高中生物竞赛辅导—生物化学十三(基因表达调控)
生物化学中的基因表达调控
生物化学中的基因表达调控生物体内的基因表达调控是一项关键的生物化学过程，它决定了基因的表达水平和基因产物的功能。
这个调控系统以多种复杂的方式调节基因的表达，以适应细胞内和细胞外环境的变化。
本文将介绍基因表达调控的机制和其在生物化学中的重要性。
一、基因表达调控的概述基因表达调控是指细胞如何决定在何时、何地和何种程度上表达特定基因的过程。
这种调控是细胞内复杂网络的结果，涉及到DNA序列、蛋白质因子和其他细胞组分的相互作用。
二、转录调控在基因表达的第一步中，DNA序列被转录成RNA，这一过程称为转录。
转录调控是一种主要的基因表达调控机制，通过控制转录的起始和终止来调节基因的表达水平。
这种调控包括DNA序列中的启动子区域和转录因子的相互作用。
三、转录后调控转录后调控是指在转录结束后，通过调节RNA的处理、稳定性和翻译效率来调控基因表达。
这种调控包括RNA修饰、剪接和降解等过程。
转录后调控对于基因调控的精确性和适应性具有重要作用。
四、表观遗传调控表观遗传调控是指通过改变染色质结构和DNA甲基化状态来调控基因表达。
这种调控是长期稳定的，可以由环境因素和遗传变异所影响。
表观遗传调控在细胞分化、发育和疾病发生中起着重要的作用。
五、信号传导调控细胞内外的信号分子可以通过信号传导通路直接或间接地调节基因的表达。
这种调控机制可以迅速地响应环境变化，调节基因表达以满足细胞的需要。
信号传导调控在细胞生命活动中起着非常关键的作用。
六、miRNA调控miRNA是一类小分子RNA，通过与靶基因的mRNA结合来抑制其翻译或降解，从而调节基因表达。
miRNA调控是一种重要的基因表达调控机制，参与细胞增殖、分化和生理病理过程。
七、基因表达调控的重要性基因表达调控在生物化学中具有重要的意义。
它使细胞能够对环境变化做出适应性反应，并在细胞生命周期的不同阶段保持基因表达的稳定性和精确性。
基因表达调控的异常可能导致疾病的发生和发展。
总结：基因表达调控在生物化学中是一个复杂而重要的过程。
生物化学——基因表达调控
CCAAPP CAP CAP CAP
cAMP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
.
9
(3)阻遏蛋白与CAP的协调调节
低半乳糖时 (有阻遏蛋白)
高半乳糖时 (无阻遏蛋白)
葡萄糖浓度低 cAMP 浓度高
(有CAP)
葡萄糖浓度高 cAMP 浓度低
(无CAP)
RNA-pol
O
O
mRN
A
O
O
.
10
三、真核基因基因表达的调节
阻遏基因
DNA mRNA
I C Ppo O l
Z YA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
.
7
有乳糖存在时
DNA mRNA
I C pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
.
8
(2)CAP的正性调节 + + + + 转录
DNA I C P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
24
2. 乳糖操纵子的结构及其调节机制
控制区
信息区
DNA I C P O Z Y A
调控 序列
启动 序列
操纵 序列
CAP结合位点
编码基因 Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶
A：乙酰基转移酶 代谢产物基因激活蛋白(cataboli.te gene activator protie6n,CA
(1)阻遏蛋白的负性调节
第十四章 基因表达调控
(Regulation of Gene Expression)
1961年，法国科学家F. Jacob和J. Monod通过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制， 提出了著名的操纵子学说，从而开创了基因表 达调控研究的新纪元。
生物化学第十三章 基因表达调控
第十三章基因表达调控一、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。
高中生物中的基因表达调控
高中生物中的基因表达调控在高中生物的学习中，基因表达调控是一个极其重要的概念。
它就像是一个精细而复杂的指挥系统，决定着生物体何时、何地以及如何表达特定的基因，从而影响着生命活动的方方面面。
要理解基因表达调控，首先得知道什么是基因表达。
简单来说，基因表达就是基因通过转录和翻译产生具有生物活性的蛋白质或 RNA 的过程。
而基因表达调控呢，则是指对这个过程进行调节和控制，以确保基因在合适的时间、空间和条件下进行表达，并且表达的水平恰到好处。
为什么基因表达调控如此重要呢？想象一下，如果我们身体里的每一个基因都在不停地表达，无时无刻不在大量产生蛋白质，那将会是一场混乱的灾难！相反，如果基因该表达的时候不表达，或者表达的量不够，也会导致各种问题。
所以，基因表达调控对于生物体的正常生长、发育、繁殖以及适应环境变化都至关重要。
基因表达调控可以发生在多个层面。
在转录水平上，这是基因表达调控的关键环节之一。
DNA 上的基因并不是随时都能被转录成 RNA 的，而是受到各种因素的影响。
比如，存在一些特殊的蛋白质，叫做转录因子，它们能够与基因的特定区域结合，促进或者抑制转录的进行。
以细菌为例，它们有一种叫做操纵子的结构，这是一个很典型的转录水平调控的例子。
操纵子包括一组相关的基因，以及调控这些基因表达的元件。
比如，乳糖操纵子，当环境中有乳糖而没有葡萄糖时，乳糖会与一种阻遏蛋白结合，使其构象发生改变，不再能够与操纵基因结合，从而让 RNA 聚合酶能够顺利地结合到启动子上，启动基因的转录，产生分解乳糖所需的酶。
在转录后水平，基因表达调控也在发挥作用。
RNA 经过转录产生后，还需要经过一系列的加工和修饰，比如剪接、加帽、加尾等。
这些过程都可以对基因表达进行调控。
翻译水平的调控同样不容忽视。
