基因表达调控
真核生物基因表达调控的多种方式
真核生物基因表达调控的多种方式真核生物基因表达包括转录、翻译和蛋白修饰等复杂过程，其中涉及多种调控方式。
以下是真核生物基因表达的各种表达调控方式的简述:1. 转录前调控转录前调控是指在 DNA 复制后被转录成 RNA 的过程中，通过调控 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 的亲和力、移动速度和活性等方式来控制基因的表达。
其中一些调控因子可以与启动子区域中的特定序列结合，从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外，一些转录因子还可以与 RNA 聚合酶结合，促进 RNA 聚合酶的移动，从而加快转录速率。
2. 转录调控转录调控是指通过调控 RNA 聚合酶结合到特定基因的启动子上，来控制基因的表达。
转录调控可以通过调节转录因子的数量、亲和力和活性等方式来实现。
一些转录因子可以与启动子区域中的特定序列结合，从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外，一些转录因子还可以与 RNA 聚合酶结合，促进 RNA 聚合酶的活性，从而加快转录速率。
3. 转录后调控转录后调控是指在基因被转录后，通过调控 RNA 剪接、RNA 编辑、RNA 降解等方式来控制基因的表达。
这些调控方式可以影响 RNA 的稳定性、可用性和转录本的多样性。
例如，一些调控因子可以与 RNA 剪接因子结合，从而改变 RNA 剪接的速率和方向。
一些 RNA 编辑酶可以编辑 RNA，改变基因表达。
此外，RNA 降解酶可以降解 RNA，从而抑制基因的表达。
4. 翻译调控翻译调控是指通过调控 mRNA 的稳定性、可用性和翻译速率等方式来控制基因的表达。
例如，一些调控因子可以与 RNA 聚合酶结合，从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外，一些翻译调控因子可以与 mRNA 结合，从而改变 mRNA 的稳定性和翻译速率。
5. 蛋白修饰调控蛋白修饰调控是指通过调控蛋白质的修饰方式来控制蛋白质的活性、稳定性和可用性等方式来控制基因的表达。
例如，一些修饰因子可以与蛋白质结合，从而改变蛋白质的修饰方式。
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。
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
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。
简述基因表达调控的生物学意义
简述基因表达调控的生物学意义
基因表达调控是指生物体中基因活性的调节，它能促进更有效地
基因表达，确保器官细胞正常工作和生物体正常发育。
基因表达调控
有很多信息，它可以在各个细胞调节，影响生物行为和特征。
基因表
达调控也是把含义丰富的信息携带到细胞外部，影响器官细胞和细胞
之间的影响。
基因表达调控机制的生物学意义是使得器官细胞和生物体的发育
进程按照一定的规律发展，尤其是需要精密协调的器官细胞之间的相
互作用。
正确的基因表达调控可以确保器官正常发育，促进新能力的
形成，如记忆力，学习能力，调节平衡和调节器官细胞的增殖以及保
障细胞的稳定性。
基因表达调控还能够使细胞能够审查环境，适应环境。
比如，当
宿主遭受病毒侵袭时，基因表达调控能够快速检测并应对该病毒，以
确保最终的生物学功效。
此外，基因表达调节还能保证细胞中的平衡，促进维持稳态，并且有助于减少疾病的发生，促进长寿健康。
总之，基因表达调控具有重要的生物学意义，它可以保证器官正
常发育，形成新能力，维护细胞的稳定性，调节适应环境，保持稳态
并减少疾病的发生。
这些机制是人类健康长寿的关键。
原核生物基因表达调控概述
原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。
这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。
调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。
细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。
这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。
二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。
而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。
（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。
反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
遗传学中的基因表达调控研究
遗传学中的基因表达调控研究遗传学是现代生物学的一个重要领域，它研究的是基因的遗传规律和遗传现象。
基因是人们对遗传物质的一种描述，是指具有特定遗传信息的DNA分子。
那么基因如何表达呢？这就涉及到基因表达调控研究。
本文将从基因表达调控机制、基因表达调控相关的疾病和未来的研究方向三个方面来介绍遗传学中的基因表达调控研究。
一、基因表达调控机制基因表达调控是指基因的表达过程中通过一系列的调控机制来控制基因的转录、翻译以及后续的修饰等过程。
在正常状态下，基因的表达会受到一系列的细胞信号、转录因子、RNA催化酶等多种机制的调控。
其中，转录因子是最为重要的一环，它的作用是在基因的启动子区域上结合，促进或抑制RNA聚合酶（RNA polymerase）的结合和基因的转录。
除此之外，基因表达调控还与染色质可及性、组蛋白修饰和非编码RNA等多方面的机制相关。
二、基因表达调控相关的疾病基因表达调控不仅在正常生理状态下发挥着作用，还在多种疾病的发生和发展过程中发挥作用，如癌症、肥胖、心血管疾病等。
以癌症为例，在细胞演化过程中会出现多种基因突变和表观遗传修饰，导致基因表达的失控。
其中，许多突变和染色质修饰的异常都是导致癌症基因表达异常的重要因素。
研究人员通过研究基因表达调控机制，可以发现新的特定于癌症的转录因子和非编码RNA，为治疗癌症提供新的方向和思路。
