基因的表达与调控
生物学中的基因表达调控机制
生物学中的基因表达调控机制基因表达是指DNA的信息被转录成为RNA分子，然后被翻译成蛋白质，从而实现基因的功能。
每一个细胞都包含了DNA的全部信息，但不同类型的细胞有不同的外部形态和功能，这是因为在不同的细胞中，不同的基因被不同程度地表达。
基因表达调控机制主要包括转录因子、表观遗传学和RNA干扰等方面。
一、转录因子转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质。
它们的主要作用是在转录过程中降低或增加某些特定基因的表达。
转录因子主要结合到与DNA上的启动子序列，并招募转录酶以开始转录。
转录因子与DNA的结合是高度特异性的，这使得它们能够调控特定基因的表达。
转录因子的活性可以被调控，这意味着它们可以适应细胞对环境和不同发育时期的不同需求。
二、表观遗传学表观遗传学是指不改变DNA序列的情况下，通过化学修饰DNA或与DNA相关的蛋白质，调节基因表达的过程。
这些修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等。
甲基化是一种让基因表达沉默的修饰方式，甲基化的DNA上游或下游调节元件会导致DNA的失活。
组蛋白修饰通过对组蛋白磷酸化、甲基化和乙酰化等方式来调控基因的表达。
非编码RNA包括既能够紧密地与DNA相互作用的长长的非编码RNA，也包括可以干扰其他RNA的小RNA。
三、RNA干扰RNA干扰是一种能够调控基因表达的高度保守、非编码的RNA分子系统。
在这里，小RNA分子与特定的靶RNA序列相互作用，从而在RNA的一生中发挥重要的作用。
RNA干扰可以被看作是自然的反义遗传工程。
在许多生物体中，特别是植物和无脊椎动物，RNA干扰被发现能够调控基因表达和抵御病原体攻击。
在生物学中，基因表达调控机制是非常复杂的。
每个细胞内背负着一套复杂却微妙的调控系统，这些调控系统能够使微小的变化对基因表达产生深远的影响。
研究生物体内调控机制的探索是我们逐渐了解生命的复杂性和发展方向的关键之一。
在未来的研究中，我们有理由期待更进一步地了解这些复杂机制，以更好地维护人类健康、发展与自然。
基因的结构与表达调控
基因结构及其表达的调控第一部分知识拓展一、基因的结构基因是有遗传效应的DNA分子片段；基因的遗传效应是指复制、转录、翻译、调控、突变、重组等功能。
（一）原核细胞的基因结构分为编码区、非编码区。
非编码区由编码区上游和编码区下游的DNA序列组成。
非编码区虽然不能编码蛋白质，但起着调控遗传信息表达的作用。
例如位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。
（二）真核基因是不连续基因1、实例：鸡卵清蛋白mRNA与DNA杂交实验鸡卵清蛋白基因的大小和结构如下：（1）A、B、C、D、E、F、G的序列不能转录，约占75.2%(5641bp)（2）L、1、2、3、4、5、6、7的序列能够转录，约占24.8%(1859bp)2、真核基因的结构（1）基因由编码区和非编码区两部分组成（2）基因编码区结构及转录（以不同动物的β-珠蛋白基因为例）二、基因表达的调控（一）原核基因表达的调控1、大肠杆菌在乳糖存在的环境下，乳糖对其代谢基因表达起到诱导作用2、乳糖操纵元的组成3(真核生物基因表达调控的过程与原核生物有许多共同之处。
例如：在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样存在着许多不同的调控序列。
真核生物通过特异性蛋白与某些调控序列的结合与否，来调控基因的转录。
但是，真核生物基因表达调控比原核生物复杂得多，有许多方面是原核生物所没有的表现在：1、DNA含量高和基因数目多，且与其他物质组成核小体2、转录和翻译在空间与时间上分开，转录在细胞核中进行，翻译在细胞质中进行。
3、前体RNA需要剪接才能成为有功能的成熟的信使RNA。
4、多细胞生物在个体发育过程中要发生细胞分化，分化是不同基因表达的结果。
不同组织细胞的基因活化或受阻的时空序列不同，发育阶段、激素水平是基因表达调控的主要因素，营养和环境因素则为次要影响因素。
第二部分例题讲解例1、人胰岛细胞能产生胰岛素，但不能产生血红蛋白，据此推测胰岛细胞中A、只有胰岛素基因B、比人受精卵的基因要少C、既有胰岛素基因，也有血红蛋白基因和其他基因D、有胰岛素基因和其他基因，但没有血红蛋白基因[答案]C。
基因的表达与调控教案
