基因表达调控
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。
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。
基因表达调控
第一节 基因表达调控的基本原理
目录
一、基因表达的基本方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
1、组成性表达
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，这类基因表达被视为组成性基因 表达。
（一）调控序列（顺式作用元件）
可影响自身基因转录活性的DNA序列。
调控序列
顺式作用元件 启动子
结构基因
RNA-pol等
反式作用因子
调节蛋白
目录
1. 启动子
真核基因启动子是RNA聚合酶结 合位点周围的一组转录控制组件，至 少包括一个转录起始点以及一些功能 组件。如TATA盒。
目录
2. 增强子(enhancer)
目录
目录
六、转录后加工水平的调控 七、翻译水平的调控
目录
小结
1. 基因表达和基因表达调控的概念 2. 基因表达调控的多级调控模式 3. 转录起始调节的要素
顺式作用元件与反式作用因子 4.操纵子概念及乳糖操纵子调控机理
目录
绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通 过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体 (dimer)或多聚体(polymer)。属于蛋白质蛋白 质相互作用.
目录
1. 调节蛋白分类
通用转录因子(general transcription factors) 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。TFⅠ、Ⅱ、Ⅲ。
基因 激活
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
高考生物二轮复习微专题4 基因表达的调控
类型一
[解析]基因的甲基化不会改变基因的碱基排列顺序,A错误; 由柱形图可知,DNA甲基化后,基因转录产物mRNA减少,因此甲基化影响转录过程, 间接影响翻译过程,B错误; 由图可知,相比于广灵大尾羊,湖羊组第33和63位点上的甲基化程度较高,其余位点 甲基化程度相同,因此第33和63位点上的甲基化差异是影响AGPAT2基因表达量的 关键因素,C正确; 相比于广灵大尾羊,湖羊AGPAT2基因甲基化程度较高,转录受阻,该基因表达量较 小,由此可知,两种羊中AGPAT2基因的甲基化程度与其在脂肪组织中的表达量呈 负相关,D错误。
类型一
例2. [2023·河北石家庄一模] 某植物5号染色体上产生物碱基因B对不产生物碱基
因b为显性;7号染色体上从头甲基化酶基因D对无从头甲基化酶基因d为显性;甲基化 维持酶基因E对无甲基化维持酶基因e为显性,但所在染色体未知。从头甲基化酶可 将基因一条链带上甲基化,称为半甲基化;甲基化维持酶可将半甲基化状态下对应的 另一条链带上甲基化,称为全甲基化。具体过程如图Ⅰ所示。已知全甲基化的基因 无法表达,且基因甲基化会在减数分裂时消失。为研究甲基化相关酶对B/b基因甲基 化和基因表达的影响,科学家做了相关实验,如图Ⅱ所示(不考虑基因突变和染色体互 换)。回答下列问题:
于一对同源染色体上,根据题意,D和e连锁,d和E连锁,根据基因的自由组合定律,则
F1产生的配子种类及比例应为BdE∶BDe∶bDe∶bdE=1∶1∶1∶1。
类型一
(3)若F2表型及比例为产生物碱植株∶不产生物碱植株=1∶1。让F1自交,其后
代中含B基因但不产生物碱的植株占比为 3/8 。
[解析] (3)若F2表型及比例为产生物碱植株∶不产生物碱植株=1∶1,则F1的配子及 比例为Bde∶BDe∶bDE∶bdE=1∶1∶1∶1,即B与e连锁,b与E连锁,让F1自交,其后代 中含B基因但不产生物碱的植株基因型及比例为BbDDEe+BbDdEe=2/16+4/16=3/8。
真核生物基因的表达调控
细胞周期与基因表达
G1期
细胞在G1期主要合成与DNA 复制有关的蛋白质，如复制因 子等。
G2期
G2期细胞主要合成与分裂期有 关的蛋白质，如微管蛋白等。
细胞周期
真核生物细胞周期分为间期和 分裂期，不同时期基因表达DNA的复制，同 时合成组蛋白等与染色体组装 有关的蛋白质。
翻译和后翻译修饰
翻译
mRNA在细胞质中被核糖体读取并翻译成蛋白质。翻译的效率受到多种因素的 影响，包括mRNA的浓度、核糖体的数量、以及各种翻译调控因子。
后翻译修饰
新合成的蛋白质经常需要进行翻译后修饰，如磷酸化、乙酰化、糖基化等，以 增加其活性和稳定性。这些修饰通常由特定的酶催化，并受到细胞内环境和信 号通路的调节。
肾上腺素
02
03
甲状腺激素
肾上腺素可以激活糖原分解和脂 肪分解相关基因的表达，提高能 量供应。
甲状腺激素可以促进细胞代谢， 提高基础代谢率，同时还可以影 响神经系统的发育。
神经递质对基因表达的调控
多巴胺
01
多巴胺可以影响奖赏和愉悦相关基因的表达，与成瘾行为和心
理健康有关。
5-羟色胺
02
5-羟色胺可以影响情绪和行为，与抑郁症和精神分裂症等精神
染色质重塑
染色质重塑是基因表达调控的另一重要机制，通过改变染色质的结构和组成，影响转录因 子的结合和RNA聚合酶的活性。
microRNA的调节