三、未来的研究方向在基因表达调控的研究中，越来越多的研究者开始关注单细胞水平的表达调控机制。
在过去，基因表达调控的研究主要是从大量的细胞中进行，但是针对不同类型的细胞而言，可能存在严重的表达异质性，这种变异会掩盖关键的转录因子和细胞信号通路的作用。
通过单细胞转录组学手段，可以更全面、细致地研究基因表达调控。
同时，随着机器学习和人工智能技术的发展，基于大数据的计算模型也将有望成为基因表达调控研究的重要方法。
综上所述，基因表达调控研究涉及到复杂的分子机制和生命现象，是生命科学中的一个重要研究领域。
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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Prokaryotic cell
Eukaryotic cell
都有一套准确的调节基因表达和蛋白质合成的机制 不同生物使用不同的信号来指挥基因调控： 营养状况 （nutritional status） 环境因素 （environmental factor） 激素水平 （hormone level） 发育阶段 （developmental stage ） LOGO
3. mRNA所携带的信息差别很大
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What is prokaryote?
• 大多数为单细胞生物
• 没有细胞核
• 没有膜包裹的细胞器
• 无性繁殖，二分裂或芽生
遗传物质水平转移
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1. 操纵子(operon)是原核生物的基因转录单元
Central Dogma:
DNA
Transcription
RNA
Translation
Protein
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基因表达的过程：
• 基因活化（转录前） • 转录（起始，延伸，终止） • 转录后 • 翻译（起始，延伸，终止） • 翻译后 各个环节中都有基 因表达调控的控制 点（check point）
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② 诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的 普遍方式
组成性表达（constitutive expression）
管家基因(housekeeping gene)——参与生命的全过程， 基因表达的调控主
要是针对易受环境 在一个生物体的所有细胞中均持续表达的基因。
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⑤ 基因表达调控是多层次的复杂调节
无论原核生物还是真核生物，基因表达的调控都体现在 基因表达的全过程中。
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二、 原核生物基因表达特点
Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes 1. 操纵子是原核物的基因转录单元 2. mRNA的转录、翻译和降解偶联进行
激活蛋白（正调控蛋白）：对基因表达有激活作用 阻遏蛋白：对基因表达有抑制作用 最常见的DNA结合域：
锌指(zinc finger)
螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）
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2. 特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始
• 因子和启动子决定转录是否能够起始
四. 原核生物基因表达的翻译水平调控
Section 4 Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level
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一、 有关基因表达的几个概念
1. 基因（Gene） 2. 基因组（Genome） 3. 基因表达（Gene Expression） 4. 基因表达调控（Gene Expression Regulation）
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① 基因表达具有时空特异性
基因表达的时间特异性（阶段特异性）
根据生长、分化和发育等功能的需要，随着环境的 变化，特定基因按照一定的时间顺序先后表达。
基因表达的空间特异性（组织特异性）
不同的组织或器官中，基因表达的种类和表达水平 不同。
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2. mRNA的转录、翻译和降解偶联进行
同一部位、同时进行。 •细菌的转录和翻译有相似的速率
37℃， •mRNA转录：40 nt/s ≈ 13 aa •蛋白质翻译：15 aa/s ≈ 45 nt
•细菌的翻译效率极高
•多点同时起始翻译
参与基因
表达调控？
•大多数细菌mRNA都非常不稳定
RNA pol
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基因表达调控的基本规律
① 基因表达具有时空特异性； ② 诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式； ③ 基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节； ④ 蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达 调控的分子基础； ⑤ 基因表达调控是多层次的复杂调节。
操纵子是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元， 调控序列控制结构基因的转录。
RNA聚合酶识别和结合 的部位 多个功能相关的结构基因串联， 受同一个控制区调节
