ➢ 操纵基因是指能被阻遏蛋白特异性识别并结合
的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子 序列重叠 ➢ 当阻遏蛋白结合在操纵基因上，阻遏蛋白会阻 碍RNA聚合酶与启动子结合或使RNA聚合酶 不能沿DNA链向前移动，从而阻遏转录的进行
（一）操纵子的基本组成
➢ 1．结构基因 ➢ 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因 ➢ 一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达20个以上 ➢ 各结构基因头尾衔接、串联排列，组成结构基因群
基因表达
DNA甲基化、组蛋白修饰及RNA分子的作用可在不同层面影响DNA分子的表达，其中任何环节出现错误都会导致不同的表达错误，从而引发人类疾病。
如果我们能控制DNA的表达，将可以使癌症、病毒引发的疾病（如肝炎、艾滋病）、血液疾病等得到治愈。
首先，简单谈下基因表达。
基因表达指的是基因转录及翻译的过程。
基因表达有两种方式：一种是组成性表达，指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
另外一种是适应性表达，指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
那么基因的表达有何规律呢？时间和空间的特异性是基因表达规律两大特点。
时间特异性指的是按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。
空间特异性指的是在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现。
基因的表达调控无论是对真核生物还是原核生物都有着重要的作用，它能维持个体发育和分化，让个体更好的适应环境。
在基因表达里有个在存在于DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列称为启动子。
真核生物根据转录的方式可将启动子分三类。
1、RNA聚合酶I的启动子主要由两部分组成。
目前了解较清楚的是人的RNA聚合酶I的启动子。
在转录起始位点的上游有两部分序列。
核心启动子（core promoter）位于-45至+20的区域内，这段序列就足以使转录起始。
在其上游有一序列，从-180至-107，称为上游调控元件（upstream control element，UCE)，可以大大的提高核心启动子的转录起始效率。
两个区域内的碱基组成和一般的启动子结构有所差异，均富含G．C对，两者有85％的同源性。
2、RNA聚合酶Ⅱ的启动子位于转录起始点的上游，由多个短序列元件组成。
该类启动子属于通用型启动子，即在各种组织中均可被RNA聚合酶n所识别，没有组织特异性。
经过比较多种启动子，发现RNA聚合酶II的启动子有一些共同的特点，在转录起始点的上游有几个保守序列，又称为元件（elememt）。
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-
➢ 增强子（ enhancer ）
指能增强启动子转录活性的DNA序列。通常 远离转录起始点，决定基因表达的时间和空 间特异性，但其作用与方向、距离无关。在 酵母中，类似的序列称为上游激活序列 （upstream activator sequences, UASs）。
➢ 沉默子（ silencer ）
CAP and positive regulation
➢ 阻遏蛋白负调节与CAP正调节的协调
当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能 发挥作用；而没有CAP存在时，即使没有阻 遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活 性。只有在CAP存在且没有阻遏蛋白与操纵 序列结合时，或者说只有高乳糖低葡萄糖时， 操纵子发挥最大转录活性。
➢操纵序列
操纵序列是阻遏蛋白的结合位点。当阻遏蛋 白结合到操纵序列上时，会阻碍RNA聚合酶 与 启 动 子 的 结 合 ， 或 是 RNA 聚 合 酶 不 能 沿 DNA向前移动，阻碍转录。
The structure of operon
2.2 乳糖操纵子调节机理
➢ 乳糖操纵子由三个结构基因Z、Y、A和操 纵序列、启动子、CAP结合位点等调节序列 组成。
协调表达（coordinate expression）：在一定 机制控制下，功能相关的一组基因，无论其 为何种表达方式，均需协调一致、共同表达。 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节 （ coordinate regulation）。如SOS反应。
1.4 基因表达的多级调节
基因表达至少可在8个环节进行调节。原核 生物基因调节主要在转录水平；真核生物则 在不同水平进行。
