基因表达和调控
基因的表达与调控
基因的表达与调控基因的表达是指基因通过转录和翻译过程将遗传信息转化为蛋白质的过程。
而基因的调控则是指在这个过程中，细胞根据内外环境的需求，对基因的表达进行控制和调节的机制。
基因的表达与调控是细胞和生物体正常生理功能的关键，对于维持生命的稳定和适应环境变化至关重要。
1. 基因表达的过程基因表达开始于转录，即将DNA的遗传信息转化为RNA分子。
转录是在细胞核内进行的，由RNA聚合酶负责将DNA的模板链上的信息转录成预mRNA。
在此过程中，还存在转录因子的参与，它们能结合到DNA上特定的序列上，使得RNA聚合酶能够正确启动转录。
随后，预mRNA经过剪切作用，将其中的内含子部分切除，得到成熟的mRNA分子。
这些剪切事件受到剪切调控因子的调控，使得不同细胞中同一个基因产生不同的mRNA亚型。
最后，mRNA进入细胞质内，连接到核糖体上，进行翻译过程。
翻译是在核糖体中进行的，通过tRNA分子上携带的氨基酸与mRNA上的密码子序列进行配对，合成蛋白质。
2. 基因调控的机制基因调控机制包括转录水平和转录后水平的调控。
在转录水平上，主要通过调控转录的启动和抑制来控制基因的表达。
转录的启动主要受到启动子和启动复合物的调控，其中转录因子与启动子特定序列上的结合起到关键作用。
还有一些辅助因子，如组蛋白修饰酶和甲基转移酶，可以改变染色质的结构和化学修饰，从而影响基因的可及性。
在转录后水平上，主要通过mRNA的剪切、拷贝、稳定性和转运等方面的调控来控制基因的表达。
例如，剪切调控可以产生不同亚型的mRNA，从而导致不同的蛋白质产生。
而转运调控则可以调整mRNA在细胞质内的定位和分布，影响蛋白质的合成位置。
此外，还存在一些其他的基因调控机制，如DNA甲基化、非编码RNA的调控、环境因子的作用等。
这些机制在生物体的发育、细胞功能分化和应对外界环境变化等方面发挥重要作用。
3. 基因表达与调控的意义基因的表达与调控对于生命过程的正常进行至关重要。
基因的表达与调控教学教案
对实验结果进行深入讨论，解释数据背后的生物 学意义，探讨可能的影响因素及机制。
结论总结
总结实验结果，指出研究的意义和局限性，提出 未来研究方向或建议。
THANKS
感谢观看
PCR技术
通过特异性引物对目的基因进行 扩增，结合凝胶电泳、荧光定量 等方法对PCR产物进行分析，检
测基因突变。
基因芯片技术
将大量基因特异性探针固定在芯 片上，与待测DNA样本进行杂交 ，通过检测杂交信号来识别基因
突变。
单细胞测序技术
对单个细胞进行基因组测序，揭 示细胞间的基因变异和表达差异
。
蛋白质组学技术
基因表达的意义
基因表达是生物体生长、发育、繁殖和应对环境变化的 基础，对于理解生物体的生命活动及其调控机制具有重 要意义。
转录过程及产物
转录过程
转录是以DNA为模板，在RNA聚合酶的催化下， 合成RNA的过程。转录过程包括启动、延伸和终 止三个阶段。
转录产物
转录的产物是RNA，包括mRNA（信使RNA）、 tRNA（转运RNA）和rRNA（核糖体RNA）。
DNA测序技术
Sanger测序
利用DNA聚合酶和特异性引物进行DNA合成，通过掺入链终止剂来终止DNA链 的合成，进而通过高分辨率凝胶电泳分离不同长度的DNA片段，实现DNA序列 的测定。
下一代测序技术
利用高通量测序平台对数百万个DNA片段进行同时测序，具有高通量、高灵敏度 、低成本等优点。
基因突变分析技术
蛋白质降解
通过泛素-蛋白酶体途径等 降解途径，调节蛋白质的 稳定性和活性。
蛋白质转运
将蛋白质从合成部位转运 到作用部位，影响其活性 和功能。
03
基因表达和调控的机制和影响
基因表达和调控的机制和影响基因表达是指基因信息从DNA序列转化为蛋白质或RNA分子的过程。
这个过程涉及到许多复杂的分子机制和调控因素。
基因表达的调控对于生物体的正常发育和生理功能至关重要。
本文将详细介绍基因表达和调控的机制及其影响。
1. 基因表达的机制1.1 转录转录是指DNA模板上的信息被复制成RNA分子的过程。
在真核生物中，转录过程包括以下几个步骤：1）启动：RNA聚合酶II与启动子区域结合，形成转录起始复合物。
2）延伸：RNA聚合酶II沿着DNA模板移动，合成RNA链。
3）终止：RNA聚合酶II到达终止子区域，释放RNA链。
1.2 剪接剪接是指在RNA分子中去除内含子，保留外显子的过程。
剪接由剪接酶负责，通过特定的剪接位点识别和切割RNA分子，然后将外显子连接起来形成成熟的mRNA。
1.3 翻译翻译是指mRNA上的信息被翻译成蛋白质的过程。
在真核生物中，翻译过程包括以下几个步骤：1）核糖体与mRNA结合，识别起始密码子。
