8年制生物化学与分子生物学 第26章 基因表达及功能分析基本策略
《生物化学与分子生物学》第十八章 基因表达调控教案
一、教学目的与要求：1、掌握基因表达的概念；基因表达的特异性、基因表达的方式；管家基因的概念；基因转录激活调节基本要素；乳糖操纵子的结构、调节机制；RNA pol II 转录起始的调节、顺式作用元件与反式作用因子。
2、熟悉基因表达调控的生物学意义；原核基因转录调节的特点；真核基因组结构特点；真核基因表达调控的特点。
3、了解原核生物转录终止及翻译水平调节；RNA pol I 和RNA pol III 的转录调节；RNA pol II 转录终止、转录后水平及翻译水平的调节。
二、教学重点、难点：教学重点：基因表达的概念；基因表达的特异性、基因表达的方式；管家基因的概念；基因转录激活调节基本要素；乳糖操纵子的结构、调节机制；RNA pol II 转录起始的调节、顺式作用元件与反式作用因子。
教学难点：乳糖操纵子的调节机制；RNA pol II 转录起始的调节。
课程名称生物化学与分子生物学授课地点黄金校区教学楼选用教材“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《生物化学与分子生物学》（第八版）（人民卫生出版社，查锡良、药立波主编）授课章节课题第十八章基因表达调控第一节基因表达与基因表达调控基本概念与特点第二节原核基因表达调控第三节真核基因表达调控（共4学时）三、教学方法设计：1、简单复习复制、转录及翻译等章节内容的有关知识，结合中心法则，说明遗传信息传递的连续性；提出“为什么庞大的基因组中只有少量的基因能表达，而大多数基因处于不表达状态”的疑问，引出本章要讲述的内容。
2、突出重点，分散难点，深入浅出，抓住关键；3、语言表达、图文并茂的多媒体课件相结合，适当介绍相关的研究进展；4、在一些重点或关键处可适当板书，起到突出重点、引导学生思路从而更易掌握的作用；5、课堂上多提问，与学生交流，调动他们的积极性，也可先设疑，在后续教学中引导学生寻找答案，做到深入浅出，逐层剥离。
四、教具或教学手段：电脑、教鞭、制作好多媒体课件。
基因表达及其调控与代谢物分析
基因表达及其调控与代谢物分析基因表达是指基因上的信息被转录成RNA分子，最终转化为蛋白质的过程。
在细胞代谢过程中，不同的基因表达量和调控机制对于细胞的功能和特性起着重要的作用。
因此，基因表达及其调控与代谢物分析是当今生物医学研究领域中的热点问题。
基因的表达量由多种环境和遗传因素调节。
通常来说，基因转录起始因子和转录核酸酶是控制基因表达的两个主要因素。
转录起始因子与特定DNA序列的结合激活转录过程，而转录核酸酶则是识别DNA序列并促进mRNA的合成。
此外，基因组上的诸多的表观遗传修饰（包括DNA甲基化、组蛋白修饰等）和非编码RNA （如甲基化miRNA、siRNA等）也可影响基因表达。
在细胞增殖和分化过程中，上述因素的调控极为复杂。
为了更好地研究基因表达及其调控，在取得细胞样品后，可以利用RNA测序技术和qPCR等方法检测不同基因的表达量，识别某些表达模式与不同生物功能之间的关系。
此外，分子标记方法（如北方杂交法、原位杂交法），蛋白质组学方法（如蛋白质质谱法、蛋白质芯片法），和功能基因组学方法（如基因敲除法、RNA干扰技术）等，也是流行的基因表达分析方法。
在基因表达分析的基础上，代谢物分析是对细胞生命过程的加强理解，特别是对于了解某些代谢性疾病。
代谢物是细胞内化学反应的产物，也是描述细胞状态和活动的有力工具。
代谢物组学方法以人体代谢物和代谢物组为研究对象，运用各种分析技术和数据处理手段对大量生物样品进行分析，以确定不同状态的代谢物指纹图谱，寻找新的代谢性疾病标志物，并发现特定代谢物在疾病的发展过程中的机制。
在代谢物分析领域，代谢物组学方法（如质谱代谢物组学和核磁共振代谢物组学）是最常见和流行的，通过分析组织和体液中代谢物的浓度和结构差异，可以确定不同状态的代谢物指纹图谱。
此外，也有人使用代谢物芯片、代谢物关注方法和有针对性地定向扫描特定代谢物的方法等。
总的来说，基因表达及其调控和代谢物分析是两个相辅相成的研究领域。
8年制生物化学与分子生物学 第26章 基因表达及功能分析基本策略
目录
（一）基于杂交原理的方法可检测mRNA表达水平 1．Northern印迹（Northern blot）
既可分析mRNA表达又可验证cDNA新序列 是一种基于RNA-DNA杂交原理建立的一种RNA分析 技术
目录
Northern 印 迹 分 析 原 理 示 意 图
目录
2．核糖核酸酶保护实验
目录
2. 高通量测序技术是新一代基因表达谱 分析方法
高通量测序技术可以一次对几十万到几百万个 DNA分子片段进行序列测定，从而快速获得转录组或