➢ 当没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻碍 状态。当有乳糖存在时，乳糖操纵子被诱导。
➢ 乳糖操纵子的诱导剂是异乳糖。IPTG是异 乳糖的结构类似物，在基因工程中用作lacZ 基因表达的诱导剂（见基因工程的蓝白斑筛 选） 。
指能增强启动子转录活性的DNA序列。通常 远离转录起始点，决定基因表达的时间和空 间特异性，但其作用与方向、距离无关。在 酵母中，类似的序列称为上游激活序列 （upstream activator sequences, UASs）。
➢ 沉默子（ silencer ）
CAP and positive regulation
➢ 阻遏蛋白负调节与CAP正调节的协调
当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能 发挥作用；而没有CAP存在时，即使没有阻 遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活 性。只有在CAP存在且没有阻遏蛋白与操纵 序列结合时，或者说只有高乳糖低葡萄糖时， 操纵子发挥最大转录活性。
➢操纵序列
操纵序列是阻遏蛋白的结合位点。当阻遏蛋 白结合到操纵序列上时，会阻碍RNA聚合酶 与 启 动 子 的 结 合 ， 或 是 RNA 聚 合 酶 不 能 沿 DNA向前移动，阻碍转录。
The structure of operon
2.2 乳糖操纵子调节机理
➢ 乳糖操纵子由三个结构基因Z、Y、A和操 纵序列、启动子、CAP结合位点等调节序列 组成。
协调表达（coordinate expression）：在一定 机制控制下，功能相关的一组基因，无论其 为何种表达方式，均需协调一致、共同表达。 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节 （ coordinate regulation）。如SOS反应。
1.4 基因表达的多级调节
基因表达至少可在8个环节进行调节。原核 生物基因调节主要在转录水平；真核生物则 在不同水平进行。
➢ 当没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻碍 状态。当有乳糖存在时，乳糖操纵子被诱导。
➢ 乳糖操纵子的诱导剂是异乳糖。IPTG是异 乳糖的结构类似物，在基因工程中用作lacZ 基因表达的诱导剂（见基因工程的蓝白斑筛 选） 。
生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
操纵子(operon)是原核生物中几个功能相关的 结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协 同单位。操纵子的本质是DNA序列。
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
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
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图：持家基因的CpG岛及其启动子
➢DNA甲基化与转录抑制
甲基化(methylated)程度高，对基因转录抑制的 调控能力越强。 去甲基化(undermethylated)：基因转录激活
DNA甲基化与X染色体失活
雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体 之一在发育早期随机失活（异染色质 化）；
异染色质中的CpG被高度甲基化，基 因不转录。
反式作用因子
反式作用因子：能够识别DNA上的顺式作用元件并与之
结合的蛋白质因子或复合物。
◆通用或基本转录因子—RNA聚合酶结合启动子所必需的一 组蛋白因子。如：TFⅡA、 TFⅡB、 TFⅡD、 TFⅡE等。
◆特异转录因子( special transcription factors)—个别基 因转录所必需的转录因子.如：OCT-2：在淋巴细胞中特异 性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。
（2）内含子区域 所标数字表示DNA 长度（kb) （3）每个CH基因 用一个方框表示，
实际上包括几个外 显子
二 DNA水平上的调控
➢DNA甲基化（DNA Methylation)
哺乳动物基因中的5‘--CG--3’序列中C—5的甲基化称为CpG 甲基化。 5‘--CG--3’序列是使处于表达状态的基因位点处的染色 体保持适当包装水平的重要化学修饰序列。当基因序列中的CpG 密度达到10/100bp时称为CpG 岛。
帽子结构 7-methylguanosine (m7G)
四 真核基因转录后水平的调控
• 5’端帽子至少有以下四项功能
(1) 防止 mRNA 降解; (2) 加强 mRNA’s 翻译的能力; (3) 与mRNA 运输到核外有关; (4) 与pre-mRNA的正确剪接有关.