基因的表达与调控教案教学目标：1.让学生了解基因表达与调控的基本概念。
2.让学生理解基因表达调控的生物学意义及其在细胞和生物体发育中的重要性。
3.让学生掌握基因表达调控的环节及其在原核生物和真核生物中的差异。
4.培养学生的思维能力和自主学习能力。
教学内容：1.基因表达调控的概念及重要性。
2.基因表达调控的环节。
3.原核生物和真核生物基因表达调控的差异。
教学重点与难点：重点：基因表达调控的环节及其在原核生物和真核生物中的差异。
难点：基因表达调控的生物学意义及其在细胞和生物体发育中的重要性。
教学方法：1.讲授法：讲授基因表达与调控的基本概念、生物学意义等基础知识。
2.讨论法：组织学生进行小组讨论，探讨基因表达调控在细胞和生物体发育中的重要性及其在原核生物和真核生物中的差异。
3.案例分析法：通过典型案例分析，让学生深入理解基因表达调控的机制及其应用。
教具和多媒体资源：1.投影仪：展示基因表达调控的流程图、示意图等。
2.PowerPoint演示文稿：展示基因表达调控的相关知识点。
3.教学视频：播放基因表达调控的实验过程及相关视频资料。
教学过程：1.导入新课：通过问题导入，让学生思考基因表达调控的意义及其在细胞和生物体发育中的作用。
2.讲授新课：讲解基因表达调控的概念、生物学意义、环节等基础知识，并通过案例分析加深学生的理解。
3.巩固练习：提供一些练习题，让学生巩固所学知识，并组织学生进行小组讨论。
4.归纳小结：总结本节课的主要内容，并回顾基因表达调控在细胞和生物体发育中的重要性及其在原核生物和真核生物中的差异。
评价与反馈：1.设计评价策略：通过小组讨论、提问、测试等方式评价学生对基因表达与调控知识的掌握情况。
2.为学生提供反馈：根据评价结果，为学生提供反馈意见，帮助他们了解自己的学习状况，同时指出需要加强的地方。
基因表达的调控与机制
基因表达的调控与机制基因是生物体内控制生命活动的基本单位，而基因表达则是基因产生生物学效应的过程。
在生物体内，不同细胞的基因表达模式不同，这种差异称为基因表达调控。
基因表达调控是细胞分化、发育、生长、免疫应答和病变等过程中的关键因素。
基因表达调控的机制是深入研究的热点领域，对此我们有必要进行深入探讨。
1.基因表达的调控基因表达调控是生物学的关键过程，其目的是控制基因的转录和翻译，从而使生物能够适应内外环境的不同需要。
基因表达的调控有两种方式：一是属于遗传学范畴的突变和基因重组，二是属于分子生物学范畴的转录后调控和信号转导。
其中转录后调控和信号转导是生物体内基因表达调控的主要手段。
2. 转录后调控转录后调控是指基因转录后，需要进行各种后续加工和调整，才能产生成熟的mRNA和蛋白质。
转录后调控包括RNA加工、RNA剪接和RNA稳定化等。
在RNA加工方面，mRNA的5'端和3'端需要经历不同的修饰，才能够被稳定地存储和表达。
RNA剪接是指在基因转录之后，需要对mRNA进行选择性剪接，以产生不同的转录本。
这些转录本可以在翻译过程中产生不同的蛋白质。
RNA稳定化是指在mRNA合成之后，其稳定性需要得到精细的调控，以保证其能够长时间地存在。
3. 信号转导信号转导是生物体内基因表达调控的另一种方式，它是通过反应分子之间的交互作用来实现的。
信号转导包括细胞表面受体和细胞内信号转导通路两个方面。
细胞表面受体是指细胞表面上的受体分子，它们与外界的信号分子结合，通过改变受体的构象来转导信号。
细胞内信号转导通路是指信号转导的下游分子，它们接收来自上游的信号，从而调节基因表达。
4.基因表达调控的机制基因表达调控的机制是指影响基因表达的各类分子机制。
这些机制中，蛋白质-蛋白质相互作用及其调控、DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA干扰等是较为常见的。
在蛋白质-蛋白质相互作用及其调控方面，蛋白质相互作用是一种广为应用的基因表达调控机制，如转录因子结合DNA，促进或抑制基因转录。
普通生物学中的基因表达调控
普通生物学中的基因表达调控基因是生物体传递遗传信息的基本单位，而基因的表达调控则决定了生物体的发育、适应和功能。
在普通生物学中，基因的表达受到许多调控因素的影响，包括转录因子、表观遗传修饰和环境刺激等。
本文将探讨普通生物学中的基因表达调控。
一、转录因子调控基因表达转录因子是一类能够结合在DNA上的蛋白质，它们能够调控基因的转录过程。
转录因子的结合位点通常位于基因启动子区域，通过结合位点上的转录因子来激活或抑制基因的转录。