2）tRNA携带氨基酸，与mRNA上的密码子配对。
3）核糖体沿着mRNA移动，合成多肽链。
4）多肽链经过折叠和修饰，形成具有生物活性的蛋白质。
2. 基因表达的调控基因表达的调控主要发生在转录和剪接阶段。
调控因素包括转录因子、染色质重塑、非编码RNA等。
2.1 转录因子的调控转录因子是一类能够结合到DNA特定序列上，从而调控基因表达的蛋白质。
转录因子的调控作用包括：1）激活：某些转录因子可以增强基因的转录活性。
2）抑制：另一些转录因子可以抑制基因的转录活性。
3）协同作用：多种转录因子可以协同作用，共同调控基因表达。
2.2 染色质重塑染色质重塑是指染色质结构发生改变，从而影响基因表达的过程。
染色质重塑包括：1）核小体重塑：核小体的组装和解聚。
2）染色质纤维重塑：染色质纤维的紧密和松散。
3）染色质 looping：染色质片段之间的相互连接。
2.3 非编码RNA的调控非编码RNA是一类不编码蛋白质的RNA分子，包括miRNA、siRNA、lncRNA 等。
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。
基因的表达和调控
基因的表达和调控基因是生命的基础单位，它们通过对细胞产生影响来决定生物的性状和功能。
基因的表达是指在细胞内通过转录和翻译过程将基因序列转化为蛋白质的过程。
而基因的调控则是控制基因表达的过程，确保在不同的细胞类型和环境条件下，基因能够以特定的方式表达出来。
1. 基因表达的过程基因表达的过程可以分为两个主要步骤：转录和翻译。
转录是指基因的DNA序列通过RNA聚合酶酶的作用，转录成RNA分子的过程。
翻译则是指RNA分子通过核糖体的作用，翻译成蛋白质的过程。
转录是基因表达的第一步，它发生在细胞核中。
转录过程中，RNA 聚合酶酶会识别和结合到DNA的启动子区域，然后开始在DNA模板链上合成RNA链。
RNA链的合成是以单链形式进行的，它与DNA模板链相互对应，A对U、C对G等。
转录过程中还需要其他转录因子的参与，它们协助RNA聚合酶酶的结合和转录的进行。
翻译是基因表达的第二步，它发生在细胞质中。
转录生成的RNA 分子被称为信使RNA（mRNA），它包含了基因编码的信息。
翻译过程中，mRNA通过核糖体与转运RNA（tRNA）相互作用，将氨基酸按照特定的顺序连接成蛋白质的链。
tRNA携带着特定的氨基酸，根据mRNA上的密码子来配对，从而在核糖体上合成蛋白质。
2. 基因调控的机制基因表达不仅仅受到转录和翻译的过程影响，还受到复杂的调控网络的控制。
基因调控是通过一系列的调控因子和信号分子来实现的。
调控因子可以是蛋白质或非编码RNA，它们可以与DNA序列特定的区域相互作用，促进或抑制基因的表达。
基因调控的机制非常多样，包括启动子的甲基化、染色质重塑、转录因子的结合等。
甲基化是一种化学修饰过程，通过添加甲基基团到DNA分子上，可以改变DNA的结构和可访问性，从而影响基因的转录活性。
染色质重塑则是通过改变与DNA紧密结合的蛋白质的构象，使得基因区域更容易被转录复合物访问。
此外，还有许多转录因子和辅助蛋白质参与到基因调控的过程中。
遗传学中的基因表达与调控
遗传学中的基因表达与调控基因是生命的基本单位，是生物体内存储遗传信息的分子。
基因表达与调控是指基因信息从DNA转录成RNA再翻译成蛋白质的过程，以及这个过程中所涉及到的调控机制。
基因表达与调控在遗传学研究中有着重要的作用。
一、基因表达的概念与过程基因表达是指生物遗传信息的表达，即DNA转录成RNA，再通过RNA转换成蛋白质的过程。
这个过程中，RNA是转录作用的产物，蛋白质则是基因信息在功能方面的表达。
基因表达主要包括三个过程：转录、RNA后处理和翻译。
其中，转录是指DNA 序列作为模板，RNA聚合酶将RNA合成，在这个过程中，RNA 链与DNA链形成互补配对，形成RNA链。
随后，RNA通过RNA后处理的过程，在细胞核内进行修剪和剪接，形成成熟的mRNA。
最后，翻译过程将mRNA翻译成蛋白质，采用三个碱基为一个密码子的规律进行翻译。
二、遗传信息的调控基因表达过程中的调控非常重要，因为细胞的状态和环境都会对基因表达产生影响。
因此，可以通过基因表达的调控机制来调整细胞状态和适应环境变化。
1. DNA水平的调控DNA水平的调控是指对基因本身的控制，这种调控有多种形式，如DNA甲基化、组蛋白修饰、转录因子的结合等。
在DNA甲基化过程中，甲基转移酶将甲基添加到特定的胞嘧啶核苷酸上，从而改变了DNA甲基化模式。
这种改变可能会导致基因的表达产生变化。
组蛋白修饰也是一种DNA水平的调控，通过化学修饰调整组织特异性基因的表达。