Poly (A)尾的功能
顺式作用元件和反式作 用元件之间的相互作用
四 真核基因转录后水平的调控
• RNA 剪接
四 真核基因转录后水平的调控
人Ig基因结构 注：（1）L：先导 序列基因片段 V： 可变区基因片段 D：多样性区基因 片段J：连接区基 因片段 C：恒定 区基因片 *：假 基因 （2）内含子区域 所标数字表示DNA 长度（kb) （3）每个CH基因 用一个方框表示， 实际上包括几个外 显子
➢组蛋白的8个亚基上有32个潜在的乙能
（1）组蛋白乙酰化导致组蛋白表面正电荷减少，组蛋白与DNA结 合能力下降，引起核小体解聚并阻止核小体装配，使得染色体处于 松弛状态，从而使转录因子和RNA聚合酶顺利结合在DNA上，促 进基因转录； （2）组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用的一种“识别信 号”，如H4组蛋白的乙酰化作用参与了指示和吸引TFIID到相应 的启动子上，促进转录前起始复合物的装配； （3）细胞分裂期，组蛋白乙酰化参与细胞周期和细胞分裂的调控； （4）组蛋白去乙酰化引起或维持基因沉默。
➢甲基化以两种方式调控基因的表达
（1）甲基化增强或减弱DNA与调节蛋白 之间的相互作用； （2）甲基化改变DNA的正常构型。
三 真核基因转录水平的调控
• 顺式作用元件( cis-acting element） • 反式作用因子 (trans-acting Factor)
顺式作用元件
顺式作用元件是指具有调节功能的特定DNA序列或影响 自身基因表达活性的DNA序列，在基因的同一条DNA分 子上； 顺式作用元件类型： （1）启动子(promoter): 3种类型； （2）增强子(enhancer)： （3）沉默子(silencer )：负性调节元件，起阻遏作用。 （4）绝缘子(insulator,boundary element):在真核基因 及其调控区的一段DNA序列 。
• 典例：马蛔虫
生殖细胞 染色体不断裂
受精卵 2
体细胞 染色体断裂
不带着 丝粒的 片段在 子代中 将丢失
基因扩增
基因扩增：是指某些基因的拷贝数特异性增加的现象， 它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发 育的需要。
典例：非洲爪蟾蜍
时期
rDNA
核仁数
卵母细胞
约500拷贝 单个
减数分裂前期I 数量猛增
• 增强mRNA 的寿命和翻译能力（二者相互 影响）
• 5’帽子和poly (A)尾都对RNA的剪接有影响
五 翻译水平的调控
➢5’端UTR(非翻译区）结构与翻译起始的调节 5‘帽子结构的甲基化：1）保护mRNA免遭5’外切酶
的降解。2）为mRNA的从核中输出提供转运信号。3） 提高翻译模板的稳定性和翻译效率。
顺式作用元件
增强子核心序列：(G)TGGA/TA/TA/T(G)
顺式作用元件
增强子的作用机理： （1）为转录因子提供进入启动子区的位点 （2）改变染色体的构像
沉默子(silencer )：负性调节元件，起阻遏作用。
绝缘子(insulator,boundary element): 在真核基因及其调控区的一段DNA序列 。功能是阻 止激活或阻遏作用在染色质上的传递，使染色质的活性 限定于结构域之内。
活性的调控元件，大小为100-200bp。最初在DNA病毒 SV40的基因组中发现。 •特性： （1）加强相连基因从正确起始位点的转录活性 （2）增强子无论是在下游或在上游均可激活转录 （3）无论是在下游或在上游，可在远离起始位点1Kb以上 发挥作用
（4）两个启动子串联在一起时，增强子优先激活距离最近 的那一个
非组蛋白（NHP)
非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷 酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞 的代谢、生长、增殖和变异等，并 能在核内接受外来信号，构成核内 信息转导系统，形成一条调节基因 表达的重要途径。
核基质(nuclea matrix)
◆定义：核基质是由3-30nm的微纤丝构成的网络状骨架蛋白，主 要成分包括DNA拓扑异构酶、核基质蛋白以及多种DNA结合蛋白， 并含有少量RNA。 ◆特点：
数百
减数分裂双线期 约200万拷贝 很多
基因重排
基因重排：基因组中不同位置的DNA可以通过剪接重组而连接在 一起，产生具有新功能的基因。
• 典例：哺乳动物免疫球蛋白
免疫球蛋白基因定位
基因重排
人Ig基因结构 注：（1）L：先导 序列基因片段 V：
可变区基因片段 D：多样性区基因 片段J：连接区基 因片段 C：恒定 区基因片 *：假 基因
顺式作用元件
启动子 真核生物的启动子分为3类，分别被三类 RNA聚合酶所识别
• I 类启动子 • II 类启动子 • III类启动子
hnRNA是 mRNA的前 体，snRNA
参与 hnRNA到 mRNA的过 程
II类启动子
• 核心启动子
• 上游元件
顺式作用元件