一个基因通常可以被多个转录因子调控，它们的结合和组合方式形成了基因表达的调控网络。
例如，在果蝇发育过程中，转录因子Bicoid通过结合在hare酮酸的位点上，激活一系列的下游基因的转录。
这些下游基因进一步调控胚胎的前后轴发育，形成不同的体节段。
二、表观遗传修饰影响基因表达除了转录因子，表观遗传修饰也是基因表达调控的重要一环。
表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的作用等。
这些修饰可以影响染色质的结构和紧密度，从而影响基因的可及性和转录活性。
在哺乳动物中，DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰形式。
DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶将甲基基团添加到DNA分子上，进而影响基因的转录活性。
DNA甲基化的模式可以在细胞分化中形成细胞记忆，决定细胞的特化命运。
三、环境刺激对基因表达的调控环境刺激是基因表达调控中一个重要的调控因素。
生物体需要通过调整基因表达来适应环境的变化。
例如，在植物的应答机制中，光照是一个重要的环境刺激。
光照可以激活特定的转录因子，进而影响植物的光合作用和生长发育。
光照调控基因表达的机制在植物学中被广泛研究，对于改良作物的耐旱性和光合效率具有重要意义。
四、基因表达调控的应用对基因表达调控的深入研究不仅可以帮助我们理解生物体的发育和适应机制，也为科学家们开发新的治疗方法和生物技术应用提供了理论基础。
在癌症治疗中，研究人员已经开始利用基因表达调控的方法来恢复被癌症细胞异常表达的基因。
基因表达的调控机制
基因表达的调控机制基因表达是指基因通过转录和翻译过程将DNA信息转化为蛋白质的过程。
在细胞内，基因表达的调控机制起着至关重要的作用，决定了细胞的功能和特性。
本文将介绍基因表达的调控机制，包括转录调控、转录后调控和翻译调控。
一、转录调控转录调控是指通过调控基因的转录过程来控制基因表达水平。
转录调控主要包括启动子区域的结构和转录因子的结合。
1. 启动子区域的结构启动子是位于基因上游的DNA序列，包含转录起始位点和调控元件。
调控元件包括增强子和抑制子，它们可以与转录因子结合，促进或抑制转录的发生。
启动子区域的结构可以通过DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等方式进行调控。
2. 转录因子的结合转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质，它们通过与启动子区域的调控元件结合来调控基因的转录。
转录因子可以分为激活子和抑制子，激活子能够促进转录的发生，而抑制子则能够抑制转录的发生。
转录因子的结合与DNA序列的亲和性有关，不同的转录因子结合到不同的DNA序列上，从而实现对基因的调控。
二、转录后调控转录后调控是指在转录完成后，通过调控RNA的加工、修饰和稳定性来控制基因表达水平。
转录后调控主要包括RNA剪接、RNA修饰和RNA降解。
1. RNA剪接RNA剪接是指在转录过程中，将前体mRNA中的内含子剪接掉，将外显子连接起来形成成熟的mRNA。
通过剪接的方式，可以产生不同的mRNA亚型，从而调控基因的表达。
RNA剪接的调控主要依赖于剪接因子的结合和剪接位点的选择。
2. RNA修饰RNA修饰是指在转录后，通过添加化学修饰基团来改变RNA的结构和功能。
常见的RNA修饰包括甲基化、腺苷酸转换和伪尿苷酸转换等。
RNA修饰可以影响RNA的稳定性、转运和翻译效率，从而调控基因的表达。
3. RNA降解RNA降解是指通过核酸酶将RNA分解为小片段，从而降低基因的表达水平。
RNA降解的速度受到RNA的稳定性和降解酶的活性的影响。
不同的RNA分子具有不同的稳定性，一些RNA分子具有较长的半衰期，而另一些RNA分子则具有较短的半衰期。
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。
基因的表达与调控
No RNA
R-
1 No RNA R-
No RNA
RNA
RNA
RNA
RNA
No RNA
No RNA
1
21
2
2
32
3
3、基因的微细结构
20世纪50年代的生化技术还无法进行DNA的序列 测定，本泽尔利用经典的噬菌体突变和重组技术， 对T4噬菌体rⅡ区基因的微细结构进行了详细分析。
