基因表达调控基本概念与调控要求
基因的表达和调控
机制：转录后水平调控的机制主要包括mRNA的稳定性控制、选择性剪接、反义RNA、 microRNA等。
意义：转录后水平调控在细胞生长、发育、分化、代谢和应激反应等过程中具有重要 作用，对生物体的正常生理功能和疾病发生发展具有重要影响。
沉默子
定义：沉默子是基因表达调控元件中的一种，能够抑制基因的表达。
作用机制：通过与转录因子结合，沉默子能够阻碍RNA聚合酶的转录过程， 从而抑制基因的表达。
类型：根据作用机制的不同，沉默子可以分为可诱导型和不可诱导型两类。
生物学意义：沉默子的存在对于维持基因表达的稳定性和细胞分化发育的 精确性具有重要意义。
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转录后水平调控：通过RNA的剪切、 编辑和转运来控制基因表达
翻译后水平调控：通过蛋白质的修 饰、定位和降解来控制蛋白质功能
Part Five
基因表达的调控应 用
疾病治疗
基因疗法：通过 修改或替换缺陷 基因来治疗遗传 性疾病
靶向治疗：利用 特定的药物或治 疗方法针对癌症 等疾病的特定基 因变异
负向调控
定义：通过抑制基因的表达来调控基因表达的强度和时间 机制：通过阻遏蛋白与DNA结合，阻止RNA聚合酶的转录过程 实例：阻遏蛋白与DNA结合后，会导致基因无法转录和表达 作用：调控生物体的生长发育和代谢过程
复杂调控网络
转录水平调控：通过RNA聚合酶的 激活或抑制来控制基因转录
翻译水平调控：通过mRNA的稳定 性、翻译起始和延伸来控制蛋白质 合成
Part One
基因表达的基本概 念
基因表达的定义
生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
转录激活域
谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
蛋白质-蛋白质结合域 (二聚化结构域)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
基因表达的调控
第十三章基因表达的调控一、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。
基因表达与调控
基因表达与调控基因是生物体内蛋白质合成的基本单位，而基因表达与调控则是指基因在不同细胞类型和生理状态下的活性水平调节。
通过基因表达与调控，细胞能够在不同环境中正确地产生所需的蛋白质，从而维持生命的正常功能。
本文将从基因表达、基因调控以及相关机制等方面进行论述。
一、基因表达基因表达是指基因通过转录和翻译过程转化为蛋白质的过程。
基因表达分为几个步骤，包括转录和翻译。
转录是指DNA分子通过酶的作用，在细胞核内转录成RNA分子的过程。
翻译是指RNA通过核糖体和tRNA的配合作用，在细胞质中合成蛋白质的过程。
基因表达的过程中，遵循了中心法则，即DNA→RNA→蛋白质。
二、基因调控基因调控是指通过调节基因的表达水平来控制细胞功能和生物体发育的过程。
基因调控的作用机制很多，包括转录水平的调控、RNA后转录调控以及转译后调控等。
转录调控是指通过控制转录过程中的启动子、转录因子和蛋白质复合体等因素的结合，来调节基因表达。
RNA后转录调控是指通过不同的RNA分子、非编码RNA以及miRNA 等调控因子，对RNA分子进行修饰和降解的过程。
转译后调控是指通过对已合成的蛋白质进行修饰、分解和定位等方式调节基因表达。
三、基因表达与调控的相关机制1. DNA甲基化DNA甲基化是指DNA分子中的一些Cytosine碱基通过甲基化酶的作用而被甲基基团修饰的过程。
DNA甲基化可以影响基因的表达，通常甲基化的基因会出现表达静默的现象，从而达到对基因的调控效果。
2. 转录因子转录因子是指能够与DNA特定区域结合，调控基因表达的蛋白质。
转录因子可以通过结合启动子区域，影响RNA聚合酶与DNA结合的能力，从而调控基因的转录过程。
转录因子的表达量和活性水平可以受到其他调控因素的影响，从而进一步调节基因的表达。
3. miRNAmiRNA（microRNA）是一种短链非编码RNA分子，具有调节基因表达的功能。
miRNA可以与靶基因的mRNA结合，通过抑制其翻译或降解来影响基因的表达水平。
基因表达调控
基因表达调控基因表达调控是指细胞内基因的转录和翻译过程中的一系列调控机制，它对细胞的正常功能发挥起着至关重要的作用。
通过基因表达调控，细胞可以控制哪些基因被转录、转录速率的调节以及转录产物的稳定性，从而影响蛋白质的合成。
在本文中，我们将探讨基因表达调控的机制、重要性以及其在生物学和医学研究中的应用。
I. 转录调控机制基因的转录调控是基因表达调控的首要环节。
转录调控包括DNA 的开放和绑定转录因子的调节。
DNA上的开放由染色质重塑和化学修饰来实现，而转录因子是一类蛋白质，它们能够与DNA上的特定序列结合，激活或抑制特定基因的转录。
A. 染色质重塑染色质重塑是通过重排和重新组装染色质结构来实现对基因表达的调控。
这一过程由众多蛋白质和酶的协同作用完成，例如组蛋白修饰酶和染色质转录后修饰复合物。
B. 转录因子调节转录因子是指能够与DNA结合并调控特定基因转录的蛋白质。
转录因子可以通过识别和结合特定的DNA序列来调节基因的转录活性。
其中，激活转录因子可以增强转录活性，而抑制转录因子则会减弱或抑制转录的过程。
II. 转录后调控机制转录后调控是基因表达调控的另一个重要环节。
转录后调控主要包括RNA剪接、RNA修饰和RNA稳定性的调控。
A. RNA剪接RNA剪接是指将转录后的mRNA前体分子中的内含子剪切除去，以形成成熟的mRNA分子。
这一过程的调控可以使得同一个基因产生多种不同的mRNA转录产物，从而增加基因的功能多样性。
B. RNA修饰RNA修饰是指在转录后的RNA分子上添加、修饰化学基团的过程。
这些修饰可以改变RNA的结构和功能，进而影响转录后调控的结果。
C. RNA稳定性调控细胞通过控制mRNA的稳定性来影响特定基因的表达水平。
通过添加或去除RNA分子上的结构域，细胞可以决定特定mRNA的寿命。
III. 基因表达调控在生物学和医学研究中的应用基因表达调控在生物学和医学研究中具有广泛的应用价值。
下面我们将从两个方面来介绍其应用。
《现代分子生物学》第七章 原核生物基因表达调控