microRNA通过与mRNA结合，调控靶基因的表达水平，参与多种生物学过程，如发育、 代谢和应激反应等。
02
转录水平的调控
转录因子
1 2 3
转录因子概述
葡萄糖
葡萄糖水平可以影响胰岛素的分 泌，进而影响与胰岛素相关的基 因表达。
基因的表达调控
基因的表达调控基因是生物体中将遗传信息传递给后代的基本单位。
然而，仅仅拥有基因并不足以决定生物的特征和功能，还需要基因的表达调控来确保基因在合适的时间和地点发挥作用。
基因的表达调控是一种高度复杂且精细的过程，可以通过多种机制来实现。
一、转录调控转录是指DNA中的基因信息被转录成RNA的过程。
在这一过程中，转录因子起着至关重要的作用，它们能够与DNA序列结合，调控基因的转录活性。
转录因子可以促进或抑制转录过程，在基因表达中起着“开关”的作用。
转录因子的活性受多种因素影响，包括细胞外信号传导、环境因素以及其他基因的表达状态。
通过转录调控，细胞可以对内外环境做出及时反应，实现基因表达的精确控制。
二、转录后调控转录后调控指的是对转录产物RNA的调控过程。
在这一阶段，通过RNA剪接、RNA修饰以及RNA降解等机制，细胞可以控制RNA在核内或细胞质内的存在时间及功能。
RNA剪接是一种重要的调控机制，通过对RNA前体分子的切割和拼接，可以产生不同的转录产物。
这样一种巧妙的调控方式，能够增加基因的功能多样性，实现细胞在不同发育阶段或环境中的适应性。
三、转译调控转译是指RNA通过蛋白质合成的过程。
转译调控主要通过调控RNA的翻译速率和蛋白质的稳定性来实现。
细胞可以通过调节转译复合物的组装以及启动子序列的变化来控制蛋白质的合成速率。
此外，蛋白质的稳定性也受到多种因素的影响，如泛素化与去泛素化等调控机制。
通过转译调控，细胞可以根据需要合成适量的蛋白质，维持正常的生理功能。
四、表观遗传调控表观遗传调控是指通过修改染色质的结构和化学修饰来调控基因表达。
这些结构和修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA 等。
DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰方式，它通过在DNA上结合甲基基团来沉默基因的表达。
组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等，它们可以改变染色质的紧密程度，影响基因的可及性。
非编码RNA则通过与DNA或RNA相互作用，影响基因的转录和翻译过程。
高考生物中基因表达调控的基本机制是什么
高考生物中基因表达调控的基本机制是什么在高考生物的学习中，基因表达调控是一个至关重要的知识点。
它不仅是理解生命活动复杂性和多样性的关键，也是深入探究生物遗传和进化的基础。
那么，基因表达调控的基本机制到底是什么呢？要搞清楚这个问题，首先得明白什么是基因表达。
简单来说，基因表达就是基因通过转录和翻译产生具有生物活性的蛋白质或者 RNA 分子的过程。
然而，生物体内的细胞并不是每时每刻都让所有的基因进行表达，而是在特定的时间、特定的细胞中，根据机体的需求，有选择地、精确地调控基因的表达水平，这就是基因表达调控。
基因表达调控可以发生在多个层面，包括转录水平、转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。
转录水平的调控是基因表达调控中最重要的环节之一。
在这个过程中，DNA 上的基因要先被转录为 RNA 分子，也就是信使 RNA （mRNA）。
而启动子区域在转录起始过程中起着关键作用。
启动子就像是基因表达的“开关”，它决定了 RNA 聚合酶能否结合到基因的特定位置并启动转录。
不同的基因具有不同的启动子序列，这使得它们在不同的条件下被激活或抑制。
此外，转录因子也是转录水平调控的重要参与者。
转录因子是一类能够与 DNA 上特定序列结合的蛋白质，它们可以促进或抑制基因的转录。
有些转录因子只有在接收到特定的信号分子后，才会与 DNA 结合并发挥作用。
比如说，当细胞受到外界压力时，会产生一些信号分子，这些信号分子会激活相应的转录因子，从而启动一系列应激相关基因的表达，帮助细胞应对压力。
除了启动子和转录因子，增强子和沉默子也对转录水平的调控起着重要作用。
增强子能够增强基因的转录活性，即使它们距离基因的编码区很远；而沉默子则起到抑制基因转录的作用。
转录后水平的调控同样不容忽视。
在转录完成后，初级 mRNA 还需要经过一系列的加工和修饰，才能成为成熟的 mRNA 并被运输到细胞质中进行翻译。
其中，最常见的加工过程包括 5'端加帽、3'端加尾以及内含子的剪接。
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2、原核基因的结构特征
原核基因组常以操纵子（operon）的形式作为表达和调控 受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。
阻遏蛋 启动子 操纵基因 白基因
的基本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，
结构基因
lacI
P
lacO
lacZ
lacY
lacA
大肠杆菌乳糖操纵子结构 操纵子：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（DNA序列）。
3
蛋白质
非编码序列 核蛋白体结合位点 编码序列 起始密码子 终止密码子
6 小
则）
结（中心法
复 制
RNA
转录 复制 逆转录
DNA
?