核糖体与 mRNA 的结合、起始密码子的识别、以及翻译的速度等，都可能受到调控。
除了这些分子层面的调控机制，细胞和生物体还可以通过更宏观的方式来调控基因表达。
基因表达的调控
基因表达的调控基因表达的调控是生物体中基因活动的一个重要过程，通过调控基因的表达水平，维持细胞的功能和稳态。
基因表达调控涉及多个层次，包括转录水平、转译水平和后转录水平等。
下面将对这些层次的基因表达调控进行详细介绍。
一、转录水平调控转录水平调控指的是通过调节基因的转录过程来控制基因表达的水平。
主要的调控方式包括转录激活和转录抑制。
转录激活因子可以与DNA结合，促进转录因子的结合，从而增强转录过程，而转录抑制因子则能够与DNA或转录因子结合，阻碍转录的进行。
此外，染色质的结构也会对基因的转录起到重要的调控作用，如DNA甲基化、组蛋白修饰等都可以改变染色质的状态，进而影响基因的表达。
二、转译水平调控转译水平调控是指调控基因的转录产物（mRNA）的转译过程。
在细胞中，mRNA需要被翻译成蛋白质才能发挥作用。
转译的调控主要包括转录后修饰和mRNA降解两个方面。
在转录后修饰中，mRNA会经历剪接、剪接调控、RNA编辑等多个步骤，来改变它的结构和功能。
而mRNA降解则通过一系列核酸酶的作用，将mRNA降解成短的片段，从而控制基因的表达。
三、后转录水平调控后转录水平调控是指基因表达的调控发生在转录和转译之后的过程。
在这个阶段，蛋白质会经历一系列的修饰和定位过程，以实现其特定的功能。
这些修饰包括糖基化、磷酸化、乙酰化等，它们可以改变蛋白质的稳定性、定位和相互作用等性质。
此外，许多蛋白质需要通过蛋白酶的作用进行裂解，形成活性的多肽或蛋白质片段。
总结起来，基因表达的调控是一个复杂而精细的过程，涉及多个层次的调控机制。
通过转录水平的调控，可以控制基因的转录过程和染色质的结构状态；通过转译水平的调控，可以调节mRNA的转译和降解过程；而后转录水平的调控，则调节了蛋白质的修饰和定位等过程。
这些调控机制相互作用，共同维持了细胞内基因表达的平衡，保证了生物体的正常功能。
基因表达的调控不仅对细胞发育和生理功能具有重要的影响，还与疾病的发生和进展密切相关。
基因表达调控复习笔记
基因表达调控复习笔记一、基因的选择性表达式细胞特异性的基础1．基因表达基因表达是指通过DNA的转录和翻译而产生其蛋白质，或转录后直接产生其RNA产物的过程。
2．基因调控基因调控是指对基因表达过程的调节，其一般是某一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭，包括转录水平的调控和翻译水平的调控。
二、原核生物的基因表达调控1．酶的类型（1）诱导酶是指只有在某些特定的物质或诱导物存在时，才能产生的酶。
（2）组成酶是指与化学环境无关，无论某种特定物质是否存在，它们都可以不断地被合成的酶。
2．大肠杆菌的乳糖操纵子模型图22-1乳糖操纵子模型示意图（1）操纵子相关概念①操纵子操纵子是指由在功能上彼此有关的几个结构基因和控制区所组成DNA片段，控制区包括启动子和操纵基因，只在原核生物中存在。
②结构基因结构基因是指一类编码蛋白质（或酶）或RNA的基因。
③调节基因调节基因是指参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因，其编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合来控制转录，是调控的关键。
调节基因通常处在受调节基因的上游，其产物是阻遏蛋白。
④启动子启动子是指标志转录起始位点的一段短DNA核苷酸序列，RNA聚合酶在这一位点与DNA 接触，并开始进行转录。
⑤操纵基因操纵基因是指DNA上不编码任何蛋白质的一小段序列，是调节基因所编码的阻遏蛋白的结合部位，其决定了RNA聚合酶是否能够与DNA序列上的启动子接触，从而沿着DNA 分子移动，启动RNA的转录。
（2）乳糖操纵子①负控诱导a．当无乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白与调节基因结合，阻遏了下游结构基因的编码，使得乳糖不能被利用；b．当乳糖存在时，调节基因编码的阻遏蛋白与乳糖的异构体形成复合物而失活，不与操纵基因结合，使得下游结构基因可以正常转录，利用乳糖。
②正控阻遏a．当葡萄糖和乳糖同时存在时，葡萄糖的代谢产物能抑制cAMP的合成，使得不能形成cAMP-CAP（代谢激活蛋白）复合物，从而没有cAMP-CAP复合物与启动子区结合而激活下游结构基因转录；b．当不存在葡萄糖时，cAMP能顺利与CAP结合成，从而与启动子区结合，激活转录。
13-生物化学习题与解析--基因表达调控
基因表达调控一、选择题〔一〕 A 型选择题1 ．基因表达调控的最基本环节是A ．染色质活化B ．基因转录起始C ．转录后的加工D ．翻译E ．翻译后的加工2 ．将大肠杆菌的碳源由葡萄糖转变为乳糖时，细菌细胞内不发生A ．乳糖→ 半乳糖B ． cAMP 浓度升高C ．半乳糖与阻遏蛋白结合D ． RNA 聚合酶与启动序列结合E ．阻遏蛋白与操纵序列结合3 ．增强子的特点是A ．增强子单独存在可以启动转录B ．增强子的方向对其发挥功能有较大的影响C ．增强子不能远离转录起始点D ．增强子增加启动子的转录活性E ．增强子不能位于启动子内4 ．下列那个不属于顺式作用元件A ． UASB ． TATA 盒C ． CAAT 盒D ． Pribnow 盒E ． GC 盒5 ．关于铁反应元件〔 IRE 〕错误的是A ．位于运铁蛋白受体 (TfR) 的 mRNA 上B ． IRE 构成重复序列C ．铁浓度高时 IRE 促进 TfR mRNA 降解D ．每个 IRE 可形成柄环节构E ． IRE 结合蛋白与 IRE 结合促进 TfR mRNA 降解6 ．启动子是指A ． DNA 分子中能转录的序列B ．转录启动时 RNA 聚合酶识别与结合的 DNA 序列C ．与阻遏蛋白结合的 DNA 序列D ．含有转录终止信号的 DNA 序列E ．与反式作用因子结合的 RNA 序列7 ．关于管家基因叙述错误的是A ．