野生型T4噬菌体 可侵染B株和K12株 噬菌斑小而模糊
功能上被互补（顺反）测验所规定的核苷酸 序列。
假定有两个独立起源的隐性突变，如a1与a2，它 们具有类似的表型。
如何判断它们是属于同 一个基因的突变，还是分 别属于两个基因的突变？ 即如何测知它们是否是等 位基因？
二、基因的微细结构
1、互补作用与互补测验(顺反测验)
需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突 变间有无互补皱粒表现型是由于缺少了淀粉档分享dnagtacatcatgtacttgaaacttgacctggagaacttgaacttaaatttmrna密码子guacaucuuacuccugaagaaaaa氨基酸dnagtacatmrna密码子gua氨基酸dnaaaatttmmrna密码根据红色面包霉的研究提出了一个基因一个酶的假说后来又被修改为一个基因种多肽链
Enzymes
B
CAP
G
R
ZY A
a
b
P
X
在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就不能 形成正调控因子cAmp-CAP，因此，基因不表达。
目前，通过遗传分析证明了lac操纵元的存在； 已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白 的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序 列结合的结构。
基因的表达与调控机制
基因的表达与调控机制基因是生命的基本单位，它们携带着生物体遗传信息的蓝图。
然而，基因的表达并不是一成不变的，而是受到复杂的调控机制的影响。
这些调控机制控制着基因的激活和抑制，从而决定了生物体的特征和功能。
本文将探讨基因的表达与调控机制的一些重要方面。
一、转录调控转录是基因表达的第一步，它是将DNA转录成RNA的过程。
在这个过程中，转录因子起着重要的作用。
转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质，它们能够通过与DNA序列特定区域结合来调控基因的转录。
转录因子的结合可以激活或抑制基因的转录，从而影响基因的表达水平。
此外，转录因子之间的相互作用也可以影响基因的表达。
这种转录调控机制的复杂性使得基因表达能够对环境变化作出快速响应。
二、表观遗传调控表观遗传调控是指通过改变染色质结构和组织来调控基因表达。
其中，DNA 甲基化是一种重要的表观遗传调控方式。
DNA甲基化是指在DNA分子上加上甲基基团，从而影响基因的表达。
DNA甲基化通常会导致基因的沉默，因为甲基化的DNA序列会阻碍转录因子的结合。
此外，组蛋白修饰也是一种常见的表观遗传调控方式。
组蛋白是一种与DNA紧密结合的蛋白质，它可以通过翻译和修饰来调控基因的表达。
例如，乙酰化和甲基化等修饰可以影响组蛋白的结构和功能，从而影响基因的转录。
三、非编码RNA调控除了蛋白质编码基因外，还存在着一类不编码蛋白质的RNA，称为非编码RNA。
非编码RNA在基因调控中起着重要的作用。
其中，微小RNA（miRNA）是一类常见的非编码RNA。
miRNA可以与mRNA结合，从而抑制其翻译过程，进而影响基因的表达。
此外，长非编码RNA（lncRNA）也可以通过多种机制调控基因表达。
lncRNA可以与DNA、RNA和蛋白质相互作用，从而影响基因的转录和翻译。
四、环境因素对基因表达的影响环境因素对基因表达的调控也是一个重要的研究领域。
环境因素可以通过转录因子、表观遗传调控和非编码RNA等机制来影响基因的表达。
基因间的相互作用与表达的调控
基因间的相互作用与表达的调控基因是生命的基础单位，在维持生命活动中起着至关重要的作用。
然而，基因不仅仅只是独立存在，而是相互作用、相互调控的。
基因间的相互作用和表达调控对于维持正常的生命活动和健康至关重要。
本文将从基因间相互作用的角度入手，探讨基因表达的调控。
一、基因间相互作用的类型基因间相互作用包括直接相互作用和间接相互作用。
直接相互作用包括基因突变、基因复制、基因重组等等，这些作用可导致染色体层面的重组和变异。
而间接相互作用则是指不同基因之间在功能上的相互影响。
在功能上相似的基因，通常会参与到同一个代谢途径或者功能单元中，它们之间的相互作用是非常复杂的，并且可能存在互为正调节或者负调节关系。
