第13章基因表达调控
第十三章 基因的表达调控
白质；晚期表达的基因则编码在花粉成熟和萌发时起作用的蛋白质。
事实上，近几年来也分离到了属于早期表达的基因，和晚期表达的基因，前
者如油菜的I3cDNA克隆，后者如油菜的Bp10基因、烟草的NTP303基因和番茄的LAT51基
因等。
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三、表达调控的应用前景
1.使某种基因只在生物 的特定器官表达
所编码的蛋白质，分别有脂转移蛋白、蛋白酶抑制剂和多种酶。
（2）1990年，Mascarenhas将花粉形成过程中的基因表达分为早、晚两个时期。早期表达 的转录产物在减数分裂后即可检测到，而在成熟花粉中减少或完全消失。晚期表达的转录 产物最早发生在小孢子有丝分裂时期，并且随着花粉的成熟而继续积累。
因此一般认为，早期表达的基因可能编码细胞骨架蛋白，和参与细胞壁形成、淀粉积累的蛋
螺旋化程度低)；而在不合成珠蛋白的鸡输卵管细胞(也含珠
蛋白基因)的染色质DNA，则不会被DNA酶Ⅰ所降解，其他 大多数器官的染色质DNA也不被这种酶所降解。
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2．DNA的修饰
在不转录的DNA中，GC顺序有70%以上是甲基化的；而在转录活性 高的DNA中，GC顺序只有20%～30%是甲基化的。
将以上两种来源的组蛋白、DNA都混合在一起，然后分为两组： 其中一组甲：加进来自骨髓的非组蛋白；
另外一组乙：加进来自胸腺的非组蛋白。
试验结果表明： 甲：合成骨髓细胞的RNA； 乙：合成胸腺细胞的RNA。 说明：特定组织的非组蛋白能够特异性地诱导本组织的结构基因
的转录。
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玉米的胚胎发育，可以人为地分为三个阶段。第一阶段是合子第一次分裂， 不对称地形成一个较大的顶端细胞，和一个液泡化的、较小的基细胞，胚和 胚柄的差别趋向明显。第二阶段是子叶出现，胚轴、顶端生长点和胚根形成 。第三阶段是营养器官健全，茎节、幼叶发生。
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。
第十三章-基因表达调控
第二节
基因表达调控的基本原理
Basic Principles of Gene Expression Regulation
●基因表达的调控对生物是极端重要的。 1.真核生物：各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基 因的表达。 2.细菌具有阻遏基因表达的能力。
在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些 并非必需的酶的基因，并激活那些在某一时间内明显 必需的酶的基因。
CAP的正性调节
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低
3、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。
➢ 若无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列 结合，操纵子仍几无转录活性。
一、原核基因转录调节特点
——调节的主要环节在转录起始。
（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性
在转录起始阶段，σ因子识别特异启动序 列；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。
（二）操纵子模型的普遍性
原核生物绝大多数基因按功能相关性成簇串 联、密集于染色体上，共同组成一个转录单位 ──操纵子(operon)。
（二）空间特异性
➢ 在个体生长、发育过程中，某种基因产物 在个体的不同组织或器官表达，即在个体 的不同空间出现，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，所以空间特异性又称细 胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。
第十三章基因表达的调节基因表达调节的基本概念及原理原核
组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变 的，其表达强弱也是受一定机制调控的。
（2）诱导和阻遏表达
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。
改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜 温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的 动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同 ；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情 况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适