TFIIB 识别元件 (BRE) TATA 框 起始密码 (Inr) 下游启动元件 (DPE)
六 翻译后水平的调控
• 新生肽链的水解：酶解 – 肽链N端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸 （Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、 Pro）与去稳定氨基酸
• 肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲基化、 酰基化
• 通过信号肽(signal peptide)分拣、运输、定位
在真核生物中，真核生物通常用改变基因的转录水 平和RNA的加工来控制特定的蛋白质的合成量， 但也有一些调控发生在细胞质中，如：
(2) 动态模型（dynamic model）：认为转录因子与组 蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经 历结构上的改变，即染色质重塑。在染色质重塑过 程中，某些转录因子可以在结合DNA的同时使核小 体解体。
组蛋白的乙酰化-去乙酰化
➢ 蛋白的乙酰化和去乙酰化是蛋白活性调节的一种 重要的形式，通过乙酰化或去乙酰化，改变了染色 质结构或是转录因子的活性，可以调节基因转录的 活性。组蛋白的乙酰化和去乙酰化能打开或关闭某 些基因，增强或抑制某些基因的表达。
基因表达的概念及特点
• 概念：基因表达就是基因转录及翻译的过程。 • 真核生物表达调控与原核生物的不同：
（1）染色体结构不同； （2）原核生物具有正调控和负调控并重的特点， 真核生物目前已知的主要是正调控； （3）原核生物的转录和翻译是相偶联的，真核 生物的转录和翻译在时空上是分开的； （4）多细胞的真核生物，在其个体发育过程中它 们的基因表达在时间和空间上具有特异性，即细 胞特异性或组织特异性表达。
转录水平的调控
基因转录的调控需要 顺～反因子、蛋白质之间的相互作用
转录水平的调控
顺式作用元件与反式作 用因子的相互作用 1 调控蛋白以多聚体 （2,4）结合
基因转录的调控
顺式元件与反式作用因子的 相互作用
2 cis-factor 互作 Looping hypothesis：
位于2个不同的 DNA结合位 点上的2个蛋白质，可以通过 2个结合位点之间的DNA形 成loop得以相互作用，影响 基因转录
➢翻译起始因子的调控：
•eIF-2-4F的磷酸化能提高翻译速度 •eIF-2α的磷酸化能抑制翻译起始
➢3‘UTR（非翻译区）结构与mRNA稳定性
•多聚腺苷酸尾的调节作用
poly A尾巴的功能： 1）稳定mRNA分子，抵抗3’-端外切酶攻击的作用。 2）有助于细胞质中成熟mRNA的翻译。 3） 3‘ UTR区域具有保护5‘端帽子结构的作用。
真核生物基因表达调控的特点
基因表达的时、空特异 性 时间特异性（temporal specificity，
阶段特异性stage specificity）：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。多细胞生物基因表达的时 间特异性又称阶段特异性
空间特异性（special specificity，细 胞或组织特异性tissue specificity）：在 个体生长全过程，某种基因产物按不同组 织空间顺序出现。
顺式作用元件
➢DNA甲基化与转录抑制
甲基化(methylated)程度高，对基因转录抑制的 调控能力越强。 去甲基化(undermethylated)：基因转录激活
DNA甲基化与X染色体失活
雌性胎生哺乳动物细胞中两条X染色体 之一在发育早期随机失活（异染色质 化）；
异染色质中的CpG被高度甲基化，基 因不转录。
反式作用因子
反式作用因子：能够识别DNA上的顺式作用元件并与之
结合的蛋白质因子或复合物。
◆通用或基本转录因子—RNA聚合酶结合启动子所必需的一 组蛋白因子。如：TFⅡA、 TFⅡB、 TFⅡD、 TFⅡE等。
◆特异转录因子( special transcription factors)—个别基 因转录所必需的转录因子.如：OCT-2：在淋巴细胞中特异 性表达，识别Ig基因的启动子和增强子。
（2）内含子区域 所标数字表示DNA 长度（kb) （3）每个CH基因 用一个方框表示，
实际上包括几个外 显子
二 DNA水平上的调控
➢DNA甲基化（DNA Methylation)
哺乳动物基因中的5‘--CG--3’序列中C—5的甲基化称为CpG 甲基化。 5‘--CG--3’序列是使处于表达状态的基因位点处的染色 体保持适当包装水平的重要化学修饰序列。当基因序列中的CpG 密度达到10/100bp时称为CpG 岛。
帽子结构 7-methylguanosine (m7G)
四 真核基因转录后水平的调控
• 5’端帽子至少有以下四项功能
(1) 防止 mRNA 降解; (2) 加强 mRNA’s 翻译的能力; (3) 与mRNA 运输到核外有关; (4) 与pre-mRNA的正确剪接有关.