基因组的全貌, 又被称为深度测序(deep sequencing)。
目录
1）目前，高通量测序技术不仅仅在DNA测序中起到重 要的作用，并且已经应用于基因组分析的各个方面：
（ribonuclease protection assay，RPA）
可用于mRNA定量和RNA剪接分析
是一种基于杂交原理分析 mRNA 的方法，既可对
mRNA 进行定量分析又可研究其结构特征，灵敏 度和特异性都很高。
目录
核糖核酸酶保护实验原理示意图
目录
3．原位杂交（in situ hybridization，ISH）
目录
基因芯片的缺点: 在于它是一个“封闭系统”, 它只能检测人们已知 序列的特征(或有限的变异)。
高通量测序的优势: 在于它是一个“开放系统”, 它的发现能力和寻找 新信息的能力从本质上高于芯片技术。
目录
（二）蛋白质芯片和双向电泳可在蛋白质水平 高通量地分析基因表达 1．蛋白质芯片有多种形式和用途
虽然原位杂交在功能性方面提供的信息较少，但是该 技术还是被广泛用于组织中的基因表达分析，这是因 为其较高的稳定性、较广泛的靶点和组织适用性。
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。
《分子生物学》课程教学大纲
《分子生物学》课程教学大纲（理论学时：16学时）使用教材：医学分子生物学（供8年制及7年制临床医学等专业用）分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命的本质、生命活动及其规律的科学。
医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，是从分子水平研究人体在正常及疾病状态下生命活动及其规律的一门科学。
它主要研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能、相互作用及其同疾病发生、发展的关系。
作为一门课程，医学分子生物学涵盖了医学各专业学生必须学习的分子生物学基础知识，以及分子生物学在医学领域中形成的专门研究领域及相关知识。
医学分子生物学既要较系统地了解分子生物学的基础理论知识和技术理论知识，同时也要了解分子生物学在医学领域的应用和相关研究进展。
本书共二十三章，包括5个方面内容。
第二章至第十章介绍分子生物学基本知识，主要介绍基因和基因组的基本概念和基本特点，基因组核酸复制与损伤修复、基因表达和功能蛋白形成与降解、基因表达调控、细胞间通讯与信号转导的基本概念和基本理论，细胞增殖与凋亡的相关分子生物学机制。
第十一章至第十三章介绍基因操作的基本知识，包括基因分析、基因功能研究和基因克隆与表达的相关基本知识和研究策略。
第十四章至第十八章介绍疾病分子生物学机制，介绍了基因和基因组、细胞间通讯和信号与人类健康和疾病之间关系。
第十九章至第二十一章介绍分子生物学理论与技术在医学中应用，包括基因诊断和基因治疗概念与相关研究。
最后两章介绍分子生物学新兴研究领域、生物信息学在基因和蛋白质研究中的应用。
本大纲正是从上述目的出发，在要求学生掌握分子生物学基本知识与基本技术，同时了解分子生物学在医学领域的应用与相关研究。
使学生们在分子水平上研究人体在正常及疾病状态下生命活动及其规律，为从事临床医学打下深厚的基础。
绪论一、目的要求了解分子生物学的定义、研究对象和研究内容；分子生物学发展简史；生物遗传物质的发现；现代分子生物学的建立和深入发展；分子生物学与相关学科的关系；分子生物学在医学和生物学中的应用。
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。
生物化学及分子生物学(人卫第九版)-26基因诊断与基因治疗
基因诊断与基因治疗
作者 : 李存保 单位 : 内蒙古医科大学
目录
第一节 基因诊断
第二节 基因治疗
重点难点
掌握
基因诊断与基因治疗的概念
熟悉
基因诊断技术、基因治疗的基本策略和基本程序
了解
基因诊断和基因治疗在医学中的应用
第1节
基因诊断
一、基因诊断的概念与特点
（1） 基因诊断的概念：
是指利用分子生物学技术和方法直接检测基因结构及其表达水平是否正常，从而 对疾病作出诊断的方法。
（2）直接体内疗法
临床上可用于基因诊断的样品有血液、组织块、羊水和绒毛、精液、毛发、唾液 和尿液等。
三、基因诊断的基本技术
（一）核酸分子杂交技术
1. Southern 印迹法 其可以区分正常和突变样品的基因型，并可获得基因缺失或插入片段大小等信息。 DNA印迹一般可以显示50 bp～20 kbp的DNA片段，片段大小的信息是该技术诊断基因缺 陷的重要依据。 2. Northern 印迹法 Northern印迹法（Northern blot）能够对组织或细胞的总RNA或mRNA进行定性 或定量分析，及基因表达分析。Northern印迹杂交对样品RNA纯度要求非常高，限制了 该技术在临床诊断中的应用。