操纵基因是位于操纵子前端部分的顺式控制 操纵基因是位于操纵子前端部分的顺式控制 元件，它能和阻抑蛋白结合，控制结构基因 元件，它能和阻抑蛋白结合，控制结构基因 的转录。阻抑蛋白是调节基因的表达产物， 的转录。阻抑蛋白是调节基因的表达产物， 是参与操纵子调节的反式作用因子。 是参与操纵子调节的反式作用因子。 原核生物操纵子中的全部结构基因从同一个 原核生物操纵子中的全部结构基因从同一个 启动子开始转录成单个mRNA分子。 启动子开始转录成单个mRNA分子。
一、诱导作用和阻抑作用
细菌应答某种特定物质出现而合成特定酶 的过程，称为诱导作用（induction）。大肠 的过程，称为诱导作用（induction）。大肠 杆菌乳糖操纵子是这种机制最好的范例。 如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶 将其自身分解，这种小分子物质就叫做诱 将其自身分解，这种小分子物质就叫做诱 导物（inducer）。 导物（inducer）。
5. 转录因子
转录因子（transcription 转录因子（transcription factor ）是转录起始 过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录 过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录 因子是参与正调控的反式作用因子，在无转 因子是参与正调控的反式作用因子，在无转 录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。 录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。 转录因子通常识别位于基因上游启动子附近 转录因子通常识别位于基因上游启动子附近 的顺式作用元件。 的顺式作用元件。
细菌快速应答环境营养成分的变化的能 细菌快速应答环境营养成分的变化的能 力不仅表现在分解新底物方面，而且也 用来关闭突然在培养基中的化合物的内 源性合成，这种效应就是所谓的阻抑作 源性合成，这种效应就是所谓的阻抑作 repression）。大肠杆菌色氨酸操纵 用（repression）。大肠杆菌色氨酸操纵 子即是阻抑作用的例子。 如果某种小分子物质能够阻止细菌产生 合成其自身的酶，这种小分子物质叫做 辅阻抑物（corepressor）。 辅阻抑物（corepressor）。
第7章原核生物基因表达的调控
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆
菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷
上，形成乙酰半乳糖。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
原核生物基因表达调控的基本结构单元
原核生物基因表达调控的基本结构单元（原创实用版）目录1.原核生物基因表达调控的基本概念2.原核生物基因表达调控的基本结构单元3.操纵子学说及其在原核生物基因表达调控中的作用4.调控系统的分类和特点5.原核生物基因表达调控与真核生物基因表达调控的异同正文原核生物基因表达调控的基本概念原核生物基因表达调控是指原核生物细胞内基因转录和翻译的过程，通过一系列分子机制和调控系统来实现对基因表达的控制。
基因表达调控在生物体的生长、发育、适应环境变化等过程中起着至关重要的作用。
原核生物基因表达调控的基本结构单元原核生物基因表达调控的基本结构单元包括启动子、操纵子和终止子。
这些结构单元分别位于基因的上游和下游区域，共同参与基因表达的调控。
1.启动子：启动子是基因转录的起始区域，包含一些关键的序列和元件，如识别转录因子的结合位点、RNA 聚合酶结合位点等。
启动子的作用是招募 RNA 聚合酶，从而启动基因的转录过程。
2.操纵子：操纵子是原核生物基因表达调控的核心结构单元，负责调控特定基因的表达。
操纵子通常包含一个调控序列和一组与之相互作用的转录因子。
调控序列可以分为两类：一类是诱导序列，可以与诱导型转录因子结合，从而激活基因表达；另一类是阻遏序列，可以与阻遏型转录因子结合，从而抑制基因表达。
3.终止子：终止子位于基因的下游区域，是基因转录的终止区域。
终止子包含一些特定的序列和元件，如终止子识别蛋白结合位点、RNA 聚合酶解离位点等。
终止子的作用是引导 RNA 聚合酶从 DNA 模板上脱离，从而结束基因的转录过程。
操纵子学说及其在原核生物基因表达调控中的作用操纵子学说是原核生物基因表达调控的基本理论，该学说认为，原核生物的基因表达调控主要是通过操纵子和与之相互作用的转录因子来实现的。
大多数调控系统是负调系统，即通过阻遏型转录因子来抑制基因表达，但也存在少数正调系统，即通过诱导型转录因子来激活基因表达。
调控系统的分类和特点原核生物基因表达调控系统可以根据调控方式和调控范围进行分类。
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基因表达调控的基 本概念和调控要求
2、空间特异性(spatial specificity)
在个体生长全过程，某种基因产物在个体 按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的 空间特异性。
基因表达伴随空间顺序所表现出的这种分 布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的， 所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。
基因表达调控的基 本概念和调控要求
一、基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
基因表达调控的基 本概念和调控要求
基因表达调控的基 本概念和调控要求
酶合成的阻遏操纵子模型
调节基因
结构基因 操纵基因
调节基因 操纵基因 结构基因
mRNA 酶蛋白
辅阻遏物
辅阻遏物 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这 种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。
基因表达调控的基 本概念和调控要求
3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白
基因表达调控的基 本概念和调控要求