二、基因表达的调控基因表达指的是基因产生功能蛋白质的过程，也就是转录和翻译过程。
基因表达的调控是指生物体内控制基因表达程度和时机的一系列过程。
这个过程包括了不同的机制，如DNA甲基化、组蛋白修饰、miRNA调控等等，这些机制可以通过所处的细胞环境和信号，使基因的表达在时间和空间上得到精准的调控。
基因异常表达对于生物体的生命过程有着极其重要的影响，也是许多疾病产生的基础。
三、基因调控的机制1. DNA甲基化DNA甲基化是指DNA链上的Cytosine在其甲基转移酶的作用下，甲基被添加到其5'位置，从而影响基因的表达。
DNA甲基化的发生与基因的表达高度关联，通过对甲基化酶酶活性的调节和DNA甲基化修饰群体的招募，可以调节基因的表达状态。
2. 组蛋白修饰组蛋白是体内染色质最主要的组成部分，它与DNA相互作用，定义了染色体的结构和功能。
组蛋白修饰是一种对组蛋白进行修饰的过程，涉及到化学修饰如甲基化、酰化等等。
这些化学修饰会调整组蛋白本身的电荷、形状和相互作用能力，从而对染色质结构的确定以及基因的表达产生影响。
3. 转录因子和miRNA调控转录因子和miRNA都能够通过与基因的某些区域进行相互作用，从而改变某些基因的表达程度。
基因表达与调控
❖基因表达（gene expression）是指将来自基因的遗传信息合成功能性基因产物的过程。
基因表达产物通常是蛋白质，但是非蛋白质编码基因如转移RNA（tRNA）或小核RNA（snRNA）基因的表达产物是功能性RNA。
基因表达可以通过对其中的几个步骤，包括转录，RNA剪接，翻译和翻译后修饰，进行调控来实现对基因表达的调控。
基因调控赋予细胞对结构和功能的控制，基因调控是细胞分化、形态发生以及任何生物的多功能性和适应性的基础。
基因调控也可以作为进化改变的底物，因为控制基因表达的时间、位置和量可以对基因在细胞或多细胞生物中的功能（作用）产生深远的影响。
➢转录原核生物的转录是通过单一类型的RNA聚合酶进行的，需要一个称为Pribnow盒的DNA序列以及sigma因子（σ因子）以开始转录。
原核蛋白编码基因的转录产生的是可以翻译成蛋白质的信使RNA（mRNA）真核生物的转录由三种类型的RNA聚合酶进行，每种RNA聚合酶需要一种称为启动子的特殊DNA序列和一组DNA结合蛋白（转录因子）来启动该过程。
RNA聚合酶I负责核糖体RNA（rRNA）基因的转录。
RNA聚合酶II（Pol II）转录所有蛋白质编码基因以及一些非编码RNA加工：RNA（例如snRNA，snoRNA 或长非编码RNA）。
RNA聚合酶III转录5S rRNA，转移RNA（tRNA）基因和一些小的非编码RNA（例如7SK）。
当聚合酶遇到称为终止子的序列时，转录结束。
真核基因的转录会产生RNA的初级转录本（pre-mRNA），必须经过一系列加工才能成为成熟RNA（mRNA）。
RNA的加工包括5端加帽、3端多腺苷酸化和RNA剪接。
RNA加工可能是真核生物细胞核带来的进化优势。
➢RNA的成熟多数生物体中的非编码基因（ncRNA）被转录为需要进一步加工的前体。
核糖体RNA（rRNA）通常被转录为含有一个或多个rRNA的前体rRNA，前体rRNA后来在特定位点被大约150种不同的snoRNA切割和修饰。
生物化学 第39章 基因的表达与调控
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控。
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。
可诱导调节
• 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
酶合成的诱导操纵子模型
cAMP与代谢物激活蛋白
• 代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）
调控区
结构基因
DNA
P OZ YA
操纵序列
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶
启动序列
A：乙酰基转移酶
CAP结合位点 cAMP—CAP复合物
CAP的正调控
ATP
cAMP（环腺甘酸）
腺甘酸环化酶
+ + + + 转录
DNA
基因表达的规律 ——时间性和空间性
• 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)。
