基因表达调控的机理和作用
植物生长素信号通路调控下游基因表达的机制研究
植物生长素信号通路调控下游基因表达的机制研究植物生长素是一种内源性植物激素，参与了植物生长发育的各个阶段，并在细胞分化、衰老、生殖等过程中发挥作用。
生长素通过调节下游基因表达发挥生物学功能，对整个植物体的发育过程具有重要的影响。
因此，对植物生长素信号通路下游基因表达调控机制的研究，对理解植物发育机理具有重要的意义。
1. 植物生长素信号通路生长素信号通路从生长素感受器开始，经过一系列的激酶级联反应，最终导致下游基因表达的变化。
生长素感受器是生长素信号通路的起点，生长素通过与感受器结合来启动信号通路。
在这个过程中，生长素感受器与生长素结合形成复合物，启动了转录因子的活性，并且通过激酶级联反应、磷酸化等机制向下调节基因表达。
整个信号通路的调节和控制是非常复杂的。
2. 生长素信号通路调控下游基因表达的机制植物生长素通过调控下游基因表达，发挥着多种作用。
下游基因的表达受到许多因素的影响，植物生长素信号通路只是其中一种。
在植物生长素信号通路中，激酶级联反应是调控下游基因表达的重要机制。
植物生长素信号通路中的三重磷酸化级联反应，是一种最基本、最重要的调节机制。
在这个过程中，生长素结合到感受器上，生长素感受器将激活一系列蛋白激酶，这些激酶直接或间接调控下游基因的表达。
植物生长素信号通路也涉及到一些DNA调控蛋白的参与。
转录因子和转录共因子是在生长素信号通路中调节下游基因表达的重要组成部分。
转录因子通过结合到DNA顺式或反式元素上来调节基因表达。
有许多的转录因子被证实对生长素信号通路调控下游基因表达负责：1）ARF转录因子：这些转录因子与Aux/IAA蛋白结合并诱导了各种生长素诱导基因的表达。
2）SAUR转录因子：这些基因通过与生长素反应而诱导下游基因表达。
3）GH3家族：这些转录因子通过羧酸化反应来调节生长素信号通路下游基因的表达。
除了转录因子以外，一些辅助因子和调节因子也参与了植物生长素信号通路下游基因表达的调控。
生物化学及分子生物学(人卫第九版)-16基因表达调控说课讲解
色氨酸操纵子的结构及其关闭机制
A.前导序列的结构特征；B.在Trp低浓度时，核糖体停滞在序列1上，2/3发卡结构形成，转录继续进行； C.在Trp高浓度时，3/4发卡结构和多聚U序列使得转录提前终止
3.转录衰减的机制 ①色氨酸的浓度较低时，前导肽的翻译因色氨酸量的不足而停滞在第10/11的色氨酸密码子 部位，核糖体结合在序列1上，因此前导mRNA倾向于形成2/3发夹结构，转录继续进行； ②色氨酸的浓度较高时，前导肽的翻译顺利完成，核糖体可以前进到序列2，因此发夹结构 在序列3和序列4形成，连同其下游的多聚U使得转录中途终止，表现出转录的衰减。
3.真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表 达调控的层次。
4.原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子mRNA使得几个功能相关的基因自然协调 控制；而真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子 （monocistron），许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同亚基也将涉及多个基因的 协调表达。
1.原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的
2.操纵子（operon）：由结构基因、调控序列和调节基因组成 ①结构基因：包括数个功能上有关联的基因，它们串联排列，共同构成编码区。这些结 构基因共用一个启动子和一个转录终止信号序列，因此转录合成时仅产生一条mRNA长 链，为几种不同的蛋白质编码。这样的mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息，被称 为多顺反子（polycistron）mRNA。
5种E.coli 启动子的共有序列
b. 操纵元件：是一段能被特异的阻遏蛋白识别和结合的DNA序列。 ③调节基因（regulatory gene）：编码能够与操纵序列结合的阻遏蛋白
分子生物学课件 第9章 原核生物基因调控
结合araI时，araI作为正控制的元件，促进araBAD 基 因的表达 。
34
9.7 翻译水平的调控
9.7.1反义RNA的调控
聂理
35
反义RNA
反义RNA有多种符号 = antisense RNA = -RNA = stRNA(small temporal RNA) = micRNA（ mRNA-interfering complementary RNA） 即 干扰和抑制mRNA翻译的互补RNA片段