在同种生物所有个体的全生命过程中几乎所有组织细胞都表达B ．在同种生物所有个体的几乎所有细胞中持续表达C ．在同种生物几乎所有个体中持续表达D ．在同种生物所有个体中持续表达、表达量一成不变E ．在同种生物所有个体的各个生长阶段持续表达8 ．转录调节因子是A ．大肠杆菌的操纵子B ． mRNA 的特殊序列C ．一类特殊的蛋白质D ．成群的操纵子组成的凋控网络E ．产生阻遏蛋白的调节基因9 ．对大多数基因来说， CpG 序列高度甲基化A ．抑制基因转录B ．促进基因转录C ．与基因转录无关D ．对基因转录影响不大E ．既可抑制也可促进基因转录10 ． HIV 的 Tat 蛋白的功能是A ．促进 RNA po l Ⅱ 与 DNA 结合B ．提高转录的频率C ．使RNA pol Ⅱ 通过转录终止点D ．提前终止转录E ．抑制RNA pol Ⅱ 参与组成前起始复合物11 ．活性基因染色质结构的变化不包括A ． RNA 聚合酶前方出现正性超螺旋B ． CpG 岛去甲基化C ．组蛋白乙酰化D ．形成茎 - 环结构E ．对核酸酶敏感12 ．真核基因组的结构特点不包括A ．真核基因是不连续的B ．重复序列丰富C ．编码基因占基因组的 1%D ．一个基因编码一条多肽链E ．几个功能相关基因成簇地串连13 ．功能性前起始复合物中不包括A ．TF Ⅱ AB ． TBPC ．σ 因子D ． initiator 〔 Inr 〕E ． RNA pol Ⅱ14 ． tRNA 基因的启动子和转录的启动正确的是A ．启动子位于转录起始点的 5 ' 端B ．TF ⅢC 是必需的转录因子，TF Ⅲ B 是帮助TF Ⅲ C 结合的辅助因子C ．转录起始需三种转录因子TF Ⅲ A 、TF Ⅲ B 和TF Ⅲ CD ．转录起始首先由TF Ⅲ B 结合 A 盒和 B 盒E ．一旦TF Ⅲ B 结合， RNA 聚合酶即可与转录起始点结合并开始转录15 ．基因转录激活调节的基本要素错误的是A ．特异 DNA 序列B ．转录调节蛋白C ． DNA- 蛋白质相互作用或蛋白质 - 蛋白质相互作用D ． RNA 聚合酶活性E ． DNA 聚合酶活性16 ．关于“基因表达〞叙述错误的是A ．基因表达并无严格的规律性B ．基因表达具有组织特异性C ．基因表达具有阶段特异性D ．基因表达包括转录与翻译E ．有的基因表达受环境影响水平升高或降低17 ．关于基因诱导和阻遏表达错误的是A ．这类基因表达受环境信号影响升或降B ．可诱导基因指在特定条件下可被激活C ．可阻遏基因指应答环境信号时被抑制D ．乳糖操纵子机制是诱导和阻遏表达典型例子E ．此类基因表达只受启动序列与 RNA 聚合酶相互作用的影响18 ．操纵子不包括A ．编码序列B ．启动序列C ．操纵序列D ．调节序列E ． RNA 聚合酶19 ．顺式作用元件是指A ．编码基因 5 ' 端侧翼的非编码序列B ．编码基因 3 ' 端侧翼的非编码序列C ．编码基因以外可影响编码基因表达活性的序列D ．启动子不属顺式作用元件E ．特异的调节蛋白20 ．关于反式作用因子不正确的是A ．绝大多数转录因子属反式作用因子B ．大多数的反式作用因子是 DNA 结合蛋白质C ．指具有激活功能的调节蛋白D ．与顺式作用元件通常是非共价结合E ．反式作用因子即反式作用蛋白21 ．乳糖操纵子的直接诱导剂是A ．乳糖B ．半乳糖C ．葡萄糖D ．透酶E ．β- 半乳糖苷酶22 ．关于乳糖操纵子不正确的是A ．当乳糖存在时可被阻遏B ．含三个结构基因C ． CAP 是正性调节因素D ．阻遏蛋白是负性调节因素E ．半乳糖是直接诱导剂23 ．活化基因一个明显特征是对核酸酶A ．高度敏感B ．中度敏感C ．低度敏感D ．不度敏感E ．不一定24 ．lac 阻遏蛋白与lac 操纵子结合的位置是A ． I 基因B ． P 序列C ． O 序列D ． CAP 序列E ． Z 基因25 ． CAP 介导lac 操纵子正性调节发生在A ．无葡萄糖与 cAMP 浓度较高时B ．有葡萄糖与 cAMP 浓度较高时C ．有葡萄糖与 cAMP 浓度较低时D ．无葡萄糖与 cAMP 浓度较低时E ．葡萄糖与 cAMP 浓度均较低时26 ．功能性的前起始复合物〔 PIC 〕形成稳定的转录起始复合物需通过 TBP 接近A ．结合了沉默子的转录抑制因子B ．结合了增强子的转录抑制因子C ．结合了沉默子的转录激活因子D ．结合了增强子的转录激活因子E ．结合了增强子的基本转录因子〔二〕 B 型选择题A ．操纵子B ．启动子C ．增强子D ．沉默子E ．转座子1 ．真核基因转录激活必不可少2 ．真核基因转录调节中起正性调节作用3 ．真核基因转录调节中起负性调节作用4 ．原核生物的基因调控机制是A ．顺式作用元件B ．反式作用因子C ．顺式作用蛋白D ．操纵序列E ．特异因子5 ．由特定基因编码，对另一基因转录具有调控作用的转录因子6 ．影响自身基因表达活性的 DNA 序列7 ．由特定基因编码，对自身基因转录具有调控作用的转录因子8 ．属于原核生物基因转录调节蛋白的是A ．lac 阻遏蛋白B ． RNA 聚合酶C ． c AMPD ． CAPE ．转录因子9 ．与 CAP 结合10 ．与启动序列结合11 ．与操纵序列结合A ．多顺反子B ．单顺反子C ．内含子D ．外显子E ．操纵子12 ．真核基因转录产物13 ．原核基因转录产物14 ．真核基因编码序列A ． UBF1B ． SL 1C ． ICRD ．TF Ⅲ BE ． UCE15 ．RNA polⅠ 所需转录因子，并能与 UCE 和核心元件结合16 ． tRNA 和 5S rRNA 基因的启动子17 ．人 rRNA 前体基因的启动子元件18 ． tRNA 和 5S rRNA 基因转录起始所需转录因子〔三〕 X 型选择题1 ．基因表达的方式有A ．诱导表达B ．阻遏表达C ．组成性表达D ．协调表达E ．随意表达2 ．基因表达终产物可以是A ．核酸B ． DNAC ． RNAD ．多肽链E ．蛋白质3 ．在遗传信息水平上影响基因的表达包括A ．基因拷贝数B ．基因扩增C ． DNA 的甲基化D ． DNA 重排E ．