• 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。
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。
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。
生物的基因组表达调控
生物的基因组表达调控生物的基因组表达是指在不同时间和环境下，基因产生蛋白质的过程。
这一过程是复杂且精确的，通过调控基因表达，细胞和个体能够适应外部环境，并完成各种生物功能。
一、基因调控的层次基因组表达调控可分为多个层次，包括转录调控、转译调控和后转录调控。
1. 转录调控转录调控是指通过控制基因的转录过程来调节基因表达。
在细胞核中，DNA通过转录形成mRNA，然后mRNA通过翻译形成蛋白质。
转录调控可以通过多种机制实现，如染色质重塑、转录因子的结合和非编码RNA的调控等。
2. 转译调控转译调控是指在转录完成后，通过控制翻译过程来调节蛋白质的合成速率。
转译调控的方式包括mRNA的稳定性调控、翻译起始调控和翻译后修饰等。
3. 后转录调控后转录调控是指在蛋白质合成完成后，通过控制蛋白质的修饰和降解过程来调节基因表达。
后转录调控包括蛋白质的翻译后修饰、蛋白质的定位和蛋白质的降解等。
二、基因调控的机制基因组表达调控的机制多种多样，通过正负反馈回路和信号通路等方式来实现。
1. 正负反馈回路正反馈回路是指调控分子促进自身产生的过程，增强调控的稳定性和灵敏性。
负反馈回路则是指调控分子抑制自身产生的过程，起到负反馈自调节的作用。
2. 信号通路信号通路是指外部信号通过一系列分子传递和转导的过程来调控基因表达。
外部信号可以是细胞外环境的改变，也可以是其他细胞内分子的活动状态。
信号通路中的信号分子通过配体-受体结合、磷酸化、磷酸酶活性等方式来调节基因表达。
三、基因调控的重要性基因组表达调控对细胞发育、功能维持和适应环境具有重要意义。
1. 细胞发育在细胞发育过程中，通过基因表达调控，细胞可以选择性表达特定基因，形成不同功能的细胞类型。
2. 功能维持基因表达调控对细胞功能的维持至关重要。
通过精确控制基因表达水平，细胞可以合适地产生必需的蛋白质，从而维持细胞正常的代谢和功能。
3. 适应环境基因组表达调控使得细胞和个体能够适应不同的外部环境。
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任务二 原核生物基因表达调控
一、原核生物基因表达调控的特点
（一）原核生物基因表达调控的总体特点 （1）表达调节相对比较简单； （2）细菌中仅存在1种RNA聚合酶识别基因启动子的特殊顺序（主要是以-10和-35为中心 的两个通用顺序），并不必需其它因子的协助； （3）许多基因是以操纵子为单位进行转录调节的； （4）包括正性和负性两种类型的调节； （5）目的主要是使单一的细胞适应营养环境变化以便细胞的生长和分裂尽可能最佳化。
任务三 真核生物基因表达调控
一、转录前水平的调控
转录前水平的调控是指发生在基因组内基因结构的变化，这种调控稳定持久。通过改 变DNA序列和染色质结构等实现基因调控，包括染色质丢失、基因扩增、DNA甲基化、基 因重排、基因修饰（甲基化修饰）和染色质结构改变等，转录前水平的调控并不是普遍存 在的调控方式。例如，染色质的丢失只在某些低等真核生物中发现。
2.反式作用因子 反式作用因子也称为分子间作用因子，能直接或间接与顺式作用元件结合，从而实现
特异基因转录的调控，为调节蛋白。
DNA
a
mRNA
反式调节
A
B
蛋白质A
ACLeabharlann cDNA顺式调节
C
mRNA 蛋白质C
反式调节因子与顺式作用单元相互作用示意图
三、基因表达调控的多层次复杂调节
蛋白质和酶的基因编码与表达过程受到多环节的调控，如基因激活、转录起始、转录 后加工、mRNA降解、翻译及翻译后的修饰与蛋白质降解等。转录起始是基因表达的基本 控制点。
乳糖操纵子
三、翻译水平的调控
（一）mRNA翻译水平差异的调控 mRNA翻译水平受5'起始密码子上游一段富含嘌呤的SD序列的重要影响，这段SD序列能 与16SrRNA3'端的部分核苷酸序列互补，并促使核糖体与mRNA结合，有利于翻译起始。
（二）翻译阻遏作用
蛋白质可作为阻遏物或激活物对转录过程进行调控，在生物体中非常普遍。蛋白质对翻 译过程也能起到调控，如核糖体蛋白。核糖体作为生物大分子，其结构中含中50多种核糖 体蛋白以及多种rRNA。在细胞内，如果存在过量的核糖体蛋白游离存在时，它能引起相关 蛋白质合成过程的阻遏以及自身阻遏。基于翻译水平进行的阻遏称为翻译阻遏