比如，在组蛋白N端的赖氨基酸上可以发生丝氨酸/苏氨酸激酶催化的磷酸化，而磷酸化状态的组蛋白结构发生变化，因此影响基因的表达。
2. RNA水平的调控RNA水平的调控是指对RNA分子的控制，包括RNA降解、RNA修饰、RNA干扰等。
RNA降解是一种广泛存在于真核生物中的调控机制，可以通过调节RNA的寿命来影响基因表达。
在哺乳动物细胞中，RNA寿命的长短由多个因素决定，包括RNA的序列和结构等。
RNA修饰是指RNA分子中的化学修饰，在翻译和MMR中起到非常重要的作用。
基因表达与调控知识点总结
基因表达与调控知识点总结基因表达和调控是生物学中非常重要的概念，关乎着生物个体的生长发育、适应环境以及疾病的产生。
本文将对基因表达和调控的相关知识点进行总结，以帮助读者更好地理解这一领域。
一、基因表达的概念与过程基因表达是指通过DNA转录成RNA，再通过RNA翻译成蛋白质的过程。
这个过程可分为三个主要步骤：转录、剪接和翻译。
1. 转录：转录是指DNA模板上的信息被RNA聚合酶酶依据碱基互补配对的原则合成成为一条mRNA链的过程。
转录分为起始、延伸和终止三个阶段，其中起始阶段涉及到转录起始因子和启动子的结合，延伸阶段则是RNA链的合成过程，终止阶段是转录终止信号的识别和RNA链的释放。
2. 剪接：在转录后，mRNA经历了剪接这一过程。
剪接是指将mRNA上含有内含子（introns）的序列剪除，只保留外显子（exons）的过程。
这是因为在真核生物中，基因上的非编码区域和编码区域是交错存在的，剪接的目的是产生功能蛋白质所需的成熟mRNA。
3. 翻译：翻译是指mRNA上的信息被核糖体翻译成蛋白质链的过程。
翻译过程中，mRNA的密码子与tRNA上的氨基酸互相匹配，从而合成出特定顺序的氨基酸链。
翻译完成后，蛋白质会进一步经历折叠和修饰过程，最终形成功能蛋白质。
二、基因调控的方式及相关机制基因表达的调控是指细胞根据环境和内部信号对基因表达的调整和控制。
基因调控主要包括转录水平的调控和转录后的调控。
1. 转录水平的调控（1）启动子和转录因子：启动子是位于基因的上游区域，能够招募转录因子结合并促进或抑制基因转录。
转录因子是一类能够识别和结合到启动子上的蛋白质。
不同基因的启动子和转录因子组合形成了复杂的转录调控网络，大大影响基因的表达水平。
（2）组蛋白修饰：组蛋白修饰是指对染色质上的组蛋白进行化学修饰，从而影响染色质的结构和染色质的开放程度。
这些化学修饰包括甲基化、磷酸化、乙酰化等，能够影响基因的可及性和转录因子的结合。
基因表达的调控机制
基因表达的调控机制基因表达是指基因通过转录和翻译过程将DNA信息转化为蛋白质的过程。
在细胞内，基因表达的调控机制起着至关重要的作用，决定了细胞的功能和特性。
本文将介绍基因表达的调控机制，包括转录调控、转录后调控和翻译调控。
一、转录调控转录调控是指通过调控基因的转录过程来控制基因表达水平。
转录调控主要包括启动子区域的结构和转录因子的结合。
1. 启动子区域的结构启动子是位于基因上游的DNA序列，包含转录起始位点和调控元件。
调控元件包括增强子和抑制子，它们可以与转录因子结合，促进或抑制转录的发生。
启动子区域的结构可以通过DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等方式进行调控。
2. 转录因子的结合转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质，它们通过与启动子区域的调控元件结合来调控基因的转录。
转录因子可以分为激活子和抑制子，激活子能够促进转录的发生，而抑制子则能够抑制转录的发生。
转录因子的结合与DNA序列的亲和性有关，不同的转录因子结合到不同的DNA序列上，从而实现对基因的调控。
二、转录后调控转录后调控是指在转录完成后，通过调控RNA的加工、修饰和稳定性来控制基因表达水平。
转录后调控主要包括RNA剪接、RNA修饰和RNA降解。
1. RNA剪接RNA剪接是指在转录过程中，将前体mRNA中的内含子剪接掉，将外显子连接起来形成成熟的mRNA。
通过剪接的方式，可以产生不同的mRNA亚型，从而调控基因的表达。
RNA剪接的调控主要依赖于剪接因子的结合和剪接位点的选择。
2. RNA修饰RNA修饰是指在转录后，通过添加化学修饰基团来改变RNA的结构和功能。
常见的RNA修饰包括甲基化、腺苷酸转换和伪尿苷酸转换等。
RNA修饰可以影响RNA的稳定性、转运和翻译效率，从而调控基因的表达。
3. RNA降解RNA降解是指通过核酸酶将RNA分解为小片段，从而降低基因的表达水平。
RNA降解的速度受到RNA的稳定性和降解酶的活性的影响。