为诱导物开启lac操纵子结构基因……。
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9.4.2乳糖操纵子正控制机理
CRP：cyclic AMP receptor protein， =“cAMP受体蛋白”， =“降解物基因活化蛋白（CAP）” ①当环境中有葡糖时： 抑制cAMP 产生，纯CAP是失活态蛋白。 ②当环境中无葡糖时： 有利于 cAMP 产生和cAMP-CAP形成。
22
9.5.2 衰减子
衰减子也叫弱化子
attenuator
聂理
23
9.5.2.1衰减子组成
trp操纵子前导区L，转录出RNA前导序列161nt。
1~26nt翻译的 SD序列区
27~71nt含14个氨基酸 密码的前导肽区
115~159nt衰减子区
具有终止子 结构特征
24
9.5.2.2衰减子调控机制
41
9.7.3 核开关 riboswitch
核开关也叫核糖开关。 是mRNA所形成的调节基因表达的结构。 在mRNA的非翻译区（5’-UTR,3’-UTR）， 与小分子效应物可逆结合而改变其结构， 根据构象特征信号来影响mRNA的表达， （如影响转录、翻译等） 从而达到调控基因开关的目的。
基因表达与代谢产物之间的关系及其调控机制
基因表达与代谢产物之间的关系及其调控机制基因表达与代谢产物之间的相互作用关系在生物体内起着非常重要的作用，这种作用关系可以说是相辅相成的。
代谢产物是由基因所编码的蛋白质所产生的，而基因的表达也受到代谢产物的影响。
因此，基因表达与代谢产物之间的强弱关系及其调控机制就成为本文探讨的主要内容。
一、基因表达与代谢产物之间的关系基因表达是指在蛋白质合成的过程中，将DNA中的遗传信息转录成RNA的过程。
代谢产物则是指生物在代谢过程中所产生的物质，包括蛋白质、核酸、糖类、脂类等。
基因表达与代谢产物之间的关系是相互促进的。
一方面，代谢产物对基因表达具有直接作用。
例如，在某些情况下，代谢物可以直接调节RNA聚合酶的活性，从而影响基因的表达水平。
另一方面，基因的表达也会影响代谢产物的产生和代谢过程。
例如，通过影响代谢途径关键酶的表达，基因就可以调节代谢产物的产生和分解。
二、基因表达与代谢产物之间的调控机制在生物体内，基因表达与代谢产物之间的关系是受到调控的。
这种调控机制主要有上游调控、下游调控、自反馈机制等。
1. 上游调控上游调控是指在基因表达之前，通过调节RNA聚合酶的活性，影响基因表达。
这种调控机制主要有转录因子和miRNA两种方式。
转录因子是一类可以结合到DNA上的蛋白质，通过与DNA上特定区域结合，影响RNA聚合酶的活性从而调节基因的表达。
而miRNA则是一类小RNA，可以结合到mRNA上，从而影响mRNA的稳定性和翻译。
2. 下游调控下游调控是指在代谢产物生成后，通过不同途径影响基因的表达。
这种调控机制主要有两种类型：直接调控和非直接调控。
直接调控是指代谢产物通过结合到蛋白质上，直接影响其表达活性。
非直接调控主要是指代谢产物通过调节锌指转录因子、受体，或活性化蛋白激酶，从而影响基因表达。
3. 自反馈机制自反馈机制是一种回馈式调控，主要通过代谢产物与其合成酶或代谢产物的生成关键酶相互作用，调节自身合成和代谢。
原核生物的基因调控
• 基因调控主要在三个水平上进行: • ①. DNA水平 • ②. 转录水平 • ③. 翻译水平
• 一、转录的起始
转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要 涉及两个方面：
1、RNA合成的酶系； 2、RNA合成起始和终止信号，即DNA分子上 的特定序列。
通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互 作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实 现细胞生理状态和环境的变化。
调控（节）蛋白
操纵子
调控蛋白的作用机制
注：R：Regulator P：Promoter
O：Operator
正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer)
负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor)
• 二、正调控与负调控
• 调节基因
RNA 调节蛋白
正调节蛋白+操作子
