分子生物学_ 基因组的调控_
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
分子生物学知识：小RNA的结构和功能及其在调控基因表达中的作用
分子生物学知识：小RNA的结构和功能及其在调控基因表达中的作用小RNA是一种短小的RNA分子，通常由20-30个核苷酸组成。
小RNA种类繁多，主要包括siRNA、miRNA、piRNA、tiRNA、srRNA等。
这些小RNA在生命活动中发挥着重要的调控功能，特别是在基因表达调控中的作用尤为显著。
一、小RNA的结构和功能小RNA的结构非常精巧。
以miRNA为例，它是由一条链组成的，具有一段3’端的非反义序列和一段5’端的反义序列。
这两端序列中间还有一个短暂的“环”结构。
miRNA经过一系列复杂的加工和修饰后，最终成熟为约22个核苷酸的小RNA分子。
小RNA具有很强的特异性，可以与mRNA上的互补序列结合并靶向调控基因表达。
小RNA在生命活动中发挥着重要的调控功能。
siRNA是一种具有致命性的RNA，可以介导RNA干扰(RNAi)过程中的靶向剪切。
miRNA则主要参与mRNA的翻译后调控，可以靶向降解mRNA或抑制其翻译。
piRNA则主要参与转座子、跳跃子的抑制等重要生命调控过程。
srRNA则参与基因组的稳定性的维护。
这些小RNA种类不同，但都在基因表达调控中发挥着重要的作用。
二、小RNA在基因表达调控中的作用小RNA在基因表达调控中具有多种作用方式。
它们通过不同的途径，影响着基因表达的水平和稳定性。
下面我们详细解析小RNA在基因表达调控中的作用：1、miRNA靶向降解mRNAmiRNA可以通过靶向结合到mRNA上的互补序列，使得该mRNA被降解。
这是一种非常有效的靶向调控方式。
一般情况下，miRNA与mRNA 的反义序列并不完全互补，而是存在一定的错配。
这种错配可以使得miRNA和mRNA形成局部或全局互补结合，并介导核酸内切酶产生“半导体”切割的效果，最终导致mRNA的降解。
这种方式被称为“miRNA 靶向降解mRNA”，可以有效地降低该基因的转录水平，从而影响基因表达的水平。
2、miRNA抑制mRNA的翻译miRNA可以通过结合到mRNA上的互补序列，特别是mRNA的5’端非翻译区和3’端非翻译区，抑制mRNA的翻译。
分子生物学与基因组学
分子生物学与基因组学在现代生物学领域，分子生物学与基因组学已经成为了热门的研究方向。
分子生物学是研究细胞、基因、蛋白质等分子结构、功能及相互作用的学科，它促进了人们对生命起源、演化和生物进化规律的深入了解，也为疾病的治疗提供了新思路。
基因组学是研究基因组的结构、功能并全面了解基因在生命过程中的调控和表达的学科，可以帮助人们了解生物的遗传信息和功能。
本文将探讨分子生物学和基因组学的发展现状和研究方法。
一、分子生物学分子生物学是研究生命机理的一门基础科学，通过研究生物分子的结构、功能和调控机制，来深入了解生命现象。
分子生物学的发展离不开对基本生物分子的了解，如核酸和蛋白质这两种生物分子是人们了解生物基本结构和功能的突破口。
1.核酸：DNA和RNADNA和RNA是细胞核酸的两种类型，它们是细胞中最为重要的分子。
DNA是包含物种遗传信息的分子，其分子结构具有双螺旋的形态，由磷酸二酯键和四种碱基组成，其作用是将遗传信息传递给下一代。
RNA则作为 DNA 模板的副本起到信息传递与表达的作用。
核酸的研究对于生物学的发展和分子生物学的进一步研究都有至关重要的作用。
2.蛋白质的结构和功能蛋白质是构成生物体的主要成分之一，是细胞代谢反应的基本催化剂。
蛋白质分子的三维结构决定了它在生物分子间相互作用的特性及各种生物过程中的协同作用。
分子生物学对蛋白质结构和功能的研究，使我们能够更好地了解生命的功能和生命产生的机制。
3.重大科学突破随着分子生物学的发展，不断有新的突破出现。
比如，由美国科学家发现的 RNA 干扰技术，是一种通过选择性地降解特定RNA 来抑制基因表达的技术。
RNA 干扰技术为人们进一步研究细胞、疾病的发生机制和治疗提供了有力的手段。
二、基因组学基因组学是一门研究整个生物基因组的学科，它包括整个基因组的组成、功能、表达、代谢和调控等方面的内容。
基因组学的研究，为深入了解与探索生物的遗传信息和功能及其规律提供了重要的研究方法和手段。
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