转录后加工修饰4 ．操纵子包括A ．编码序列B ．启动序列C ．操纵序列D ．调节序列E ．顺式作用元件5 ．下列哪些是转录调节蛋白A ．特异因子B ．阻遏蛋白C ．激活蛋白D ．组蛋白E ．反式作用因子6 ．基因转录激活调节的基本要素有A ．特异 DNA 序列B ．转录调节蛋白C ． DNA-RNA 相互作用D ． DNA- 蛋白质相互作用E ．蛋白质 - 蛋白质相互作用7 ．通常组成最简单的启动子的组件有A ． TATA 盒B ． GC 盒 C ． CAAT 盒D ．转录起始点E ．上游激活序列8 ．关于启动子的叙述哪些是错误的A ．开始转录生成 m RNA 的 DNA 序列B ． m RNA 开始被翻译的序列C ． RNA 聚合酶开始结合的 DNA 序列D ．阻遏蛋白结合 DNA 的部位E ．产生阻遏物的基因9 ．基因表达过程中仅在原核生物中出现而真核生物没有的是A ． AUG 用作起始密码子B ．σ 因子C ．电镜下的“ 羽毛状〞现象D ．多顺反子 m RNAE ．多聚核糖体现象二、是非题1 ．管家基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，且表达水平是一成不变的。
高中生物奥赛讲座--基因表达的调控
谢 谢 欣 赏
设计制作：陈维强
宁夏石嘴山市第三中学
调节基因 启动子 操纵基因 结构基因
R
P
O
lacZ
lacY
lacA
4）调节基因(R)： 能产生阻抑物(阻遏蛋白)，通过 阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭 和开启。
一 、原核生物基因表达的调控
• 当环境中没有乳糖时：
调节基因 启动子 操纵基因 结构基因
R
转录
P
O
lacZ
lacY
lacA
二、真核生物基因表达的调控
1.DNA的包装影响基因的表达
个体发育的某个阶段，多线 染色体的某些区段变得疏松膨 大而形成胀泡。最大的胀泡叫 Balbiani环。胀泡是基因活跃 转录的形态学标志。控制果蝇 多线染色体基因转录的主要因 素之一就是蜕皮激素，这种激 素水平在幼虫发育期间周期性 变化，从而诱导那些编码每次 蜕皮和蛹化所需的蛋白质转录。
一 、原核生物基因表达的调控
1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用
调节基因 启动子 操纵基因 结构基因
R
P
RNA 聚合酶
O
lacZ
lacY
lacA
3）启动子(P)：有与RNA聚合酶结合的位点，可识 别转录起始点。RNA聚合酶在这一位点与DNA接触， 并开始进行转录。
一 、原核生物基因表达的调控
1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用
二、真核生物基因表达的调控
1.DNA的包装影响基因的表达
多线染色体来源于核内有丝分裂， 即核内DNA多次复制产生子染色体 并行排列，且体细胞内同源染色体 配对，紧密地结合在一起，从而阻 止了染色质纤维的进一步聚缩，形 成体积很大的多线染色体。 光镜下观察多线染色体，可见一 系列交替分布的带和间带，带区的 染色质包装程度比间带染色质包装 程度高得多，所以呈带色较深间带 较浅的染色。多线染色体上的数目、 形态、大小及分布位置都很稳定。 果蝇幼虫唾液腺多线染色体
《生物化学》课件：第十三章 基因表达调控
本节课的重点
1.掌握乳糖操纵子的CAP正性调节； 2.掌握真核基因表达调控的特点； 3.掌握顺式作用元件、反式作用因子的概 念及组成和转录因子的分类。
沉默子
负性调节元件，阻遏基因转录
反式作用因子
转录调节因子分类（转录因子TF）
基本转录因子
RNA-pol结合启动子必 需的一组蛋白因子
TFⅡD为通用转录因子
特异转录因子
个别基因转录必需
转录激活
转录抑制
蛋白质 转录激活蛋白 转录抑制蛋白
DNA 与增强子结合 与沉默子结合
反式作用子结构
DNA结合域
与顺式作用元件结合部位
1、螺旋-转角-螺旋 2、锌指结构：Cys- Cys锌指；Cys -His锌指 3、碱性亮氨酸拉链（basic leucine zipper，bZIP）：形成二聚体
转录激活域 二聚化结构域
结合调节蛋白
介导蛋白质-蛋白质相互作用结构域
①螺旋-转角-螺旋模体
转角 -转角 螺旋
螺旋 -螺旋 N
C
② 锌指模体
基因表达的方式
组成性表达
诱导和阻遏表达
（受环境变化影响）
持家基因
诱导表达
阻遏表达
同一事物的两种表达形式（环境）
乳糖操纵子是诱导，阻遏表达的典型模型
某些基因在一个生物体的几乎所 有细胞中以适当恒定的速率进行 表达，较少受环境因素的影响。
例如：为三羧酸循环的酶编码的基因
顺式作用和反式作用
顺 式：
相对同一分子或染色体而言
i po
z
y
a
Lac mRNA
β-半乳糖苷酶 β-半乳糖苷透性酶
诱导物与阻遏蛋白接合 使阻遏蛋白失去活性
生物化学课件 第13章 基因表达调控
阻遏(repression）：可阻遏基因表达产物水平降低的过程
诱导与阻遏在生物界普遍存在，为生物体适应环境基 本途径。
10
(三）生物体内不同基因的表达受到协调调节 协调表达：在一定机制控制下，功能相关的一 组基因，无论其为何种表达方式，需协调一致、 共同表达。 这种调节称协调调节
14
a.启动序列： RNApol结合并起动转录的特异DNA序列。 共有序列（consensus sequence）： 启动序列特定区域内（通常在转录起始点上 游－10及－35区域）存在一些相似序列。
15
共有序列决定启动序列转录活性大小：
-35区：TTGACA -10区：TATAAT，又称Pribnow盒
控 转录起始、
控 制
转录后加工及转运、
点 翻译及翻译后加工
转录起始是基因表达的基本控制点
13
（二）基因转录激活调节基本要素
1. 特异DNA序列 主要指具有调节功能的DNA序列。
原核生物多通过操纵子实现基因表达调控：
操纵子：为转录的基本单位，由编码序列 （常2个以上）与启动序列（promoter）、操 纵序列（operator）以及其他调节序列成簇串 联组成。