• 在细菌中受核糖体保护的起始序列约35～40个碱基长， 其中包含起始密码子AUG。在起始密码子上游约4～ 7个核苷酸之前还有一段富含嘌吟的 5′…AGGAGG…3′短小序列，它可以与16S rRNA3′ 端的 3′…UCCUCC…5′区段完全互补。mRNA上的这 段序列称为 Shine Dalgarno 序列（简称SD序列）。
promoter operator 启动基因 操纵基因
structural genes 结构基因
操纵子(operon)模型
R
PO
structural genes
＋ 正调控（positive regulation) － 负调控 (negative regulation)
DNA RNA
Protein
• 概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同一
酵母基因的启动和调控机理
酵母基因的启动和调控机理酵母是一种广泛应用于生物学研究中的模式生物，在基因调控方面有着丰富的研究成果。
在酵母细胞中，基因的启动和调控是由一系列复杂的分子机制来实现的。
本文将介绍酵母基因启动和调控的机理。
一、启动子启动子是基因转录的起始点，也是基因表达调控的关键位置。
在酵母细胞中，启动子的长度通常为200-300bp，其中一些序列被认为是通用的转录启动子元件，如TATA盒、CCAT盒和GC盒。
这些元件通常存在于大多数启动子中，以便让转录因子定位到适当的位置，在支持酵母基因的启动过程。
二、转录因子转录因子是调控基因表达的重要调节因素。
酵母中有许多不同类型的转录因子，它们能够识别不同的启动子元件，从而调节基因转录。
转录因子的主要作用是结合到DNA序列上，形成转录因子-启动子复合物，并通过多种方式影响RNA聚合酶在启动子区域的聚合。
三、催化复合体一旦RNA聚合酶与启动子复合物形成，通过多种催化复合物中转录因子、RNA聚合酶和人类乳头瘤病毒E6相关蛋白1（HAT）等分子参与在内的复杂化学过程，基因转录过程就开始了。
催化复合物的作用是促进RNA聚合酶启动合成RNA链的过程，并在转录过程中保护RNA链以免受到RNA降解酶的攻击。
四、RNA后处理转录后的RNA通常需要经过修饰才能成熟和稳定，其修饰过程包括剪接和聚腺苷酸化等步骤。
在酵母细胞中，剪接作为基因表达的调节机制发挥着重要的作用。
五、基因沉默酵母细胞中的基因沉默是基因表达调控的另一种重要方式。
基因沉默通过RNA干扰机制实现，这意味着通过RNA互补配对和siRNA等分子的参与，RNA 分子可以识别并切断剪接RNA分子，从而抑制基因转录。
这种沉默机制在许多生物体中都发挥着重要的生物学作用。
综上所述，酵母基因的启动和调控是由转录因子、启动子、催化复合物、RNA 后处理等多项机制共同作用所实现的。
对于研究基因调控和人类疾病的发病机制等方面来说，酵母是一个重要的模式生物，其重要性不言而喻。
分子生物学第5章
(2)当色氨酸充足时，色氨酰tRNA供给充足，核糖体迅速翻译序列1
合成前导肽，并对序列2形成约束，使序列2、3不能形成茎环结 构，转而序列3、4形成转录终止子结构衰减子，使下游正在转 录结构基因的RNA聚合酶脱落，终止转录
转录衰减机制:
新生肽链 核糖体
5’ 1 2
衰减子结构 (attenuator)
3
4
mRNA
UUUU 3’
DNA
trp 密码子当色氨酸来自度高时核糖体5’
1
2
3 4
当色氨酸浓度低时
高Trp时： Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2
片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖ρ因子的转录终止序列 RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物 转录、翻译偶联,产生前导肽
前导序列：在trp mRNA5'端trpE基因的起始密码前一 个长162nt的mRNA片段。
第10和第11位上有相 邻的两个色氨酸密码子
转录与翻译的偶联是衰减调控的基础 色氨酰tRNA浓度的变化是衰减调控的信号
(1)当色氨酸缺乏时，色氨酰tRNA供给不足，合成前导肽的核糖体
停滞于序列1的色氨酸密码子位点，序列2、3形成茎环结构，使
结合乳糖、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：
葡萄糖（G） 乳糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）
①
×
× √ √
√
× × √
√
√ √ √
CAP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 不能诱导去阻遏，CAP即使结合，基因未开放 细菌优先用G，无CAP结合，无诱导去阻遏 CAMP-CAP复合物无，CAP位点空，去阻遏 也无RNA pol结合