构 象
DNA
?
翻 译
RNA
改变
Prion
第二章 基因表达调控
Regulation of Gene Expression
罗忠礼 Chongqing Medical University Chongqing,China 2012-Mar-01
DNA可以作为模板直接指导RNA分子的生物合成， 这一过程称为转录。DNA不能作为直接模板将其携 带的信息转移到蛋白质分子中，需要先通过转录
过程将遗传信息传递到RNA分子中，再通过翻译过
程将RNA分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分
子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质的基因来说，
其遗传信息的表达包括转录和翻译两个阶段。
5 转录模板
• DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因 (structural gene)。 • DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的 一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有 意义链或 Watson 链。相对的另一股单链是编码链 (coding strand)，也称为反义链或Crick链。
4.遗传信息的表达
各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋 白质的一级结构信息，部分基因贮存的是tRNA、rRNA等RNA 的一级结构信息。除少数 RNA 病毒可将遗传信息直接从 RNA
输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都
是从 DNA 分子中输出的。遗传信息的表达，就是贮存于 DNA 中的信息转变成具体的RNA分子或蛋白质分子。通过这些生 物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能 及千差万别的生物性状。
• 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位， 转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质， 为多顺反子(polycistron) 。
• 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。
原核生物的多顺反子
5 PPP 3
蛋白质 真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
3、真核基因的结构特征
大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分 隔，以不连续的方式排列在 DNA 上，因此这类基因也叫断
裂基因（split gene）。隔断基因的线性表达而在剪接过程中
被除去的核酸序列称内含子（intron），在断裂基因及其初 级转录产物上出现，并表达为成熟 RNA 的核酸序列叫外显 子（exon）。
结构基因
5
编码链 模板链
转录方向
模板链
3
3
编码链
5
转录方向
不对称转录(asymmetric transcription) • 在DNA分子双链上某一区段，一股链用 作模板指引转录，另一股链不转录 ； • 模板链并非永远在同一条单链上。
• mRNA是遗传信息的携带者
• 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子 (cistron)。
主要内容：
一、基因表达调控基本概念与原理
二、原核基因转录调节 三、真核基因转录调节
目的要求：
1、掌握基因表达调控基本概念与原理
2、熟悉原核基因转录调节 3、了解真核基因转录调节
前言
1 介绍：基因表达的概念
1.1基因（gene) 编码有功能的蛋白质多பைடு நூலகம்链或RNA所需的 全部核苷酸序列（通常DNA,也有RNA),是 一个功能性的遗传单位，也是突变或重组 单位 1.2 基因组(genome) 细胞或生物体内一整套的遗传物质。
5′···GCAGTACATGTC ···3′ 3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′
编码链 模板链 mRNA
转录 5′···GCAGUACAUGUC ···3′
翻译 N· · · · · · Ala · Val ·His · Val · · · · · · C 蛋白质
转录 翻译
DNA
mRNA
蛋白质
（二）顺式作用元件是调节转录的DNA片段
1.启动子（Promoter）
位于转录起始单位点上游并为RNA聚合酶识别、结合和启动赚率 的DNA序列。 1.1原核启动子（promoter） ①启动子是基因5′端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列， 是RNA pol 和其他转录因子结合的部位。 ②原核基因的启动子定位在转录起始位点（initiation site， IS）上游5-10bp处，由-35区和-10区组成，从启动子到终止子 （terminator）为一个转录单位。 ③ -10区的碱基序列较保守，由T和A组成，大肠杆菌的-10区为 TATAAT，故称TATA box或 Pribnow-now。 ④ -35区的碱基序列以TTG最为保守，肠杆菌的-35区为TTGACA， 因子识别并结合-35区，RNA聚合酶的特异性由 因子决定， 而启动子的强弱则由-35区和因子的特异性和亲和力决定。 从IS到-10区之间的5-10bp间隔称5 ′-leader序列。
⑤大肠杆菌基因启动子图示
启动子 5′ -35 上游 -10
5-leader
+1
IS
下游
1.2、真核生物的启动子
真核基因的Ⅱ型启动子（promoter） ①真核基因的TATAｂｏｘ为ＴＡＴＡＡ／ＴＡＴ／Ａ，
并且距离ＩＳ较远。
@Zhongli Luo
第一节 基本概念与原理
（一）基因表达（Gene Expression） 基因携带的遗传信息，经过一系列的生 化反应，最终产生具有生物学功能的产物的过 程, 也就是基因的转录和翻译过程Process of transcription and translation （产物可 以是蛋白质、tRNA、rRNA） 。