是以改变人遗传物质为基础的生物医学治疗，即通过一定方式将人 正常基因或有治疗作用的DNA片段导入人体靶细胞以矫正或置换致病基因 的治疗方法。它针对的是疾病的根源，即异常的基因本身。
一、基因治疗的基本策略
（一）缺陷基因精确的原位修复
1.基因矫正 gene correction 致病基因的突变碱基进行纠正 2.基因置换 gene replacement 用正常基因通过重组原位替换致病基因 这两种方法属于对缺陷基因精确的原位修复，既不破坏整个基因组的结构，又可达到治 疗疾病的目的，是最为理想的治疗方法。
基因表达和调控的生物化学机制
基因表达和调控的生物化学机制基因是一个生物的所有遗传信息的载体。
基因的表达是指遗传信息从基因中被转录和翻译成蛋白质的过程。
基因表达是一个复杂的生物化学过程，涉及到DNA的复制和转录，RNA的加工和修饰，以及蛋白质的合成和后续生物学功能的实现。
为了顺利地完成这一过程，细胞需要对基因进行调控，使其在不同的环境和时期中以恰当的方式表达。
在细胞中，基因表达的调控是一个丝毫不差的过程。
因为在同一种细胞中，不同基因的表达都需要在不同的时间和空间上进行调整，以适应不同的生理和生化需求。
细胞需要在调控基因表达时，同时兼顾对其基因组的保护和稳定性。
因此，细胞内部的分子机制和信号通路在基因表达和调控中扮演了重要角色。
DNA复制和转录细胞内复制过程中，DNA双链被分离，由螺旋酶酶催化的单股DNA作为模板合成新的双股DNA。
如果细胞需要转录一个基因，则在DNA链中有一条单股被复制并合成一条新的链，这种合成过程就是转录。
转录的起始点称为启动子，由RNA聚合酶(一种酶)和启动因子进行识别和结合。
RNA聚合酶通过反复“滑动”直到到达终止密码子基序并停止合成RNA链。
染色质结构在细胞内，DNA与一些特殊的蛋白质结合，形成了染色质这个大的复合体。
染色质通过紧密缠绕和松开的方式，实现DNA的不同程度的包裹，在不同的时刻控制DNA的可访问性。
如果染色质松开了DNA，这样可以让转录因子（一类蛋白质）能够顺利地结合到基因启动子上，实现基因的转录过程。
DNA甲基化DNA甲基化是一种广泛存在于自然界生物体中的基因表达调控机制。
DNA甲基化通常被称为“表观遗传标记”，因为甲基化修饰的正负对DNA结构起到了影响。
DNA甲基化是在脱氧核糖苷（dNTP）降解成脱氧胸腺嘧啶酸时由甲基基团捐赠者S-腺苷甲硫凝集酶催化的。
DNA甲基化位点多种多样，并且会因不同的环境因素，如化学物质暴露和不正确的饮食习惯而发生改变。
RNA剪切和编辑DNA转录的主要产物是RNA，RNA通常被其加工和修饰，以适应其在细胞中的不同需求。
基因结构与表达分析的基本策略课件
DNA序列分析—DNA测序，1977 聚合酶链式反应—DNA扩增，1985 DNA重组技术—基因克隆，1973
基因结构与表达分析的基本策略课件
1
主要内容
一、DNA序列分析
二、核酸分子杂交 三、聚合酶链式反应 四、基因芯片和微阵列
五、 Western免疫印迹
基因结构与表达分析的基本策略课件
这一技术类似于用吸墨纸吸收纸张上的 墨迹，因此称之为“blotting”, 译为印迹 技术。
基因结构与表达分析的基本策略课件
32
探针技术
用放射性核素、生物素或荧光染料标 记其末端或全链的已知序列的多聚核苷酸 链被称为“探针”。
探针可以与固定在NC膜上的核苷酸结 合，判断是否有同源的核酸分子存在。
基因结构与表达分析的基本策略课件
The Nobel Prize in Chemistry 1993
基因结构与表达分析的基本策略课件
51
The replication of DNA
基因结构与表达分析的基本策略课件
52
原理：PCR是模拟天然DNA复制过 程，利用DNA 聚合酶催化一对引物 间特异DNA片段合成的体外扩增技 术。 其主要热循环过程为：变性、 退火、延伸三个步骤。
（一）PCR技术原理 （二）耐热DNA聚合酶 （三）PCR引物及设计原则 （四）PCR条件的优化 （五）PCR改进技术
（六）其它PCR技术 基因结构与表达分析的基本策略课件
50
（一）PCR技术原理
聚合酶链式反应(PCR) :
Mullis K. 1985年
发明的一种模拟天然
DNA复制过程的核酸
体外扩增技术。
基因结构与表达分析的基本策略课件
基因表达与功能分析基本策略共84页文档
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 是活 动。——卢 梭