激活蛋白
启p动o序列 操纵序列 编码序列 l
真核基因的调节蛋白--反式作用因子（转录因子）
由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过 与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用， 调节其表达。这种调节作用称为反式作用。
DNA
a
mRNA
蛋白质A
A
反式调节
A
B
转录调节因子结构
DNA结合域
转录激活域
酸性激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
四、基因表达调控的基本原理
1、基因表达的多级调控
基因 激活
转录水平的基因表达调控最重要
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
2、特异DNA序列对基因转录激活的调节
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。
4）有乳糖，无葡萄糖时：
RNA-pol
细胞内cAMP含量高， cAMP与CAP结合成复合
O
物，与DNA结合，并推动 RNA-pol向前移动，促进
mRNA
转录。
乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与
第13章 基因表达调控
第13 章基因表达调控学习要求1．掌握基因表达的相关概念及原理；原核生物转录起始的调节与操纵子模式；顺式作用元件的分类及转录因子的分类。
2．熟悉真核生物表达调控的特点；基因表达的时间、空间特异性。
3．了解基因表达调控的生理意义；其他转录调节机制及翻译水平调节机制；真核生物基因组结构特点；RNA polⅠ和RNA pol Ⅲ转录体系的调节；转录因子的结构。
基本知识点基因表达调控是在细胞生物学、分子生物学以及分子遗传学研究基础上发展起来的新领域，涉及很多基本概念和原理。
这些基本概念是认识原核、真核基因表达调控的基础。
基因表达就是基因转录及翻译的过程。
基因表达表现为严格的规律性，即时间、空间特异性。
基因表达的方式有组成性表达及诱导或阻遏表达。
原核生物、单细胞生物调节基因的表达是为适应环境、维持生长和细胞分裂。
多细胞生物调节基因的表达除为适应环境，还有维持组织器官分化、个体发育的功能。
基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。
其中，转录起始是基因表达的基本控制点。
基因转录激活调节基本要素涉及特异DNA序列, 调节蛋白以及这些因素通过何种方式对RNA聚合酶活性产生影响。
除了转录起始水平的调节，其他水平，如基因激活、转录后加工、翻译及翻译后加工对原核及真核生物的基因表达均有调节作用。
大多数原核基因调控是通过操纵子机制实现的。
E.coli的lac操纵子含Z、Y 及A三个结构基因，还包括一个操纵序列O，一个启动序列P在内的调控区，以及一个调节基因I。
I基因与lac操纵区相邻，编码一种Lac阻遏蛋白。
阻遏蛋白、分解代谢物基因激活蛋白（CAP）与调控区结合位点的结合调节着操纵子基因的转录。
真核基因表达调控的某些机制与原核存在明显差别。
包括：真核细胞内含有多种RNA聚合酶；处于转录激活状态的染色质结构会发生明显变化，如对核酸酶敏感，DNA碱基的甲基化修饰，组蛋白的乙酰化，甲基化或磷酸化修饰等。
此外，微小RNA对真核基因表达调控的影响也日益受到重视。
大学生物遗传学：第十三章基因表达调控课件
转录起始和延伸的调控涉及多种因素，包括RNA 聚合酶的活性、转录因子的种类和数量、DNA序 列的特异性和环境因素等。
转录终止与剪接
转录终止
转录终止是指RNA聚合酶达到DNA链的末端并停止合成RNA的过程，这一过程需要特殊 的终止子序列和转录因子的参与。
转录后剪接
在某些情况下，RNA聚合酶在转录过程中会跳过一些内含子序列，这种过程称为转录后 剪接。
总结词
DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰方式，通过甲基基团对DNA进行修饰，影响基 因的表达。
详细描述
DNA甲基化是指在DNA序列中，特定的碱基被甲基基团修饰，导致基因表达受到抑制 或激活。这种修饰发生在基因的启动子区域，可以影响转录因子的结合，从而调控基因
的表达。DNA甲基化在发育、细胞分化、肿瘤发生等过程中具有重要作用。
境中表现出不同的适应性特征。
基因组印记与基因表达调控
基因组印记
基因组印记是指来自不同亲本的等位基因在表达上存在差异的现象。
基因组印记与基因表达调控的关系
基因组印记是基因表达调控的一种形式，通过印记机制可以使来自不同亲本的等位基因 表现出不同的表达模式。
基因组印记与生物进化的关系
基因组印记可以影响个体的发育和行为，从而影响生物的生存和繁衍，对生物进化产生 影响。
翻译延伸
核糖体沿着mRNA移动，氨基酸按照遗传密码的顺序依次加到多肽链上，需要 延长因子的参与。
翻译终止与多肽链释放
翻译终止
终止密码子被终止因子识别并结 合到核糖体上，释放因子参与， 多肽链从核糖体上释放出来。
多肽链释放
多肽链经过加工修饰后成为成熟 的蛋白质，从内质网、高尔基体 等细胞器释放出来，参与细胞的 各种活动。
第十三章 基因表达调控