Poly (A)尾的功能
顺式作用元件和反式作 用元件之间的相互作用
四 真核基因转录后水平的调控
• RNA 剪接
四 真核基因转录后水平的调控
人Ig基因结构 注：（1）L：先导 序列基因片段 V： 可变区基因片段 D：多样性区基因 片段J：连接区基 因片段 C：恒定 区基因片 *：假 基因 （2）内含子区域 所标数字表示DNA 长度（kb) （3）每个CH基因 用一个方框表示， 实际上包括几个外 显子
➢组蛋白的8个亚基上有32个潜在的乙能
（1）组蛋白乙酰化导致组蛋白表面正电荷减少，组蛋白与DNA结 合能力下降，引起核小体解聚并阻止核小体装配，使得染色体处于 松弛状态，从而使转录因子和RNA聚合酶顺利结合在DNA上，促 进基因转录； （2）组蛋白乙酰化是许多转录调控蛋白相互作用的一种“识别信 号”，如H4组蛋白的乙酰化作用参与了指示和吸引TFIID到相应 的启动子上，促进转录前起始复合物的装配； （3）细胞分裂期，组蛋白乙酰化参与细胞周期和细胞分裂的调控； （4）组蛋白去乙酰化引起或维持基因沉默。
➢甲基化以两种方式调控基因的表达
（1）甲基化增强或减弱DNA与调节蛋白 之间的相互作用； （2）甲基化改变DNA的正常构型。
三 真核基因转录水平的调控
• 顺式作用元件( cis-acting element） • 反式作用因子 (trans-acting Factor)
顺式作用元件
顺式作用元件是指具有调节功能的特定DNA序列或影响 自身基因表达活性的DNA序列，在基因的同一条DNA分 子上； 顺式作用元件类型： （1）启动子(promoter): 3种类型； （2）增强子(enhancer)： （3）沉默子(silencer )：负性调节元件，起阻遏作用。 （4）绝缘子(insulator,boundary element):在真核基因 及其调控区的一段DNA序列 。
• 典例：马蛔虫
生殖细胞 染色体不断裂
受精卵 2
体细胞 染色体断裂
不带着 丝粒的 片段在 子代中 将丢失
基因扩增
基因扩增：是指某些基因的拷贝数特异性增加的现象， 它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发 育的需要。
典例：非洲爪蟾蜍
时期
rDNA
核仁数
卵母细胞
约500拷贝 单个
减数分裂前期I 数量猛增
• 增强mRNA 的寿命和翻译能力（二者相互 影响）
• 5’帽子和poly (A)尾都对RNA的剪接有影响
五 翻译水平的调控
➢5’端UTR(非翻译区）结构与翻译起始的调节 5‘帽子结构的甲基化：1）保护mRNA免遭5’外切酶
的降解。2）为mRNA的从核中输出提供转运信号。3） 提高翻译模板的稳定性和翻译效率。
顺式作用元件
增强子核心序列：(G)TGGA/TA/TA/T(G)
顺式作用元件
增强子的作用机理： （1）为转录因子提供进入启动子区的位点 （2）改变染色体的构像
沉默子(silencer )：负性调节元件，起阻遏作用。
绝缘子(insulator,boundary element): 在真核基因及其调控区的一段DNA序列 。功能是阻 止激活或阻遏作用在染色质上的传递，使染色质的活性 限定于结构域之内。
活性的调控元件，大小为100-200bp。最初在DNA病毒 SV40的基因组中发现。 •特性： （1）加强相连基因从正确起始位点的转录活性 （2）增强子无论是在下游或在上游均可激活转录 （3）无论是在下游或在上游，可在远离起始位点1Kb以上 发挥作用
（4）两个启动子串联在一起时，增强子优先激活距离最近 的那一个
非组蛋白（NHP)
非组蛋白大多数是磷蛋白，以磷 酸化/去磷酸化修饰的方式调节细胞 的代谢、生长、增殖和变异等，并 能在核内接受外来信号，构成核内 信息转导系统，形成一条调节基因 表达的重要途径。
核基质(nuclea matrix)
◆定义：核基质是由3-30nm的微纤丝构成的网络状骨架蛋白，主 要成分包括DNA拓扑异构酶、核基质蛋白以及多种DNA结合蛋白， 并含有少量RNA。 ◆特点：