基因表达(基因工程课件)
目的蛋白质易于分离: 利用亲和层析技术，可以快速 获得纯度较高的融合蛋白。
目的蛋白质表达率高: 与受体蛋白质共用一套表达元件。 目的蛋白质溶解性好：融合蛋白质在胞内形成良好的空
间构象，且大多具有水溶性。 目的蛋白质需要回收：融合蛋白质需要裂解和进一步
分离，才能获得目的蛋白。
目的基因表达
CONTENTS
目 录
01 基因表达载概体念的 概 念 、 种 类
02 基因表达载和体调的控特条点件 、 功 能
03
原核与真质核粒生物基因表达的主要差异
04
基因表达过程
05
影响外源基因表达的因素
03
蛋白质的表达形式
基因表达：指基因携带的遗传信息，经过 转录、翻译、加工修饰等复杂过程，产生 具有生物学功能的蛋白质过程。
mRNA上与核糖体16sRNA结合的序列。
原核生物肽链合成的延长：
1.进位: 氨基酰-tRNA结合到 核糖体A位。
氨基酸2
氨基酸1
2.成肽:转肽酶催化，P位上起 始氨基酰-tRNA上的氨基酸 与A位上氨基酰-tRNA的氨基 形成肽键。
CA A G G A
ACUAGGUUCCUGCUAG
3.转位：转位酶催化，A位的 肽酰-tRNA移入P位。
转录延长：
启动子清除，σ亚基脱落， RNA聚合酶核心酶变构，与 模板结合松弛，沿着DNA模 板前移，在核心酶作用下 NTP不断聚合，RNA链不断 延长。
核心酶
β ωα
α
β’
全酶 σ
原核生物：在同一DNA模板上，有多个转录同时进行（羽毛
状现象），转录尚未完成，翻译已在进行。
真核生物：转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜
基因表达教学课件ppt
翻译的场所
翻译主要在细胞质的核糖体上进行，核糖体是由RNA和蛋白质组成的复合体 。
翻译的起始
起始密码子
翻译的起始信号是mRNA上的起始密码子，它与核糖体上的起始因子结合，起始 翻译过程。
起始因子的作用
起始因子与起始密码子结合后，可以促进核糖体与mRNA的结合，并启动翻译过 程。
02
基因表达研究在农业领域也得到了广泛应用，通过对植物和动物基因表达的研 究，可以更好地了解生长发育和适应环境的机制，提高生产效率。
03
基因表达研究在环境科学领域也扮演着重要的角色，通过对不同生物在相同环 境下的基因表达比较，可以更好地了解生物对环境的适应性，为环境保护提供 科学依据。
基因表达研究的发展趋势
02
基因表达的转录
转录的概述
01
02
03
定义
转录是指将DNA序列转 化为RNA序列的过程。
转录的酶
转录需要RNA聚合酶的 参与。
转录的场所
转录主要发生在细胞核内 。
转录的启动
启动子
转录的启动子是RNA聚合酶识别和结合DNA序列的位点。
转录起始复合物
启动子与RNA聚合酶结合形成转录起始复合物。
转录起始复合物的形成过程
基因表达谱
通过基因表达谱可以了解疾病状态下哪些基因在发生变化，从而 为疾病的诊断提供依据。
生物标志物
一些基因表达产物可以作为疾病的生物标志物，例如：前列腺癌 中的PSA基因。
疾病分型
基因表达数据可以用于疾病的分型，例如：肺癌可以分为鳞状细 胞癌、腺癌和小细胞肺癌。
基因表达异常与疾病的治疗
靶向治疗
化学生物学与基因表达调控
化学生物学与基因表达调控随着科技的不断发展和深入研究，化学生物学作为一门新兴的学科迅速崭露头角。
它通过结合化学和生物学的方法研究生命过程中的化学反应和分子机制，为我们揭示了生物体内发生的奇妙化学变化及其对生命活动的调控作用。
在解析生命之谜的过程中，化学生物学在基因表达调控领域起着重要的作用。
基因是生物体的遗传信息库，控制了生物的发育、生长、代谢等一系列生命活动。
然而，基因的表达并不是简单的转录和翻译过程，而是受到多种内外因素的调控和影响。
化学生物学研究的是分子水平上的生物学现象，因此可以深入探究基因表达调控的化学机制。
在基因表达调控中，转录因子起着关键作用。
转录因子是一类能够结合到DNA上，并参与到转录过程中的蛋白质。
通过识别并结合到特定的DNA序列上，转录因子可以调控基因的启动和停止转录，从而控制基因的表达。
化学生物学家通过研究转录因子与DNA之间的相互作用，揭示了他们之间的化学联系，并发现了一些可以干扰这种相互作用的小分子化合物。
这些小分子化合物可以作为药物或抑制剂，用于治疗与基因表达异常相关的疾病，如癌症和遗传性疾病。
此外，还有一类重要的化学修饰物质在基因表达调控中发挥了重要作用。
这些化学修饰物质主要包括DNA甲基化和组蛋白修饰。
DNA 甲基化是一种通过在DNA分子上加上甲基基团的方式来调控基因活性的化学修饰过程。
通过在DNA上添加甲基，可以阻碍转录因子的结合及其他转录机制的进行，从而使基因处于沉默状态。
