基因的表达调控(上)真核基因表达调控一般规律
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。
基因表达与调控(下)真核基因表达调控一般规律
真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：
第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细 胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水 平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。
第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控 的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部 进程。
根据基因调控在同一事件中发 生的先后次序又可分为：
7. 真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中逐步 分化形成各种组织和细胞类型。分化是不同基因表达的结 果。不同类型的细胞，功能不同，基因表达的情况也不一 样。某些基因仅特异地在某种细胞中表达，称为细胞特异 性或组织特异性表达，因而具有调控这种特异性表达的机 制。
8. 真核生物对外界环境条件变化的反应和原核生物十分不 同。同一群原核生物细胞处在相同的环境条件中，对环境 条件的变化会作出基本一致的反应；而真核生物常常只有 少部分细胞基因的表达直接受到环境条件变化的影响和调 控，其他大部分间接或不受影响。
组蛋白的作用
• 组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质，可与DNA链上 带负电荷的磷酸基相结合，从而封闭了DNA分子， 妨碍基因转录。活跃转录的染色质区段中H1水平 降低。
• 转录活跃的区域也 常缺乏核小体的结 构，并且对核酸酶 敏感度增加。
8 基因表达与调控（下）
——真核基因表达调控一般规律
• 真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类 之外）主要由多细胞组成，每个细胞基因组中蕴 藏的遗传信息量及基因数量都大大高于原核生物。
• 人类细胞单倍体基因组有3×109bp，为大肠杆菌 总DNA的800倍，噬菌体的10万倍左右！
真核基因表达调控的最显著特征是能在特定 时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现 “预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过 程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范 围内保持正常功能。
分子生物学复习7-9
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的表达。
管家基因：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。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
真核生物基因表达调控的机制
真核生物基因表达调控的机制
真核生物基因表达调控的机制
真核生物中的基因表达调控是一个复杂而且受多种影响的过程，其机制也极为复杂，主要包括以下七个方面。
一、基因结构调控
基因的结构调控可以通过改变基因的翻译或者转录起始点，改变基因的拷贝数量，改变基因的外显子结构等，从而调节基因表达。
这种机制也称为“结构调控”。
二、编码序列调控
基因编码序列可以用来调节基因表达。
包括基因内部的种类多样性，基因突变等，都会影响基因编码序列，从而影响基因表达。
三、转录因子调控
转录因子可以调节基因转录的开始时间，结束时间，影响基因转录的效率，从而影响基因表达。
四、mRNA加工调控
当mRNA处于加工过程中，其加工过程也会受到调控，这种调控会影响mRNA的翻译效率，从而影响基因的表达。
五、mRNA翻译调控
翻译调控是一种比较常见的调控机制，它可通过影响mRNA的结构、翻译初始效率以及翻译开始时间来调节基因的表达。
六、蛋白质稳定性调控
蛋白质稳定性的调控是指通过改变蛋白质的稳定性，来影响基因
的表达。
七、基因激活与抑制
基因激活与抑制是指通过外界影响，改变激活因子或者抑制因子的表达，来影响基因表达。
以上就是真核生物基因表达调控的七个机制，同时，也是基因组学研究中需要重点关注的重要机制。
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。
真核生物基因表达调控的特点及主要调控环节
真核生物基因表达调控的特点及主要调控环节真核生物基因表达调控是一个复杂而精密的系统，涉及到多种调控机制和调控环节。
通过这些调控机制和环节，真核生物能够在不同的细胞类型和不同的发育阶段中表达特定的基因，从而实现细胞功能的多样化和分化。
下面我们将详细介绍真核生物基因表达调控的特点以及主要调控环节。
首先，真核生物基因表达调控具有高度的精细性和特异性。
在真核生物细胞中，每个细胞都包含着相同的基因组，但不同细胞类型和组织会表达不同的基因。
这种差异性主要是通过转录调控来实现的，即通过对特定基因的转录进行调控，使得只有需要的基因在特定的时间和空间表达。
这种精细性和特异性的调控是真核生物细胞功能多样化和分化的重要基础。
其次，真核生物基因表达调控涉及多种调控机制和调控因子。
在真核生物细胞中，基因表达的调控是一个复杂的过程，需要多种调控机制和调控因子的参与。
其中，转录因子是最为重要的调控因子之一，它们可以结合到基因的启动子区域，促进或抑制该基因的转录。
此外，还有一些非编码RNA、表观遗传学修饰等调控机制也在基因表达调控中扮演着重要角色。
这些调控机制和调控因子相互作用，共同调控着基因的表达。
另外，真核生物基因表达调控还存在着复杂的信号传导网络。
在细胞内部，存在着多种信号通路和信号分子，它们可以感知外界环境的变化，并将这些信息传递给细胞核，从而影响基因的表达。
这些信号传导网络可以通过激活或抑制转录因子的活性，改变基因的表达水平。
通过这种方式，细胞可以根据外界环境的变化做出相应的调整，保持内部稳态。
综上所述，真核生物基因表达调控具有高度的精细性和特异性，涉及多种调控机制和调控因子，以及复杂的信号传导网络。
这些特点和调控环节共同构成了真核生物基因表达调控系统的核心。
通过深入研究这些调控机制和调控环节，可以更好地理解细胞功能的多样化和分化过程，为疾病的治疗和生命科学研究提供重要的理论基础。
真核基因表达调控
子遗传学的奠基石。
Gregor Mendel (1822-1884).