不同的RNA分子具有不同的稳定性，一些RNA分子具有较长的半衰期，而另一些RNA分子则具有较短的半衰期。
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Basic concept of transcription
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▪ 反义RNA：一种由两条ＤＮＡ互补链转录
成的两条完全互补的RNA链，结果形成复 合体，不能翻译出蛋白多肽。
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Basic concept of trnscription第32页/共157页
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基因和表达与调控
▪ 调节元件 ▪ 转录调控 ▪ 翻译调控
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PROKARYOTES AND THEIR VIRUS
The Lactose Operon in E.coli
E.Coli 诱导型Lac操纵子结构模型
调节基因
操纵子
基 因
长
度
Lac 阻遏物
β－半乳糖苷酶
β－半乳糖苷 β－半乳糖苷
▪ 当乳糖分解完以后，调节基因产生的阻遏
物结合到操作基因上，使得RNA多聚酶不 能够与启动子结合，启动。停止转录分解 乳糖的结构基因。
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诱导系统负调控
调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构 基因不能转录。
▪ 在底物存在下，底物作为诱导物， 与调节基因产
生的阻遏物结合，改变了阻遏物结构，不能再结 合到操纵基因上，使得RNA多聚酶能够与启动子 结合，启动。转录了分解底物的结构基因。
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The difference of gene expression between prokaryotes and eukaryotes
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调节水平
▪ ＤＮＡ转录 ▪ mＲＮＡ加工 ▪ 翻译 ▪ 翻译后加工
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透性酶
乙酰基转移酶
PI: i基因启动子 gene i：调节基因 P： 结构基因启动子 gene Z,Y,A：结构基因 O： 操纵单元
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诱导系统负调控 －乳糖操纵子
▪ 在乳糖存在下，乳糖作为诱导物， 与调节
基因产生的阻遏物结合，改变了阻遏物结 构，不能再结合到操作基因上，使得RNA 多聚酶能够与启动子结合，启动。转录了 分解乳糖的三个结构基因。
▪ 当底物合成以后，调节基因产生的阻遏物与底物
的复合物结合到操纵基因上，使得RNA多聚酶不 能够与启动子结合，启动。停止转录合成底物的 结构基因。
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阻遏系统正调控
调节基因产物结合到操作基因基因上，启 动结构基因能转录。
▪ 调节基因产生的活化物与操纵基因结合，
使得RNA多聚酶能够与启动子结合，启动。 转录了合成底物的结构基因。
Basic concept of transcription
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转录模版
转录时，一般以ＤＮＡ一条链为模版链， 但是也有一些基因以另一条链为模版。
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Basic concept of transcription
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Basic concept of transcription
▪ 当底物分解完以后，调节基因产生的阻遏物结合
到操纵基因上，使得RNA多聚酶不能够与启动子 结合，启动。停止转录分解底物的结构基因。
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诱导系统正调控