组蛋白修饰则通过改变组蛋白分子的结构和电荷状态，影响DNA的紧密程度，从而影响基因的表达。
化学生物学家不断探索这些化学修饰物质的作用机制，以及它们与基因表达调控之间的相互关系。
除了转录因子和化学修饰，化学生物学还涉及到诸如信号传导、代谢途径及相关酶的研究。
这些生物化学分子及其相互作用对基因表达调控起着重要的作用，可以影响蛋白质的合成和修饰，并通过反馈机制调节基因表达的水平。
化学生物学的研究深入探究了这一系统性的调控过程，并为基因表达的精确调控提供了重要的理论和实验基础。
基因表达教案
基因表达教案教案标题：基因表达教案教学目标：1. 理解基因表达的概念和过程。
2. 了解基因表达在细胞中的重要性。
3. 掌握基因表达的调控机制。
教学准备：1. 幻灯片或白板和标记工具。
2. 细胞生物学教科书或相关资料。
3. 模型或图表展示基因表达的过程。
4. 实验室材料（如DNA提取试剂盒）。
教学过程：1. 导入（5分钟）- 通过提问或展示图片引起学生对基因表达的兴趣。
- 引导学生思考：什么是基因表达？它在细胞中的作用是什么？2. 知识讲解（15分钟）- 使用幻灯片或白板解释基因表达的概念和过程。
- 解释基因转录和翻译的过程，以及它们在细胞中的位置。
- 强调DNA、RNA和蛋白质之间的关系和相互作用。
3. 模型展示（10分钟）- 展示基因表达的模型或图表，以帮助学生更好地理解基因表达的过程。
- 解释模型中的各个组成部分，如DNA、RNA聚合酶和核糖体。
4. 案例分析（15分钟）- 提供一个基因表达相关的案例，让学生分析和讨论。
- 引导学生思考基因表达的调控机制，如转录因子和表观遗传修饰。
5. 实验设计（15分钟）- 引导学生设计一个简单的实验来研究基因表达。
- 提醒学生考虑实验变量、控制组和实验步骤。
6. 实验演示（10分钟）- 展示一个基因表达实验的演示，如DNA提取实验。
- 解释实验步骤和结果，并与学生讨论。
7. 总结与评价（5分钟）- 总结基因表达的重点内容。
- 评价学生对基因表达的理解程度，并解答他们的问题。
教学延伸：1. 鼓励学生进行更多的实验和研究，以深入了解基因表达的机制。
2. 提供额外的阅读材料，让学生进一步拓展他们的知识。
3. 组织学生参观相关的研究实验室或科学展览，以增加他们对基因表达的实际应用的认识。
教学评估：1. 参与度评估：观察学生在课堂上的参与程度和提问的质量。
2. 案例分析评估：评估学生对基因表达调控机制的理解和分析能力。
3. 实验设计评估：评估学生设计实验的合理性和科学性。
化学生物学研究中的转录调控与基因表达
化学生物学研究中的转录调控与基因表达在生命的微观世界里，转录调控与基因表达就如同一场精心编排的交响乐，每一个音符都精准有序，共同演绎着生命的奇妙旋律。
化学生物学作为一门交叉学科，为我们深入理解这一复杂而又关键的生命过程提供了独特的视角和有力的工具。
转录调控，简单来说，就是控制基因何时、何地以及以何种程度被转录成 RNA 的过程。
这就好像是一个精细的开关系统，决定着哪些基因被激活，哪些被抑制，从而影响着细胞的功能和生物体的表型。
而基因表达则是指基因通过转录和翻译，最终产生具有生物活性的蛋白质或功能性 RNA 的过程。
要理解转录调控，首先我们得认识到基因并不是随意表达的。
细胞所处的环境、内部的信号以及发育阶段等多种因素都会影响基因的表达模式。
比如，当细胞受到外界压力时，会迅速启动一系列应激相关基因的表达，以帮助细胞应对危机；而在细胞分化的过程中，特定的基因组合会被选择性地激活，使细胞逐渐发展成为具有特定功能的细胞类型。
那么，转录调控是如何实现的呢？这其中涉及到众多的分子参与者和复杂的调控机制。
其中，转录因子是关键的角色之一。
转录因子能够识别并结合到基因启动子区域的特定 DNA 序列上，从而促进或抑制转录的进行。
它们就像是一把把钥匙，只有与特定的锁（DNA 序列）匹配，才能开启或关闭基因表达的大门。
除了转录因子，DNA 甲基化、组蛋白修饰等表观遗传机制也在转录调控中发挥着重要作用。
DNA 甲基化通常会抑制基因的表达，而组蛋白修饰则可以改变染色质的结构和开放性，从而影响基因的可及性。
化学生物学的研究方法为探究转录调控和基因表达机制带来了新的机遇。
通过设计和合成特定的小分子化合物，研究者可以干预转录过程中的关键步骤，从而揭示其内在的机制。
例如，利用小分子抑制剂可以特异性地阻断转录因子与 DNA 的结合，观察由此产生的细胞表型变化，进而推断该转录因子的功能。
此外，化学生物学中的高通量筛选技术也大大加速了新的转录调控因子和小分子调节剂的发现。
基因表达与调控
基因表达与调控基因表达和调控是分子生物学中非常重要的研究领域。