4
基因表达：基因转录及翻译的过程, rRNA、
tRNA编码基因转录合成RNA的过程亦属基因 表达。
大多数基因经历基因激活、转录及翻译，产生 具有特异生物学功能的Pr分子，赋予细胞或个体一 定的功能或形态表型。
不同生物基因组所含基因多少不同。 在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处 于表达状态。受调控。
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b.操纵序列： 与启动序列毗邻或接近，其DNA序列常与启 动序列交错、重叠。 是原核生物阻遏蛋白的结合位点。
第十三章基因表达调控
第十三章基因表达调控第十三章基因表达调控第一节基因表达调控基本概念与原理一、基因表达的概念（掌握）1、基因：负载特定遗传信息的DNA片段，包括由编码序列、非编码序列和内含子组成的DNA区域。
2、基因组：指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。
在真核生物体，基因组是指一套完整的单倍体的染色体DNA和线粒体DNA的全部序列。
3、基因表达：基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。
但对于rRNA、tRNA编码基因，表达仅是转录成RNA的过程。
4、基因表达调控：基因表达是在一定调节机制控制下进行的，生物体随时调整不同基因的表达状态，以适应环境、维持生长和发育的需要。
人类基因组含3～4万个基因。
在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于表达状态。
在一定调节机制控制下，大多数基因经历基因激活、转录及翻译等过程，产生具有特定生物学功能的蛋白质分子，赋予细胞或个体一定的功能或形态表型。
但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。
rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。
二、基因表达的特异性（了解）无论是病毒、细菌，还是多细胞生物，乃至高等哺乳类动物及人，基因表达表现为严格的规律性，即时间、空间特异性。
生物物种愈高级，基因表达规律愈复杂、愈精细，这是生物进化的需要及适应。
基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子（序列）和（或）增强子与调节蛋白相互作用决定。
（一）时间特异性概念：指按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。
又称阶段特异性。
在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。
（二）空间特异性概念：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间或顺序出现。
基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，又称细胞特异性或组织特异性。
高中生物第十三章基因表达调控
一、教学目的与要求：1. 掌握基因、基因组、基因表达的概念；基因表达的特异性、基因表达的方式；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 polII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 polI和RNApolIII 的转录调节；RNA polII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：要求掌握的内容。
教学难点：乳糖操纵子的调节机制；RNA polII转录起始的调节。
教学疑点： RNA polII转录生成所有mRNA前体及大部分snRNA（P301）。
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。
五、教学过程与板书设计：（一）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。
（二）讲述本章的教学内容板书设计：第十三章基因表达调控第一节基因表达调控基本概念与原理（共40分钟）一、基因表达的概念（10分钟）二、基因表达的特异性（10分钟）三、基因表达的方式（10分钟）四、基因表达的生物学意义（10分钟）第二节基因表达调控的基本原理（共40分钟）一、基因表达调控的多层次和复杂性（5分钟）二、基因转录激活调节基本要素（35分钟）第三节原核基因表达调节（共40分钟）一、原核基因转录调节特点（5分钟）二、原核生物转录起始调节（25分钟）三、原核生物转录终止调节（5分钟）四、原核生物翻译水平调节（5分钟）第四节真核基因表达调节（共40分钟）一、真核基因组结构特点（5分钟）二、真核基因表达调控特点（5分钟）三、RNA polI和RNApolIII的转录调节（5分钟）四、RNA polII转录起始的调节（20分钟）五、RNA polII转录终止的调节（以下共5分钟）六、转录后水平的调节七、翻译水平的调节合计：4学时（160分钟）六、小结：本章重点讲述了基因、基因组、基因表达的概念；基因表达的特异性、基因表达的方式；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 polII转录起始的调节、顺式作用元件与反式作用因子。
生物化学：基因表达调控
生物化学
诱导和阻遏表达
在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活， 基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。
可诱导基因在特定环境中表达增强的过程， 称为诱导（ induction ）。
trp