调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构 基因转录。
▪ 在底物存在下，底物作为诱导物， 与调节基因产
生的活化物结合，改变了活化物结构，使得复合 物能够结合到操纵基因上，RNA多聚酶能够与启 动子结合，启动。转录了分解底物的结构基因。
An example of genetic control of metabolism
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The products of gene expression can be RNA or protein
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Basic concept of transcription
A transcription unit：
调控类型
有阻遏物
无阻遏物
负调控
－
＋
正调控
＋
_
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Lac 操纵子基因的组成型表达： 外源诱导物不存在时， 功能基因仍表达
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复制与转录
▪ DNA复制：DNA多聚酶 ▪ ＲＮＡ转录：依赖于ＤＮＡ的RNA多聚酶 ▪ 反转录：依赖于RNA的DNA多聚酶
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▪ 调节基因的产物在没有底物存在下，不能与结合
到操纵基因上，RNA多聚酶不能够与启动子结合， 启动。停止转录分解底物的结构基因。
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阻遏系统负调控
调节基因产物结合到操作基因基因上，启动结构 基因不能转录。
▪ 在底物存在下，调节基因产生的阻遏物不能与操
纵基因结合，使得RNA多聚酶能够与启动子结合， 启动。转录了合成底物的结构基因。
THE CENTRAL DOGMA
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基因表达过程
▪ DNA－SnRNA;
_tRNA _rRNA _mRNA
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THE PROCESS OF GENE EXPRESSION
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原核与真核生物基因转录
▪ 原核 — mRNA ▪ 真核 — pre-mRNA ---mRNA
▪ 解旋与启始 ▪ －10区：TATA box（Pribnow box），核
心酶结合区。
▪ －35区：sigma因子结合区。
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Basic concept of transcription
A:T rich region Initiate unwinding RNA polymerase binding site
▪ 当底物合成以后，调节基因产生的活化物
与底物的复合物不能结合到操纵基因上， 使得RNA多聚酶不能够与启动子结合，启 动。停止转录合成底物的结构基因。
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诱导和阻遏系统主要区别
调控类型
诱导系统 阻遏系统
有底物
＋ ＋
无底物
－ －
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正负调控区别
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Basic concept of transcription
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Basic concept of transcription
RNA SYNTHESIS
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Basic concept of transcription
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RNA多聚酶与启动子