基因表达是指基因的信息被转化为相应的蛋白质或RNA产物的过程，而基因调控则涉及细胞内的一系列机制来控制基因表达的水平和时间点。
在本文中，将探讨基因表达与调控的过程以及相关的分子机制。
1. 基因表达的过程基因表达是一个复杂而精细的过程，包括转录和翻译两个关键步骤。
转录是指DNA序列转录成RNA的过程，而翻译则是指RNA被翻译成蛋白质的过程。
1.1 转录转录过程中，DNA的双链结构被解开，以其中的一个链作为模板合成RNA分子。
这个过程由RNA聚合酶RNA Polymerase进行，它能够通过读取DNA上的序列，将相应的核苷酸加入正在合成的RNA链中。
转录的最终产物是一种称为mRNA的信使RNA，它将带有基因信息的序列从细胞核中运输到细胞质，为蛋白质的合成提供模板。
1.2 翻译翻译过程发生在细胞质的核糖体中，利用mRNA作为模板合成蛋白质。
翻译的开始是由起始密码子（AUG）引导的，核糖体通过读取mRNA序列上的密码子，将相应的氨基酸添加到正在合成的多肽链中。
这个过程需要适配体tRNA的参与，tRNA携带着氨基酸，并与对应的密码子进行配对。
当遇到终止密码子时，翻译过程结束，多肽链从核糖体释放出来，形成成熟的蛋白质。
2. 基因调控的机制基因调控是细胞内通过各种机制来控制基因表达的水平和时间点。
这些机制可以分为转录调控和转录后调控两大类。
2.1 转录调控转录调控是指通过调节转录过程中的环境和因子来控制基因的表达。
这包括转录因子的结合和染色质的结构改变。
2.1.1 转录因子转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质，它们能够与启动子区域结合，促进或抑制RNA聚合酶的结合，从而调节转录过程。
转录因子的结合是一个高度特异的过程，依赖于转录因子和启动子之间的序列匹配。
2.1.2 染色质结构改变染色质是DNA和蛋白质的复合物，它的结构紧密程度会影响基因的表达。
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2．实时定量PCR
常用于mRNA的定量分析 实时定量PCR (Real-time Quantitative Polymerase chain Reaction,RQ-PCR) 是定量分析 mRNA 的最通用、最快速、 最简便的方法，该方法是对 PCR 反应进行实时监测，具
有很高的灵敏度和特异性。
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SYBR Green 实 时 定 量 分 析 原 理 示 意 图 PCR
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二、通过蛋白质检测揭示基因 翻译水平的表达特征
（一）采用特异抗体经Western印迹可直接 测定基因编码多肽
Western印迹（Western blot）是一种免疫印迹技术，
其基本原理与核酸分子杂交相似，只是以偶联标记物的抗 体分子作为探针，检测转移到固相支持物上的蛋白质 /多肽 分子。当在蛋白质水平上检测特定基因的表达活性时，最 常用的方法就是利用Western印迹对细胞或组织的总蛋白质 中的特异蛋白质进行定性和半定量分析。
免疫组织化学（ immunohistochemistry ）与免疫 细胞化学（immunocytochemistry）原理相同，都是利 用标记的特异性抗体通过抗原 -抗体反应和显色反应， 在组织或细胞原位检测特定抗原（即目标蛋白质）的 方法，简称为免疫组化实验。近年来由于荧光标记抗
体的广泛应用，这两种方法又被统称为免疫荧光法。
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2. 高通量测序技术是新一代基因表达谱 分析方法
高通量测序技术可以一次对几十万到几百万个 DNA分子片段进行序列测定，从而快速获得转录组或
基因组的全貌, 又被称为深度测序(deep sequencing)。
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1）目前，高通量测序技术不仅仅在DNA测序中起到重 要的作用，并且已经应用于基因组分析的各个方面：
根据分析方法的原理和功能特性，可将基因表达分析分为: 封闭性系统研究方法:例如DNA微阵列、Northern印迹、实 时RT-PCR等方法，其应用范围仅限于已测序的物种，只能 研究已知的基因。 开放性系统研究方法: 如差异显示PCR、双向基因表达指纹 图谱、分子索引法、随机引物PCR指纹分析等，可以发现 和分析未知的基因。 这里主要针对已知基因的常用表达分析方法做一介绍。