第十三章基因表达调控【目的要求】1．掌握乳糖操纵子结构和调节机制，RNApolⅡ转录起始的调节。
2．熟悉基因表达的概念，基因转录激活调节基本要素，原核基因转录调节特点，真核基因组结构特点，3．了解基因表达的特异性，基因表达的方式，基因表达调控的生物学意义，RNApolⅠ和polⅢ的转录调节，转录后水平的调节，翻译水平的调节。
【教学内容】第一节基因表达调控基本概念与原理1．基因表达的概念：基因，基因组，基因表达。
2．基因表达的特异性：时间性及空间性。
3．基因表达的方式：基本表达（组成性表达），诱导和阻遏。
4．基因表达调控的生物学意义。
第二节基因表达调控的基本原理1．基因表达调控的多层次性和复杂性。
2．基因转录激活调节基本要素：特异DNA序列（操纵子，共有序列），调节蛋白（阻遏蛋白，激活蛋白，反式作用因子），DNA－蛋白质、蛋白质－蛋白质相互作用（二聚体化），RNA聚合酶。
第三节原核基因表达调节1．原核基因转录调节特点：σ因子决定RNA聚合酶识别特异性，操纵子模型的普遍性，阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。
2．原核生物转录起始调节：乳糖操纵子的结构（Z、Y及A基因，操纵序列，启动序列，调节基因，CAP结合位点），乳糖操纵子调节机制（阻遏蛋白的负性调节，CAP的正性调节，协调调节）。
3．原核生物转录终止调节。
4．原核生物翻译水平调节：蛋白质分子的自我调节，反义RNA对翻译的调节作用。
第四节真核基因转录调节1．真核基因组结构特点：真核基因组结构庞大，单顺反子，重复序列，基因不连续性2．真核基因表达调控特点：RNA聚合酶，活性染色体结构变化，正性调节占主导，转录与翻译分隔进行，转录后修饰、加工。
3．RNApo lⅠ和polⅢ的转录调节：RNApolⅠ转录体系的控制，RNApolⅢ转录体系的控制。
4．RNApolⅡ转录起始的调节：顺式作用元件（启动子，增强子，沉默子），反式作用因子（转录因子的分类、结构），mRNA转录激活及其调节（TFⅡD组成成分――TBP、TAF）。
第十三章基因表达调控ppt课件
(155000)
DDRP
色氨酸操纵子
• 色氨酸操纵子有5个结构基因 D、E基因：共产生邻氨基苯甲酸合成酶 C基因：产物是吲哚甘油磷酸合成酶 B、A基因：共同产物是色氨酸合成酶 • 这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸 的合成。 • 色氨酸合成仅限细菌。
色氨酸操纵子调控方式
（ -）
（+）
乳糖和色氨酸操纵子的共同点
二、操纵子的结构与功能
操纵子
阻遏物基因 R (i) inhibitor gene 上游启动子 P promotor 操纵基因 一组结构基因 O S operator structural gene
二、操纵子的结构与功能
• 启动子是结合RNA聚合酶的DNA序列 • 强：-35TTGACA、-10TATAAT • 弱：-35区共有序列 不一致 -10Pribnow
第十三章 基因表达调控
• 调控： 细胞代谢的调控（细胞生存、适应内环境） 基因表达的调控（生命延续、适应大环境） • 多水平的调控、多途径的调控 • 调控特点：复杂、多变、灵敏、准确
第一节、原核生物的操纵子调控模式
• 操纵子： 几个相关基因排列在一起，转录出一个 mRNA，翻译出多种具相关功能的蛋白 质，完成一个功能 。 • 有一个调控成分。 • 是原核生物的转录单位。
二、操纵子的结构与功能
• 阻遏物基因 ： 产生阻遏物，位于离操纵 子较远的上游区。 • 负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制 转录
关闭的基因由代谢底物开放（诱导）-----阻遏物失活
开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）-----阻遏物激活
二、操纵子的结构与功能
• 操纵子：结构基因、上游启动子(P)和操纵基 因(O)组成。
第十三章基因表达调控
二、操纵子的结构与功能
• 操纵子:结构基因、上游启动子(P)和操纵基 因(O)组成。
P和O合称调控区
2021/2/6
14
可诱导和可阻遏的操纵子
类型
可诱导 Lac 可阻遏 Trp
结合 O 方式
O 的开放方 结构基因产
式
物功能
i 基因产物
由 代 谢 底 物 分解代谢 开放
i 基 因 产 物 加 通常开放 合成代谢 上代谢终产物 由 代 谢 终 产
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四、cAMP对转录的调控
1
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阿拉伯糖操纵子
• B、A、D:编码三种酶,共催化阿拉伯糖 的代谢。
• C：R1（阻遏蛋白），变构后成R2。 • 起始区：initiator（I）
• R1 和R2在变构前后，分别执行负和正调 控功能。
乳糖操纵子
R基因
阻遏物
色氨酸操纵子
阻
阻遏物
2021/2/6
基因开放
基因关闭
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四、cAMP对转录的调控
• 在乳糖和葡萄糖都存在时, 哪种糖被优先利用?