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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。
分子生物学：真核基因表达调控
真核基因表达的多级调控
在真核生物中基因表达的调节其特是
（1）多层次; （2）无操纵子和弱化子; （3）个体发育复杂; （4）受环境影响较小;
研究基因调控3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它 使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，是 基因活性调控的一种方式。
实例： 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷
贝，在减数分裂I的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线 期它的拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个 核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。
二、基因扩增、基因重排和基因丢失
三、DNA甲基化与基因活性的调控
一、 染色质结构对转录的影响
按功能状态的不同可将染色质分为： （1）活性染色质（有转录活性） （2）非活性染色质（没有转录活性）
染色质的核小体发生构象改变，松散的染色质结构，便 于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上 滑动。
真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不 普遍；
顺式作用元件： 由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能
基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反 式作用因子结合，实现对基因转录的调控。
反式作用因子： 能直接地或间接地识别或结合在各类顺式作用元
件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白因子， 也被称为转录因子（TF）。
哺乳类基因组中约存在4万个CpG 岛，它们大多位于结构基 因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60%～ 90% 的 CpG 被甲基化， CpG 岛在基因表达调控中起重要作用。
分子生物学原理：第十二章 基因表达调控1
基本方式。
二、乳糖操纵子调节机制
结构基因：lacZ（β－半乳糖苷酶） lacY（通透酶） lacA （乙酰基转移酶）
操纵序列：O1、 O2、O3 启动子：P
CAP结合位点
调节基因：I
Lac操纵子结构及其负性调节
Lac操纵子的调节
1、阻遏蛋白的负调节
阻遏基因
DNA
I
真核基因组结构庞大
真核基因组含有大量重复序列
多拷贝序列
高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103 ~ 104次）
单拷贝序列
真核生物以染色质的形式储存遗传信息
真核生物转录与翻译分割进行
真核基因转录产物为单顺反子
真核基因具有不连续性
真核生物线粒体DNA也储存遗传信息
二、染色质的活化
反式作用因子（trans-acting factor） ——由某一基因表达产生的蛋白质因子，与被
调节的DNA调节序列相互作用而发挥作用，这些蛋 白质分子称为反式作用因子。
反式作用因子直接作用： •直接结合DNA序列
反式作用因子间接作用： •通过蛋白质－蛋白质相 互作用发挥功能
基因表达调控的生理意义
基因表达的时间特异性和空间特异性
基因表达的持续性
管家基因
基因表达的可诱导性
诱导与阻遏
二、基因表达调控
1
多层次
DNA 基因激活 、拷贝数重排 、DNA 甲基化 RNA 转录起始、转录后加工、mRNA降解
蛋白质 蛋白质翻译、翻译后加工修饰、蛋白质降解
2
在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为
II. 增强子(enhancer)