数百
减数分裂双线期 约200万拷贝 很多
基因重排
基因重排：基因组中不同位置的DNA可以通过剪接重组而连接在 一起，产生具有新功能的基因。
• 典例：哺乳动物免疫球蛋白
免疫球蛋白基因定位
基因重排
人Ig基因结构 注：（1）L：先导 序列基因片段 V：
可变区基因片段 D：多样性区基因 片段J：连接区基 因片段 C：恒定 区基因片 *：假 基因
顺式作用元件
启动子 真核生物的启动子分为3类，分别被三类 RNA聚合酶所识别
• I 类启动子 • II 类启动子 • III类启动子
hnRNA是 mRNA的前 体，snRNA
参与 hnRNA到 mRNA的过 程
II类启动子
• 核心启动子
• 上游元件
顺式作用元件
TFIIB 识别元件 (BRE) TATA 框 起始密码 (Inr) 下游启动元件 (DPE)
六 翻译后水平的调控
• 新生肽链的水解：酶解 – 肽链N端的第一个氨基酸：稳定化氨基酸 （Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、 Pro）与去稳定氨基酸
• 肽链中氨基酸的共价修饰：磷酸化、甲基化、 酰基化
• 通过信号肽(signal peptide)分拣、运输、定位
在真核生物中，真核生物通常用改变基因的转录水 平和RNA的加工来控制特定的蛋白质的合成量， 但也有一些调控发生在细胞质中，如：
(2) 动态模型（dynamic model）：认为转录因子与组 蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经 历结构上的改变，即染色质重塑。在染色质重塑过 程中，某些转录因子可以在结合DNA的同时使核小 体解体。
组蛋白的乙酰化-去乙酰化
➢ 蛋白的乙酰化和去乙酰化是蛋白活性调节的一种 重要的形式，通过乙酰化或去乙酰化，改变了染色 质结构或是转录因子的活性，可以调节基因转录的 活性。组蛋白的乙酰化和去乙酰化能打开或关闭某 些基因，增强或抑制某些基因的表达。
基因表达的概念及特点
• 概念：基因表达就是基因转录及翻译的过程。 • 真核生物表达调控与原核生物的不同：
（1）染色体结构不同； （2）原核生物具有正调控和负调控并重的特点， 真核生物目前已知的主要是正调控； （3）原核生物的转录和翻译是相偶联的，真核 生物的转录和翻译在时空上是分开的； （4）多细胞的真核生物，在其个体发育过程中它 们的基因表达在时间和空间上具有特异性，即细 胞特异性或组织特异性表达。
转录水平的调控
基因转录的调控需要 顺～反因子、蛋白质之间的相互作用
转录水平的调控
顺式作用元件与反式作 用因子的相互作用 1 调控蛋白以多聚体 （2,4）结合
基因转录的调控
顺式元件与反式作用因子的 相互作用
2 cis-factor 互作 Looping hypothesis：
位于2个不同的 DNA结合位 点上的2个蛋白质，可以通过 2个结合位点之间的DNA形 成loop得以相互作用，影响 基因转录
➢翻译起始因子的调控：
•eIF-2-4F的磷酸化能提高翻译速度 •eIF-2α的磷酸化能抑制翻译起始
➢3‘UTR（非翻译区）结构与mRNA稳定性
•多聚腺苷酸尾的调节作用
poly A尾巴的功能： 1）稳定mRNA分子，抵抗3’-端外切酶攻击的作用。 2）有助于细胞质中成熟mRNA的翻译。 3） 3‘ UTR区域具有保护5‘端帽子结构的作用。
真核生物基因表达调控的特点
基因表达的时、空特异 性 时间特异性（temporal specificity，
阶段特异性stage specificity）：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。多细胞生物基因表达的时 间特异性又称阶段特异性
空间特异性（special specificity，细 胞或组织特异性tissue specificity）：在 个体生长全过程，某种基因产物按不同组 织空间顺序出现。
顺式作用元件