真核生物基因表达调控
含有大量重复序列
二、真核生物基因表达调控的特点 1、多层次 2、个体发育复杂 3、正性调节占主导 4、转录与翻译间隔进行
真核生物基因表达调控的种类：
根据其性质可分为两大类： 一是瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞 对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底 物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性 和浓度的调节。 二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： DNA水平调控－－转录水平调控－－转录后水平调 控－－翻译水平调控－－蛋白质加工水平的调控
三． 活泼转录区染色质的结构变化：
1. 染色质的两种状态：
① 非活性状态【inactive (silent) state 】:如异染色质 ② 活化状态【active state 】：
活泼转录区对核酸酶的敏感性提高 正在转录的DNA甲基化程度降低； 活泼转录的染色质常常缺乏组蛋白H1，其他核心组蛋白 则被乙酰化或与泛素相结合而修饰 非常活泼的转录区，如许多真核生物的rRNA基因处，没 有核小体结构
cAMP的作用机理
PKA的激活 R 调节亚基 C 催化亚基
目录
蛋白激酶A
（cAMP-dependent protein kinase，PKA）
cAMP
R R
Ｃ Ｃ
R： 调节亚基 C： 催化亚基
PKA的作用
1） 对物质代谢的调节作用 通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调 节功能。
肾上腺素 ＋受体
二 、转录因子：
（一）、转录因子的类型： 1. 转录基础因子：basal factor
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基因表达调控的机理和作用生命最基本的单位是细胞，而细胞中最基本的结构和功能都由基因来控制。
基因表达是指在细胞中将基因的信息转化为蛋白质的过程，这个过程包括基因的转录、RNA 的加工和翻译等多个步骤。
基因表达的调控是指通过生物体内外环境的变化，调节基因表达，从而控制细胞分化、发育和适应环境等生命活动的过程。
本文将从基因调控机理、基因表达调控的作用等方面，探讨基因表达调控的机理和作用。
基因调控机理
基因调控是由一系列蛋白质和其他非编码RNA协同调控的。
其中，蛋白质编码基因调控的过程主要涉及到转录调控因子、组蛋白修饰因子、DNA甲基化修饰因子和RNA分解酶等。
转录调控因子
转录调控因子主要参与基因转录过程中的启动子的识别、转录因子互作等基本过程，从而实现对该基因的转录水平的调控。
转录因子又可分为两类：一类是活化因子，一类是抑制因子。
活化
因子能够与启动子结合并激活转录，抑制因子则阻止启动子与RNA聚合酶的结合，从而起到基因的抑制作用。
组蛋白修饰因子
组蛋白修饰因子通过调节染色质的构象结构，影响整个基因的转录过程。
组蛋白修饰因子通过乙酰化、甲基化、去乙酰化等不同的修饰方式对组蛋白进行修饰，从而形成不同的染色质结构。
通过这些组蛋白修饰方式，基因的区域可以被打开或关闭，以实现基因的表达或抑制。
DNA甲基化修饰因子
DNA甲基化是指DNA上特定的碱基被甲基化。
DNA甲基化可以通过调节基因启动子的维度来调控基因的表达，从而影响细胞功能和生命活动等。
在细胞分化和发育等过程中，DNA甲基化是特别重要的途径之一。
RNA分解酶
RNA分解酶通过水解RNA串的化学键来分解mRNA。
RNA分解酶能够调节基因的表达水平，从而影响细胞的功能和适应性。
基因表达调控的作用
基因表达调控的作用很大程度上是分化、发育和适应环境等生
命活动的过程。
在人类细胞分化和发育中，基因表达调控是实现
细胞分化、形成组织器官和致使胚胎发育的关键途径。
在人类和
其他物种的适应环境中，基因调控同样扮演着至关重要的角色。
在环境变化（比如饮食、温度、化学物质等）发生时，通过基因
表达调控可以实现对整个生物体的适应，这是很重要的进化方式
之一。
总结
基因调控在生命活动中发挥着不可忽视的作用。
基因调控机理
涉及到转录调控因子、组蛋白修饰因子、RNA分解酶等多个方面，这些因子通过识别启动子、调节染色质结构、分解RNA内容等途
径来影响基因的表达。
基因表达调控能够支持细胞的分化、发育
和适应环境等过程，这些过程在生命的各个阶段中都起着十分重
要的作用。