增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件。
(完整版)分子生物学名词解释
Central dogma （中心法则）:DNA 的遗传信息经RNA 一旦进入蛋白质就不能再输出了。
Reductionism （还原论）:把问题分解为各个部分，然后再按逻辑顺序进行安排的研究方法.Genome (基因组)：单倍体细胞的全部基因。
transcriptome（转录组）：一个细胞、组织或有机体在特定条件下的一组完整基因。
roteome （蛋白质组）:在大规模水平上研究蛋白质特征，获得蛋白质水平上的关于疾病的发生、细胞代谢等过程的整体而全面的认识。
Metabolome (代谢组):对生物体内所有代谢物进行定量分析并寻找代谢物与生病理变化的相关关系的研究方法。
Gene （基因）：具有遗传效应的DNA 片段。
Epigenetics （表观遗传学现象）：DNA 结构上完全相同的基因，由于处于不同染色体状态下具有不同的表达方式,进而表现出不同的表型。
Cistron （顺反子）：即结构基因，决定一条多肽链合成的功能单位。
Muton（突变子）：顺反子中又若干个突变单位,最小的突变单位被称为突变子。
recon（交换子）:意同突变子.Z DNA(Z型DNA） :DNA 的一种二级结构,由两条核苷酸链反相平行左手螺旋形成。
Denaturation （变性）：物质的自然或非自然改变.Renaturation （复性)：变形的生物大分子恢复成具有生物活性的天然构想的现象。
egative superhelix （负超螺旋）：B-DNA 分子被施加左旋外力，使双螺旋体局部趋向松弛，ＤＮＡ分子会出现向右旋转的力的超螺旋结构。
C value paradox （Ｃ值矛盾）：生物overlapping gene（重叠基因）：不同的基因公用一段相同的ＤＮＡ序列。
体的大Ｃ值与小ｃ值不相等且相差非常大.interrupted gene （断裂基因)：由若干编码区和非编码区连续镶嵌而成的基因。
splitting gene（间隔基因）：意思与断裂基因相同。
基因组重复序列的进化与调控
基因组重复序列的进化与调控生命的演化历程从原始的单细胞生物到复杂的多细胞生物，伴随着基因组的不断变化和进化。
基因组重复序列是基因组组成的重要部分，它们在遗传学和进化生物学研究中起着重要的作用。
本文将从基因组重复序列的定义、分类和功能等方面入手，探讨基因组重复序列的进化和调控。
一、基因组重复序列的定义与分类基因组重复序列，简称重复序列，是指在基因组中存在两个或多个相同或相似DNA序列的部分。
根据其在基因组中的数量和分布，重复序列可分为两类：单拷贝序列和多拷贝序列。
1. 单拷贝序列：指仅在基因组中出现一次的DNA序列，包括基因、内含子、转座子等。
2. 多拷贝序列：指在基因组中存在两个或多个拷贝的DNA序列，可分为以下几种类型：（1）串联重复序列：由同一种或不同种的DNA序列组成，成串、成簇或成长链地重复出现在某些染色体区域上，如穗间区域的微卫星序列和卫星DNA序列等。
（2）片段重复序列：由长度为100bp以下的DNA序列组成，以短片段序列的形式重复出现在基因组中，如长转录本的外显子内序列、rRNA和tRNA基因的内含子序列等。
（3）转座子：是能够在基因组中移动的DNA片段，广泛存在于各个物种的基因组中，能够嵌入到其他基因序列中，导致基因重组和突变，也是基因组演化的重要因素。
二、基因组重复序列的进化基因组重复序列的存在不仅是生物基因组结构的重要组成部分，也是基因组演化的重要动力。
基因组重复序列的起源和演化，与物种的分化、融合和适应性等有着密切的关系。
1. 基因组重复序列的起源基因组重复序列的起源可以追溯到DNA复制机制，其中，多拷贝序列的起源包括基因家族扩增、基因重组和复制错误等。
随着进化的进行，这些重复序列在物种中繁殖并逐渐演变成为新的序列发生基因重组，甚至可能产生新的基因。
2. 基因组重复序列的功能基因组重复序列的功能多种多样，不同类型的重复序列具有不同的生物学作用。
在转录调控方面，基因前后区域的重复序列可以影响到基因表达的调控以及表达的时空特异性。
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第二个例子：
不同的 因子 指导RNA聚合酶结合不同的启动子
不同的 因子结合相同的RNA聚合酶 赋予每个RNA聚合酶不同的启动子特异性
70因子是正常生长条件下大肠杆菌 最常见的 因子