The Father of Genetics
在孟德尔遗传学基础上， Morgan 又提出了 基因学说。 1910年，Morgan和他的助手们发现了第一只 白眼雄果蝇，称为突变型。正常情况下，果蝇
都是红眼的，称为野生型。Morgan将白眼雄果
Actually, they had. That morning, Watson and
Crick
had
figured
out
the
structure
of
deoxyribonucleic acid, DNA. And that structure —
a "double helix" that can "unzip" to make copies
控制遗传信息流动的基本机制——RNA干扰 方面的杰出贡献而获得诺贝尔生理医学奖。
1928 年，英国科学家 Griffith 等人发现，具有
光滑外表的S型肺炎链球菌能使小鼠发病，具有 粗糙外表的R型细菌没有致病力。荚膜多糖能保
护细菌免受动物白细胞的攻击。
美国著名的微生物学家 Avery首先用实验证明 基因就是DNA分子。他将光滑型致病菌（S型） 烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细 菌自然丧失了致病能力。
• 1993 年，美国科学家 Roberts 和 Sharp 因发
现 断 裂 基 因 （ introns ） 而 获 得 Nobel 奖 ； Mullis 由 于 发 明 PCR 方 法 而 与 加 拿 大 学 者 Smith （ 第 一 个 设 计 基 因 定 点 突 变 ） 共 享 Nobel化学奖。
真核基因表达调控的一般规律
(5) mRNA5 ′端非编码区长度对翻译的影响
铁结合调节蛋白
3′
3′
翻译起始因子(eIF2)的调控
2. mRNA稳定性调节
3′端非编码区结构影响其稳定性：重复 AUUUA序列，引起mRNA 不稳定;
蛋白因子的结合可改变mRNA的半衰期.
3.小分子RNA对翻译水平的影响(反义RNA)
真核生物基因多层次表达调控
一. DNA水平的调控* 二. 转录水平的调控----最重要 三. 转录后水平的调控* 四. 翻译水平的调控 五. 翻译后水平的调控*
一. DNA水平的调控
(1) 染色质的丢失 (2) 基因扩增 (3) 基因重排 (4) DNA甲基化 (表达降低, X染色体失活中心) (5) 染色体结构 (常染色质 和 异染色质)
3. 转录后的基因沉默（RNA干涉）
Posttranscriptional gene silencing (PTGS) = RNA interference(RNAi)
1. mRNA的选择性剪接
(1)内含子和外选子的选择
1. mRNA的选择性剪接
(2) 转录终止信号的选择
RNAi （RNA干扰）
去甲基化，转录 失活 甲基化，失活
•常染色质:结构松散， 基因表达
•异染色质:结构紧密， 基因不表达
•有基因表达活性的染 色质DNA对 DNaseⅠ 更敏感，即DnaseⅠ的 敏感性可作为该基因 的转录活性的标志。
二. 转录水平的调控---最重要
转录起始--反式作用因子活性调节 顺式作用元件 和 反式作用因子的相互作用; 以正调控为主
1.线虫、昆虫、哺乳动物、植物和真菌
3.生物学功能：细胞内免疫，阻止外源病毒 和核酸的入侵，阻断逆转作子的作用。
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目前所知的真核生物基因表达调控的特点？
• 1、RNA聚合酶不同； • 2、多层次，不存在超基因式操纵子结构； • 3、个体发育复杂：基因表达的时间性和空间性；时间 性：个体发育的不同阶段，基因表达的种类和数量是 不同的；空间性：在不同组织和器官中，基因表达的 种类和数量是不同的； • 4、活性染色体结构变化：对核酸酶敏感 、DNA拓扑 结构变化 、DNA碱基修饰变化 、组蛋白变化； • 5、正性调节占主导； • 6、转录与翻译间隔进行，转录和翻译分开进行； • 7、转录后修饰、加工，初级转录产物要经过转录后加 工修饰。
核膜内，核外还有遗传成分（如线粒体 DNA 等），这就增加
了基因表达调控的层次和复杂性。 • 真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得多。 细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵子的基因表达 调控的单元，共同开启或关闭；真核生物结构基因的 mRNA
是单顺反子，且真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的
多肽链形成的亚基构成的，涉及到多个基因的协调表达。
1 真核基因组的复杂性
•
从上述可见真核基因组比原核基因组复杂得多，至今人 类对真核基因组的认识还很有限，即使现在国际上制订的 人基因组研究计划（human gene project）测出了人
基因组3×109bp的DNA序列。
• 但是要搞清楚人全部基因的功能及其相互关系、特别是 要明了基因表达调控的全部规律，还需要经历很长期艰巨 的研究过程。
3.2 按调控发生的先后次序可分为：
转录前调控 转录水平调控 转录后调控 翻译水平调控 翻译后调控
PBL教学法？
• 影响原核生物表达调控的环节?