启动子
(promoter)
结构基因 操纵序列
(operator)
阻遏蛋白基因
编码阻遏蛋白
阻遏蛋白识别和结合 的部位
参与基因 表达调控？
影响的基因。 表达基本不受环境因素和其他因素的影响，这样的基
因表达方式称为组成性表达。
诱导与阻遏
在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强 性的表达，称其为诱导（induction）；另一些则表现出 关闭性或抑制性的表达，称其为阻遏（repression）。
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差异基因表达（differential gene expression）
① 多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的；
② 不同细胞表达不同基因； ③ 同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因； ④ 同一种细胞中不同基因表达水平不同。
是同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础。 多细胞生物进化的结果，是细胞活动分工的基础。
30nt 10nt 2nt
翻译一个特定顺反子的核糖体的数量取决于其 起始位点(SD序列)的效率
参与基因 表达调控？
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三、
原核生物基因表达的转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
亚基 分子量 36512 150618 155613 70263 功 能 决定哪些基因被转录 催化功能 结合DNA模板 辨认起始点
RNA聚合酶移动方向：35 RNA聚合酶全酶覆盖的区域-40+20， 因子识别并结合-35区和-10区。
因子是一个家族： •与核心酶组成全酶后，才能结合启动子 •不同因子可以竞争结合RNA聚合酶 •环境变化可诱导产生特定的因子 •不同因子由各自基因编码
P
O
阻遏蛋白的结合位点：
•操纵元件 (operator)
•紧邻启动子下游
•甚至部分序列与启动子重叠
•对RNA聚合酶可形成 空间阻碍
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• 激活蛋白结合正调控元件对转录起始进行正调控
正调控方式：
•结合启动子邻近序列
共有序列 -35 -10 +1
-----TGTGA--------TCACT--GTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG-
LOGO
④ 蛋白质-DNA及蛋白质-蛋白质的相互作用 是基因表达调控的分子基础
作为反式作用因子的调节蛋白具有特定的空间结构，通
过特异性地识别某些DNA序列与顺式作用元件发生相互 作用。
真核生物体系基因组结构复杂，首先形成蛋白质-蛋白质 复合物，再形成蛋白质-DNA复合物，参与基因表达的调 控。
启动子是最重要的顺式作用元件
是RNA聚合酶特异性识别和结合的位点
操纵元件紧邻启动子下游，与启动子部分重叠
是阻遏蛋白识别和结合的一小段DNA序列 LOGO
• 基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）
能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过 程有调控作用的蛋白质。
原核生物基因表达调控
Regulation of prokaryotic gene expression
LOGO
Outline
一. 有关基因表达的几个概念
Section 1 Some Concepts
二. 原核生物基因表达特点
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4. 基因表达调控（Gene Expression Regulation） ：
生物体通过特定的蛋白质与DNA、蛋白质与
蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或
调解表达产物的多少以满足生物体的自身需求以
及环境变化的过程。
基因表达的种类和强度 细胞的分化状态和功能 了解动植物生长发育的规律、形态结构 特征和生物学功能
在原核生物体内，基因组是一条双链环状DNA。
在真核生物体中，基因组是指一套完整单倍体DNA(染色体 DNA)和线粒体DNA的全部序列。
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3. 基因表达（Gene Expression）：
生物基因组中基因经过转录或转录和翻译等 一系列过程，合成特定的RNA或蛋白质的过程。
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1. 基因（Gene）：
编码一个RNA或蛋白质所需的整个核苷酸序列
结构基因 调控基因
只转录不翻 译的基因
编码结构蛋白 编码调控蛋白
tRNA
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2. 基因组（Genome）：
一套完整单倍体的遗传物质的总和。
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③ 基因表达受顺式作用元件和反式作用因子 共同调节
顺式作用元件（cis-acting element）
存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的DNA序列。 包括：启动子、增强子及沉默子等。 作用：参与基因表达的调控。（不编码蛋白质）
反式作用因子（trans-acting factor）
能直接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质。 功能结构域：DNA结合结构域、转录活化结构域。
LOGO
基因表达调控
Regulation of gene expression
吉林大学白求恩医学院 分子生物学教研室 杨光 讲师
Tel: 0431 - 85619369
2012-12-06