很多细菌产生不同的σ 因子 以满足正常或极端条件下转录调控的需求
热休克
温度高于37℃ 时大约17 种蛋白质 会在大肠杆菌内表达
抑制子作用的几种方式
阻碍RNA聚合酶和启动子的结合 抑制闭合式到开放式复合物的转变
抑制启动子逃离
远程激活和DNA环化
调控蛋白可以结合在离启动 子区较远的位点并发挥作用
蛋白质-蛋白质相互作用 和DNA环化
DNA-弯曲蛋白协助 相距较远的DNA结 合蛋白间的相互作用
抗终止作用和其他调控: 并非所有基因调控都以转录起始为靶点
其他调控点
转录的延伸和终止 核糖体蛋白基因的翻译
由RNA进行的转录和翻译调控
衰减作用/核糖开关 小干扰 RNA
分子生物学
刘青珍 武汉大学生命科学学院
第16章 原核生物的基因调控
本章内容
1. 本章概要 2. 转录调控的原理 3. 转录起始的调控：细菌中的实例 4. 实例 - λ 噬菌体的调控
3. 转录起始的调控：细菌中的实例
增加转录水平 招募调控
抑制子结合与聚合酶结合区重叠的位点 阻止聚合酶结合启动子 抑制基因转录
操作子 – 抑制子在DNA 上的结合位点
a. 没有调控蛋白 ➢ 低水平组成型
b. 抑制子结合操作子 ➢ 或抑制子通过异构调控 调控转录起始中
RNA聚合酶结合后的步骤
194 bp
CAP site
DNA looping
阿拉伯糖对araBAD 启动子的诱导数量级非常大 该启动子常被用作表达载体
如果将一个基因与araBAD 启动子融合 该基因的表达非常容易被阿拉伯糖控制
-- 甚至允许表达对细菌有毒性的蛋白 -- 不诱导时不表达
可以有更多信号参与调控 更多检查点
对信号有更快的反应
许多启动子通过 帮助RNA 聚合酶和DNA结合的活化子
或抑制两者结合的抑制子 调控
靶点 - 启动子结合
RNA 聚合酶通常只是微弱地结合在启动子上 （弱：元件缺失或不是最佳序列） 本底水平：组成型低水平表达
活化子有两个结合位点 同时结合DNA 和RNA 聚合酶 增强RNA 聚合酶和启动子的亲和力
第16章 原核生物的基因调控
本章内容
1. 本章概要 2. 转录调控的原理 3. 转录起始的调控：细菌中的实例 4. 实例 - λ 噬菌体的调控
3. 转录起始的调控：细菌中的实例
第四个例子 araBAD 操纵子
AraC 和抗激活作用 对araBAD 操纵子的调控
大肠杆菌araBAD 操纵子的启动子 在有阿拉伯糖而没有葡萄糖的情况下被激活
靶点–从闭合式复合物向开放式复合物的转变
在某些情况下 RNA聚合酶高效地结合到DNA上 但不会自动异构化形成开放式复合物
导致无转录或低水平转录
一些活化子可以与闭合式复合物结合 引起RNA聚合酶或DNA启动子的构象改变
使闭合式复合物转化为开放式复合物 从而促进转录 ---- 异构调控
异构调控
变构调控不仅是基因激活机制 也常是调控蛋白被特异信号调控的方式
表达编码阿拉伯糖代谢需要的酶
与Lac 操纵子不同 两个活化子AraC 和CAP 一起作用
激活araBAD 操纵子的表达
A: 阿拉伯糖结合AraC，AraC 结合araI1& araI2 (在这里 被激活)，激活；若无葡萄糖，CAP结合DNA帮助激活
B: 无阿拉伯糖，AraC 结合araI1 和araO2，DNA环化 & 无AraC 在araI2上（无激活） AraC是否与阿拉伯糖结合 - 构象 -与DNA结合的方式
这些蛋白质被32 通过RNA 聚合酶转录表达 32有其特有的启动子共有序列
噬菌体
很多噬菌体合成它们自己的σ 因子 赋予宿主RNA聚合酶不同的启动子特异性
选择性表达噬菌体基因
B. subtilis SPO1 噬菌体级联表达不同σ 因子 使噬菌体基因按一定顺序表达
分子生物学
刘青珍 武汉大学生命科学学院
分子生物学
刘青珍 武汉大学生命科学学院
第16章 原核生物的基因调控
本章内容
1. 本章概要 2. 转录调控的原理 3. 转录起始的调控：细菌中的实例 4. 实例 - λ 噬菌体的调控
2. 转录调控的原理
基因表达由调控蛋白调控
基因表达常常由胞外信号控制 这些信号由调控蛋白传给基因
➢ 正调控蛋白或活化子 增强基因转录
➢ 负调控蛋白或抑制子 降低或关闭基因转录
调控蛋白是DNA 结合蛋白 识别其调控基因或附近的特异位点
多数活化子和抑制子 在转录起始水平起作用
为什么 ?
调控转录起始可避免浪费能量和资源
比起翻译起始，转录起始更容易调控 （一个启动子 --- 数个mRNA）
转录起始后的所有阶段 同样可以发生调控
为什么?