1 真核基因转录前的调控
2 真核基因转录水平的调控
3真核基因转录后水平的调控
4 翻译水平的调控
5 翻译后水平的调控
• 各环节是如何发挥调控作用的？
• 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重复序列
不 多 。 哺 乳动物基 因组中则 存在大量 重复序列 (repetitive sequences)。
1 真核基因组的复杂性
• 原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而
真核生物为蛋白质编码的基因绝大多数是不连续的，增加了
真核基因表达调控的环节。 • 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在
2 真核基因表达调控的特点 2.3 真核生物基因组的非编码序列的存在与基因 表达调控密切相关
• 真核生物基因组至少包括两类遗传信息： • 第一类是三联体密码所编码的蛋白质的基因信息，其遗传信息 的传递包括基因转录和蛋白质合成过程，例如现在已经知道由 于存在真核生物基因的不连续性，转录后的剪接、特别是可变 剪接、RNA编辑等，可导致DNA序列与蛋白质氨基酸序列的 不完全对应关系； • 而第二类遗传信息则指非编码蛋白质序列能调节基因选择性表 达的遗传信息。已经知道，蛋白质基因只占整个真核生物基因 组序列的较少部分，因此基因组中大部分DNA是用来编码第 二类遗传信息的。
PBL教学法？
• 真核基因表达调控的类型?
• 根据表达调控性质分类
• 按表达调控发生的先后次序分类
3 真核基因表达调控的类型
3.1 根据表达调控性质为两大类:
• 第一类：瞬时调控或称可逆性调控，包括某种底物 或激素水平的升降，酶活性和浓度的调节 。 • 第二类：发育调控或称不可逆调控，它决定了真核 细胞生长、分化、发育的全部进程。
PBL教学法？
• 真核基因表达调控的特点?
？复杂性
2 真核基因表达调控的特点
• 真核基因表达调控的环节更多
• 真核基因的转录与染色质的结构变化相关
• 真核生物基因组的非编码序列的存在与基因表达 调控密切相关 • 真核基因表达以正调控为主
2 真核基因表达调控的特点 2.4 真核基因表达以正（性）调控为主
1 真核基因组的复杂性
真核生物和原核生物基因表达的对比
1 真核基因组的复杂性
• 真核基因组比原核基因组大得多 大肠杆菌基因组约4×106bp，哺乳类基因组在109bp数量级， 比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基因，人则约有3～5万 个基因。 • 原核基因组的大部分序列都为基因编码；而哺乳类基因组中 仅约 10% 的序列是编码蛋白质或 rRNA 、 tRNA 等的基因，其余 约90%是非编码序列。
2 真核基因表达调控的特点 2.1 真核基因表达调控的环节更多
• 如前所述：基因表达是基因经过转录、翻译、产生有生物活 性的蛋白质的整个过程。同原核生物一样，转录依然是真核 生物基因表达调控的主要环节。 • 但真核基因转录发生在细胞核（线粒体基因的转录在线粒体
内），翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增
PBL教学法？
• 真核基因组的复杂性?
• 真核基因表达调控的特点?
• 真核基因表达调控的类型?
PBL教学法？ • 真核基因组的复杂性?
• 大、非编码序列、重复序列、染色质、调控的层 次和环节复杂、协调表达复杂 • • 即使现在国际人基因组研究计划（human gene p因的功能及其相互关系、 特别是要明了基因表达调控的全部规律，还需要 经历很长期艰巨的研究过程。
加了更多的环节和复杂性，转录后的调控占有了更多的分量。 • 真核基因表达过程中还会涉及基因重排、基因扩增、基因消
减等。
2 真核基因表达调控的特点 2.2 真核基因的转录与染色质的结构变化相关
• 真核生物基因组DNA绝大多数都在细胞核内与组蛋白等 构成染色质； • 染色质的结构、染色质中DNA 与组蛋白的结合状态都影 响其转录。