称“高通量”。
高通量检测技术适合“组学”（ omics ）研究，更 适合生命活动过程相关的基因表达谱分析。
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（一）基因芯片和高通量测序技术可在基因 水平高通量地分析基因表达
1. 基因芯片已成为基因表达谱分析的常用方法
基因芯片（gene chip）又称DNA微阵列(DNA microarray)、 DNA芯片（DNA chip）, 是将大量已知序列的核酸片段（包括 寡核苷酸、cDNA、基因组DNA、microRNA等) 集成在同一基 片上，组成密集分子排列，通过与标记样品进行杂交，检测、 获取细胞或组织的基因信息。 其中基因表达谱（expression prifile）分析是目前基因芯片 应用最多的一个方面，主要采用 cDNA 芯片，基因表达谱芯片 便于对不同状态（如生理和病理条件）下的基因表达谱进行比 较，揭示转录组（ transcriptome）差异表达的规律，对探索发 病机制、评价治疗效果、筛选药物靶标具有重要意义。
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（ immunofluorescence ），可应用荧光（倒臵）显微镜或 激光共聚焦显微镜（ confocal microscopy ）对靶分子进行 定性、定量和定位分析，激光共聚焦显微镜还可进行断层 成像，是在蛋白质水平分析基因表达的直观方法。 其中抗体对于蛋白质靶点的特异性、种间交叉反应、检测 系统的灵敏性以及细胞或组织的固定类型是该方法的关键 因素。 运用双重着色或多重着色程序同时对多个感兴趣的靶分子 进行检测，是一种揭示更多有关细胞群的功能和它们之间 相互作用信息的有效方法。 免疫组化主要是作为定性、定位的技术，若结合密度计量 系统、图像分析系统等测量工具也可以得到定量的数据。
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基因芯片的缺点: 在于它是一个“封闭系统”, 它只能检测人们已知 序列的特征(或有限的变异)。
高通量测序的优势: 在于它是一个“开放系统”, 它的发现能力和寻找 新信息的能力从本质上高于芯片技术。
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（二）蛋白质芯片和双向电泳可在蛋白质水平 高通量地分析基因表达 1．蛋白质芯片有多种形式和用途
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（二）酶联免疫吸附分析与Western印迹原理 相似但形式不同
酶联免疫吸附分析（Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）也是一种建立在抗原-抗体反应基础上的蛋白
质分析基本方法。
该方法不需经电泳分离待检样品蛋白质，而是预先将样品 包被在支持体上，以后反应过程与Western印迹大致相同—— 顺序结合（即“吸附”）特异抗体（一抗）及与酶连接的第二 抗体（也可预先包被抗体，“吸附”抗原），再进行酶-底物 反应。反应后通过专门的酶标仪测定、记录数据。
在 DNA 水平上，可以大规模地分析基因组甲基化、筛选突变基 因、检测基因多态性； 在 RNA水平上，可以对 RNA 片段进行扫描、定量与鉴定，对全 基因组进行广谱表达研究。
2）高通量测序另一个被广泛应用的领域是小分子RNA或 非编码 RNA(ncRNA) 研究。测序方法能轻易地解决芯片 技术在检测小分子时遇到的技术难题(短序列, 高度同源), 而且小分子RNA的短序列正好配合了高通量测序的长度, 同时测序方法还能在实验中发现新的小分子RNA。
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（四）流式细胞术用于分析 表达特异蛋白质的阳性细胞
流式细胞术（flow cytometry）在细胞水平分析特定 蛋白质的基本原理也是抗原 - 抗体反应，它利用荧光标记 抗体与抗原的特异性结合，经过流式细胞仪分析荧光信号，
从而根据细胞表达特定蛋白质的水平对某种蛋白质阳性细
胞（即特异基因表达的细胞）作出判断。
（ribonuclease protection assay，RPA）
可用于mRNA定量和RNA剪接分析
是一种基于杂交原理分析 mRNA 的方法，既可对
mRNA 进行定量分析又可研究其结构特征，灵敏 度和特异性都很高。
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核糖核酸酶保护实验原理示意图