（二）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性和基因转录的特异性 （三）操纵子模型的普适性 （四）受到阻遏蛋白的负性调控性
二、原核生物转录水平调节-操纵子学说
1960-1961年法国巴斯德研究院的F.Jacob和J.Monod对大肠杆菌乳糖发酵过程 中酶的诱导合成及各种突变型进行系统研究，提出了乳糖操纵子模型，清楚的阐明了 原核生物基因表达的调节在转录水平上进行。
二、基因表达调控序列和调控蛋白
（一）原核生物
原核生物调控序列
启动子 (promoter)
结构基因
阻遇蛋白基因 (repressor)
操纵序列 (operator)
特异DNA序列
1.启动序列 是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。启动序列的转录活性大小由共有序列
决定。 2.操纵序列
是阻遏蛋白的结合位点，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。 3.其他调节序列、调节蛋白
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。
（二）真核生物
1.顺式作用元件 顺式作用元件也称分子内作用元件，是指同一DNA分子中参与转录调节的特异DNA碱基
序列，是具有特殊功能转录因子DNA结合位点和其它调控基序（motif）。按功能分为通用调 控元件（如启动子、增强子和沉默子等）和专一调控元件（如激素反应元件、cAMP反应元件 ）。
这一过程称为阻遏表达。
3. 协同表达
➢ 生物体内各代谢途径的生物化学反应复杂，常由多种酶和蛋白质参与，这些酶和蛋白 质的表达受到精确的调控，只有酶和蛋白质表达适度且适当，才能保证生物体的有序。这 种在一定机制控制下，功能上相关的一组基因协调一致、共同表达，即为协同表达。 ➢ 对应的这种调节方式称为协同调节
（三）反义RNA的调控作用
基因的调控除蛋白质水平外，还可以通过RNA对调控因子进行基因调控，也就是反义 RNA与基因DNA或mRNA的相互作用实现调控。反义RNA是一种与靶mRNA互补的RNA分 子，起负调控作用，是一种RNA调节物。转录产生反义RNA的基因称为反义基因。反义 RNA结合的位点通常是mRNA的SD序列、起始密码子AUG和N端的部分密码子，从而抑制 mRNA的翻译。人们称这类RNA为干扰mRNA的互补RNA，简称micRNA
（四）鸟苷多磷酸的调控作用
当细菌生长环境中缺乏足够的氨基酸时，细菌蛋白质的合成受到抑制，为节约营养物质 的消耗而适应环境，细胞会关闭大部分的代谢途径，这种现象称为严谨反应。当环境营养条件 改善时，代谢途径陆续恢复。研究发现，细菌在氨基酸营养极度缺乏时，体内产生两类稀有核 苷酸，即鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp），合称为（p）ppGpp。（p） ppGpp参与细菌体内众多基因的表达和蛋白质的合成，如细菌的生长速率与（p）ppGpp总体 水平成反比。
项目十四 基因的表达与调控
任务一 概述
一、基因表达的特异性与表达方式
（一）基因表达的特异性
1.时间特异性：是指不同基因在生命的同一生长发育阶段的表达是不一样的，同一基因在生命 的不同生长发育阶段表达也是不一样的，而同一基因在不同个体同一生长发育阶段的表达是一 样的，这种特定基因表达严格按特定时间顺序发生的基因表达称基因表达的时间特异性。 2.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，称之为基 因表达的空间特异性。
（二）基因表达的方式
1. 组成性表达：有些基因在生命活动的全部过程中都是必不可少的，在生物 体几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因，这类基因表达被视为组 成性基因表达。
2.诱导表达和阻遏表达： 与管家基因不同，有些基因的表达受环境的因素影响，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，这一过程称为诱导表达。 在生物体内，有些基因的表达受到环境信号的刺激而关闭或弱化，基因表达水平降低，