TTGACA N17 TTAACT N7
A
tRNATyr TTTACA N16 TATGAT N7
A
lac
TTTACA N17 TATGTT N6
A
recA TTGATA N16 TATAAT N7
A
araBAD CTGACG N16 TACTGT N6
A
TTGACA
TATAAT 共有序列
生物化学
又称转录调节因子或转录因子； 绝大多数转录因子由其编码基因表达后，通过DNA-蛋 白质或蛋白质-蛋白质相互作用控制另一基因的转录， DNA-蛋白质相互作用是指反式作用因子与顺式作用元 件之间的特异识别及结合；
生物化学
反式作用因子 ( trans-acting element ) 由某一基因表达产生的蛋白质因子，通
生物化学
原核基因转录调节特点
----调节的主要环节在转录起始
特点：
σ因子决定RNA 聚合酶识别特异性：不同的σ因 子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、 rRNA和tRNA基因的转录 操纵子模型的普遍性：几个功能相关蛋白质的 编码基因串联在一起，受上游调控序列共同调 节，构成一个转录单位-操纵子
生物化学
空间特异性
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。
生物化学13章 表达调控1
珠蛋白基因簇位于第 16 号染色体；
2 1 , 2, 1 和 基因为功能基因，
和 为假基因。
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%)
基因表达调控
Regulation of Gene Expression
• 基因组（genome）：
广义：指一个细胞或病毒颗粒所含DNA全部 序列（即遗传物质的总量）A complete set of genes of a given species 狭义：一个细胞或病毒颗粒所含基因总和
基因总和
全部序列
甲胎蛋白 AFP
• 一种糖蛋白，正常来自胚胎肝细胞，胎儿13周AFP占 血浆蛋白总量的1/3。在妊娠30周达最高峰，以后逐渐 下降，胎儿出生后约两周甲胎蛋白从血液中消失。
• 在神经管缺损、脊柱裂、无脑儿等时，AFP可由开放 的神经管进入羊水而导致其在羊水中含量显著升高。
• 在成人，AFP可以在大约80%的肝癌患者血清中升高 ，在生殖细胞肿瘤出现AFP阳性率为50%。在其它肠 胃管肿瘤如胰腺癌或肺癌及肝硬化等患者亦可出现不 同程度的升高。
由于特异的调控元件的存在，遗传信息表达呈 定量地增加，称正调节。 2. 负调节 (negative regulation)
由于特异性调控元件的存在，遗传信息表达减 少，称负调节。
基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持个体发育与分化
营养状况 环境
激素水平 发育阶段 营养 环境
南华大学 生物化学第13章基因表达调控
Regulation of Gene Expression
第一节 基因表达调控的基本概念
一、基因表达是指基因转录及翻译的过程 （一）基因是负载特定遗传信息的DNA片段
*基因(gene): 指编码蛋白质多肽链或RNA的DNA片段，
其结构包括调控序列、编码序列及内含子。 cDNA（comlementary DNA）:是人为地以mRNA为模 板通过逆转录合成的，即与mRNA互补的DNA。它不含 基因转录的调控序列及编码区的内含子，但含有蛋 白质合成的调控序列及多肽链的编码序列。
※真核生物的特异DNA序列※
顺式作用元件(cis-acting element) ——为真核生 物调控基因表达的特异DNA序列，可影响自身基因 表达活性的DNA序列。
转录起始点 DNA 序列B 序列A 编码序列
PolⅡ
顺式作用元件
真核生物的顺式作用元件，按照其功能来分，可分 为：启动子、增强子、沉默子。 顺式作用元件在基因结构中的位置： 启动子：一般位于转录起始点（+1）至上游约100200bp处。 增强子：位置不固定、可远距离作用，即可位于转 录起始点上游，又可位于其下游，甚至可位于编码 区内。
启动序列/启动子的核苷酸序列会影响其与RNA聚合 酶的亲和力，影响转录启动的频率。 真核RNA聚合酶不能直接结合启动子.
⑵ 调节蛋白与RNA聚合酶活性
一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达或表 现出活性，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作 用影响RNA聚合酶活性。
第三节
原核基因表达调节
DNA
mRNA 蛋白质A
a
A
反式调节
b
A
C
c
DNA mRNA
《生物化学》Chapter 13 基因表达调控
低乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
O
有阻遏蛋白
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
有阻遏蛋白；cAMP 无法结合CAP
高乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
cAMP无法结合CAP
3. 色氨酸操纵子
调节区
trpR
P O O RNA聚合酶有活性
Zn His
锌指
常结合GC盒 C —— Cys H —— His
②亮氨酸拉链（leucine zipper）
③α-螺旋-环-螺旋
常结合CAAT盒
真核基因转录调节是复杂的、多样的
• 不同的DNA元件组合可产生多种类型的转 录调节方式。
• 多种转录因子又可结合相同或不同的DNA 元件。
• 转录因子与DNA元件结合后，对转录激活 过程所产生的效果各异，有正性调节或负性 调节之分。
诱导和阻遏表达
在特定环境信号刺激下，相应的基因被激 活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导 基因。
可诱导基因在特定环境中表达增强的过程， 称为诱导(induction)。