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3．原位杂交（in situ hybridization，ISH）
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目前有5种技术用于实时定量PCR： 其中最经济、简便的技术是利用荧光染料（如SYBR Green ）与双链 DNA 分子结合发光的特性，指示扩增产 物的增加； 其他4种方法都是以荧光染料标记的寡核苷酸为探针 与正确的扩增子杂交，包括 5’ 核酸酶法（即人们熟知的 TaqManTM ）、分子信标、 ScropionsTM 和探针杂交法， 它们拥有更强的特异性，可以避免对 PCR 后溶解曲线的 需求，以及后续的 Southern 杂交或对扩增子的测序鉴定， 但是成本较高。
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第二节 生物信息学在预测基因 功能中的应用
Bioinformatics Application in Predicting Gene Function
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一、利用生物信息学方法进行基因功能 注释
(一）通过序列比对预测基因功能
序列比对是生物信息学最基本的分析技术之一，最常 用的方法是将目的DNA或蛋白质序列与已知的DNA和蛋白 质序列数据库进行比对，搜索到与目的序列高度同源的功 能已知的基因或蛋白质，用这些基因和蛋白质预测目的基 因和蛋白质的功能。局部比对搜索工具BLAST是进行序列 比对的基本工具，它允许用户选择一条查询序列与一个数 据库进行比对，找到数据库中与输入的查询序列相匹配的 项。BLAST是一个序列数据库搜索程序家族，其中包括许 多有特定用途的程序。
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三、高通量检测技术成为基因表达 研究的有力工具
高通量筛选(High throughput screening，HTS)技术
是在大量核酸、多肽信息累计（即资料库）基础上，采 用微板作为分子载体，制作集成“芯片”，以自动化操 作系统进行分子杂交的试验过程。 因为快捷、灵敏、信息量大，适合大规模操作，故
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根据蛋白质芯片制作方法和用途不同，可将其分为
1. 蛋白质检测芯片
2. 蛋白质功能芯片两大类 蛋白质检测芯片包括: 1. 抗体芯片 2. 抗原芯片 3. 配体芯片 4. 碳水化合物芯片等
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2．双向电泳结合质谱普遍用于蛋白质表达 谱的分析和鉴定
目前比较和鉴定蛋白质表达谱更多采用双向聚丙烯酰 胺凝胶电泳结合质谱技术。双向聚丙烯酰胺凝胶电泳技术 又称二维电泳（two-dimensional electrophoresis, 简称2-D 电泳）。 原理: 根据蛋白质分子的两个属性——等电点和分子质 量——将蛋白质混合物进行分离。电泳结果经染色后，即 可对不同样品中蛋白质的表达谱进行比较；还可从凝胶中 将特定的蛋白质点切下，经胰蛋白酶消化后得到短肽片段， 利用质谱（mass spectrum）技术进行定性分析，对差异表 达的蛋白质进行鉴定。 可同时分离数成百上千的蛋白质。
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酶联免疫吸附分析
特点： 具有特异性； 灵敏度很高； 稳定、操作简便，标本用量少，适于大规模筛查， 尤其适用于检测体液中微量的特异性抗体或抗原； 既可以做定性试验也可以做定学和 免疫学等领域。
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（三）免疫组化实验可对组织/细胞 表达的蛋白质进行原位检测
蛋白质芯片（protein chip）是一种对蛋白质的表达和 功能进行高通量分析的技术。 是将具有高度亲和特异性的探针分子（如单克隆抗体） 固定在基片上，用以识别复杂生物样品溶液中的目标多肽； 蛋白质功能芯片可用来研究蛋白质修饰、蛋白质 - 蛋白质 /DNA- 蛋白质 /RNA- 蛋白质，以及蛋白质与脂质、蛋白质 与药物、酶与底物、小分子-蛋白质等的相互作用。
第二十六章
基因表达及功能分析的 基本策略
STRATEGIES FOR ANALYZING GENE EXPRESSION AND FUNCTION