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
Jac调控要求
2、操纵子的定义
操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵 基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组 成。操纵基因受调节基因产物的控制。
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
基因表达调控的基 酶蛋白
本概念和调控要求
• 可阻遏调节（P235）：基因平时是开启的，处在产 生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物 或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
基因表达调控的基 本概念和调控要求
三、基因表达的规律 ——时间性和空间性
1、时间特异性（temporal specificity）
按功能需要，某一特定基因的表达严格按 特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间 特异性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。
基因表达调控的基 本概念和调控要求
2、适应性表达
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的现象称为诱导
(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)； • 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称 为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因 (repressible gene)。
负控阻遏
基因表达调控的基 本概念和调控要求
4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋 白（activator）。 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏
入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的 调控正转录调基控因。表达调控的基
本概念和调控要求
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控
负转录调控 在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种 调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控 负转录调控。 基因表达调控的基
本概念和调控要求
2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答， 可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：
• 可诱导调节（P235）：指一些基因在特殊的代谢 物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为 工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
基因表达调控的基 本概念和调控要求
基因表达调控的基 本概念和调控要求
基因表达调控的基 本概念和调控要求
三、原核基因调控机制的类型与特点
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
基因表达调控的基 本概念和调控要求
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控
正转录调控 • 如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加
基因表达调控的基 本概念和调控要求
四、基因表达调控的生物学意义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） • 维持个体发育与分化（真核）
基因表达调控的基 本概念和调控要求
第二节 原核基因调控机制
内容提要： • 原核基因表达调控环节 • 操纵子学说 • 原核基因调控机制的类型与特点 • 转录水平上调控的其他形式
基因表达调控的基本概念 和调控要求
基因表达调控的基 本概念和调控要求
Contents
1. 基因表达调控的基本概念 2. 原核基因调控机制 3. 乳糖操纵子 4. 色氨酸操纵子 5. 其他操纵子 6. 转录后水平上的调控
基因表达调控的基 本概念和调控要求
第一节 基因表达调控的基本概念
一、基因表达的概念 gene expression ：基因转录及翻译的过程。 对这个过程的调节就称为gene regulation 。
rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达
基因表达调控的基 本概念和调控要求
二、基因表达的方式 永久型性表达(constitutive expression) 适应型表达(adaptive expression）
基因表达调控的基 本概念和调控要求
1、永久型表达：
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 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)。
（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。
根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏： • 在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）
结合时，结构基因转录； • 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）
结合时，结构基因不转录。
基因表达调控的基 本概念和调控要求
负转录调控系统
负控诱导