如果基因对环境信号应答是被抑制，这种 基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平 降低的过程称为阻遏(repression)。
四、基因表达调控的生物学意义
增强子的性质
• 增强效应十分明显。 • 增强效应与其位置和取向无关。 • 大多为重复序列，一般长约50bp。 • 增强效应有严密的组织和细胞特异性。 • 没有基因专一性。 • 许多增强子还受外部信号的调控。
（3）沉默子(silencer)
某些基因的负性调节元件，当其结合特异 蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
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低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
高半乳糖时
RNA-pol
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
mRNA
O
O
目录
三、其他转录调节机制
（一）转录衰减
调节区
trpR
结构基因
RNA聚合酶 O P RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时 Trp
色氨酸操纵子
目录
调节区
trpR
结构基因
P
O 前导序列 衰减子区域
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
目录
（四）协调调节
※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能 发挥作用；
※如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序 列结合，操纵子仍无转录活性。
单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细 菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代 谢阻遏(catabolic repression)。
目录
在一定机制控制下，功能上相关的一组基 因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、
共 同 表 达 ， 即 为 协 调 表 达 (coordinate
expression) ， 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节 (coordinate regulation)。
目录
四、基因表达调控的生物学意义
目录
（二）基因重组
沙 启动序列 DNA 门 菌 hin I H2 鞭 毛 H2鞭毛素 素 Hin重组酶 阻遏蛋白 基 因 的 hin I H2 调 转位片段 节
启动序列
H1
H1 H1鞭毛素
目录
（三）SOS反应
Lex A阻遏蛋白 Lex A阻遏蛋白
SOS基因
DNA
操纵序列
基因 表达 激活 Rec A 与DNA 损伤修复有 关的酶和蛋白质
Y： 透酶
A：乙酰基转移酶
CAP结合位点
目录
（二）阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因 DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
目录
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
mRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 半乳糖 乳糖
有乳糖存在时
目录
（三）CAP的正性调节 + + + + 转录 DNA
CAP
Regulation of Gene Expression
目录
第 一 节 基本概念与原理
Basic Conceptions and Principle
目录
一、基因表达的概念
* 基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或 整套基因。 * 基因表达(gene expression) 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。
*转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过
程所产生的效ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ各异，有正性调节或负性调
节之分。
目录
1. 特异DNA序列和调节蛋白质
目录
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter) 其他调节序列 编码序列
操纵序列 (operator)
蛋白质因子
特异DNA序列
目录
1) 启动序列 -35区 trp
tRNATyr
是RNA聚合酶结合并启动转录 的特异DNA序列。 -10区
N17
衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止
5’
1
核糖体
3 2
3
UUUU 3’ UUUU……
4
trp 密码子
前导肽
1.当色氨酸浓度高时
目录
前导DNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
前导mRNA
2 3 2 4
5’
核糖体 1
3
UUUU…… UUUU……
4
trp 密码子 前导肽
序列3、4不能形成衰减子结构 2.当色氨酸浓度低时
② H2A, H2B二聚体不稳定性增加
③ 组蛋白修饰 ④ H3组蛋白巯基暴露
（三）正性调节占主导 （四）转录与翻译分隔进行 （五）转录后修饰、加工
目录
三、真核基因转录激活调节