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四、cAMP对转录的调控
• 乳糖操纵子的启动子属于弱启动子 • 正调控方式
• CAP:catabolite gene activator protein 分解代谢基因活化蛋白,受cAMP激活
• 调控水平: 转录、转录后、翻译、翻译后
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2
第十三章 基因表达调控
• 调控:
细
胞代谢的调控（细胞生存、适应内环境）
基因表达的调控（生命延续、适应大环境）
• 多水平的调控、多途径的调控
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第二节 基因表达调控的基本原理
Basic Principles of Gene Expression Regulation
第13章基因表达调控
一、基因表达调控呈现多层次和复杂性
基因表达的多级调控
基因激活 拷贝数 重排 甲基化程度
转蛋白质降解等
第十三章
基因表达调控
Regulation of Gene Expression
第13章基因表达调控
主要内容
➢ 基因表达调控的基本概念 ➢ 基因表达调控的基本原理 ➢ 原核基因表达调节 ➢ 真核基因表达调节
第13章基因表达调控
第一节 基因表达调控的基本概念
Basic Conceptions of Gene Expression Regulation
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。
启动po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
第13章基因表达调控
（一）特异DNA序列决定基因的转录活性 （二）转录调节蛋白可以增强或抑制转录活性
第13章基因表达调控
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
操纵序列 (operator)
蛋白质因子
特异DNA序列
第13章基因表达调控
1、启动序列
是RNA聚合酶结合并启动转录 的特异DNA序列。
➢ 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段 特异性 (stage specificity)。
第13章基因表达调控
（二）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 (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)。
第13章基因表达调控
➢ 基因表达 (gene expression) 是基因转录及翻译的过程，即：生成具有 生物学功能产物的过程。
➢ 基因表达是受调控的。
第13章基因表达调控
二、基因表达具有时间特异性和空间特异性 （一）时间特异性
➢ 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 (temporal specificity)。
第13章基因表达调控
三、基因表达的方式及调节存在很大差异
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为： ➢ 基本（或组成性）表达 ➢ 诱导或阻遏表达
第13章基因表达调控
（一）基本（或组成性）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)。
第13章基因表达调控
Seven processes that affect the steady-state concentration of a protein.
二、基因转录激活受到转录调节蛋白 与启动子相互作用的调节
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。
-35 区
-10 区
RNA转录起始
trp
TTGACA N17 TTAACT N7
A
tRNATyr
TTTACA N16 TATGAT N7
A
lac
TTTACA N17 TATGTT N6
A
recA
TTGATA N16 TATAAT N7
A
Ara BAD
CTGACG N16 TACTGT N6
A
共有序列
第13章基因表达调控
➢ 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)。
第13章基因表达调控
TTGACA
TATAAT
图13-1 第五13种章基E.因co表li达启调动控序列的共有序列
➢ 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 合能力。
第13章基因表达调控
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
四、基因表达调控为生物体生长、 发育所必需
（一）以适应环境、维持生长和增殖
生物体所处的内、外环境是在不断变化 的。通过一定的程序调控基因的表达，可使 生物体表达出合适的蛋白质分子，以便更好 地适应环境，维持其生长和增殖。
第13章基因表达调控
（二）以维持细胞分化与个体发育
在多细胞个体生长、发育的不同阶段， 或同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白 质分子分布、种类和含量存在很大差异，这 些差异是调节细胞表型的关键。
➢ 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。区别于其他基因，这类基 因表达被视为组成性基因表达 (constitutive gene expression)。
第13章基因表达调控
（二）有些基因的表达受到环境变化的 诱导和阻遏
➢ 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 (inducible gene)。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 (repressible gene)。可阻遏 基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression)。
第13章基因表达调控
一、基因表达是指基因转录及翻译的过程
➢ 基因 (gene) 基因是负载特定遗传信息的DNA片段，
可以编码单个具有生物功能的产物，包括 RNA和多肽链，其结构包括由DNA编码序列、 非编码调节序列和内含子组成的DNA区域。
➢ 基因组 (genome) 来自一个生物体的一整套遗传物质。