（一）顺式作用元件
1. 启动子
真核基因启动子是RNA聚合酶结 合位点周围的一组转录控制组件，至
少包括一个转录起始点以及一个以上
N16 N17 N16 N16 RNA转录起始
TTGACA
TTTACA TTTACA
TTAACT
TATGAT TATGTT TATAAT TACTGT TATAAT
N7
N7 N6 N7 N6
A
A A A A
lac recA
Ara BAD
TTGATA
CTGACG TTGACA
共有序列
目录
共有序列(consensus sequence) 决定启动 序列的转录活性大小。 某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合 酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结
的功能组件。 TATA盒 GC盒 CAAT盒
目录
目录
2. 增强子(enhancer)
指远离转录起始点、决定基因的时间、 空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序 列。
3. 沉默子(silencer)
某些基因的负性调节元件，当其结合特异
蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
目录
（二）反式作用因子 1. 转录调节因子分类（按功能特性）
（一）适应环境、维持生长和增殖
（二）维持个体发育与分化
目录
五、基因表达调控的基本原理
（一）基因表达的多级调控
基因 激活
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译 翻译后加工修饰
蛋白质降解等
目录
（二）基因转录激活调节基本要素
基因表达的调节与基因的结构、性 质，生物个体或细胞所处的内、外环境，
以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。
目录
紫外线
第 三 节 真核基因转录调节
Regulation of Eukaryotic Gene Transcription
目录
一、真核基因组结构特点
（一）真核基因组结构庞大
哺乳类动 物基因组 DNA 约 3 × 10 9 碱基对
编码基因约 有 40000 个，占总长的6 % rDNA等重复基因约 占 5% ~ 10%
目录
三、基因表达的方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
（一）组成性表达
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)。
目录
无论表达水平高低，管家基因较少受环境 因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数
或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区
目录
3. RNA聚合酶
⑴ 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶 活性
RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。
⑵ 调节蛋白与RNA聚合酶活性
一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表 达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互 作用影响RNA聚合酶活性。
目录
第 二 节 原核基因转录调节
Regulation of Prokaryotic Gene Transcription
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(spatial specificity)。
基因表达伴随时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)。
前导mRNA
1
2
3
4
UUUU……
trp 密码子
终止密码子
14aa前导肽编码区: 包含序列1 UUUU…… 衰减子结构 UUUU…… 第10、11密码子为trp密码子 UUUU…… 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
目录
转录衰减机制
前导DNA
RNA聚合酶
前导mRNA
4
UUUU 3’
合能力。
目录
2 操纵序列 ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍
RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合
酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
pol 启动序列 操纵序列 编码序列 阻遏蛋白
目录
3) 其他调节序列、调节蛋白 例如
激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近 的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的 结合，增强RNA聚合酶活性。 有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA 聚合酶很少或完全不能结合启动序列。
目录
2. 转录调节因子结构
TF DNA结合域
酸性激活域
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）
目录
最常见的DNA结合域
1. 锌指(zinc finger)
常结合GC盒 C —— Cys H —— His
目录
Cys
Zn
His
目录
2. α-螺旋
常结合CAAT盒
目录
一、原核基因转录调节特点
——调节的主要环节在转录起始