第13章基因表达调控
基因表达调控教案
基因表达调控教案
教案标题：基因表达调控
教学目标：
1. 理解基因表达调控的概念和重要性。
2. 掌握基因表达调控的机制和方法。
3. 能够解释基因表达调控在细胞和生物体发育、适应环境等方面的作用。
教学准备：
1. PowerPoint演示文稿。
2. 实验室材料：PCR仪、电泳仪、琼脂糖凝胶、DNA标准品、引物等。
3. 教学资源：相关教科书、期刊文章、互联网资源等。
教学过程：
1. 导入（5分钟）
- 向学生介绍基因表达调控的概念，并提出问题：为什么细胞需要调控基因表达？
- 引导学生思考基因表达调控在细胞和生物体发育中的重要性。
2. 知识讲解（15分钟）
- 使用PowerPoint演示文稿，讲解基因表达调控的机制，包括转录调控和转录后调控。
- 解释转录调控的方式，如启动子区域的甲基化、转录因子的结合等。
- 介绍转录后调控的方式，如RNA剪接、RNA降解等。
3. 实验演示（20分钟）
- 展示基因表达调控实验的基本步骤和原理。
- 演示PCR技术的应用，包括反转录PCR和实时定量PCR。
- 展示电泳分析DNA片段的长度和浓度。
4. 实验操作（30分钟）
- 将学生分成小组，每组进行基因表达调控实验。
- 学生根据实验操作指导书进行实验，包括RNA提取、cDNA合成、PCR扩增等步骤。
- 学生通过电泳分析结果，判断基因表达调控的情况。
5. 讨论与总结（15分钟）
- 学生展示实验结果，并进行讨论。
- 引导学生思考实验结果与理论知识的关联。
- 总结基因表达调控的重要性和应用领域。
6. 作业布置（5分钟）
- 布置相关阅读任务，要求学生进一步了解基因表达调控的研究进展。
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：
第十三章 细胞分化与基因表达调控 练习题
第十三章 细胞分化与基因表达调控
一、名词解释
1、细胞分化
2、细胞全能性 5、管家基因 9、奢侈基因
二、填空题
1、在个体发育过程中，通常是通过来增加细胞的数目，通过来增加细胞的类型。
2、细胞分化的关键在于特异性的合成，实质是在时间和空间上的差异表达。
3、真核细胞基因表达调控的三个水平分别为、和。
4、从一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞，往往要经历和的过程。
5、根据分化阶段的不同，干细胞分为和；按分化潜能的大小，可将干细胞分为、和三种。
6、Dolly羊的诞生，说明高度分化的哺乳动物的也具有发育全能性，它不仅显示高等动物细胞的分化复杂性，而且也说明卵细胞的对细胞分化的重要作用。
7、基因与基因的突变，使细胞增殖失控，形成肿瘤细胞。
8、细胞分化是基因的结果，细胞内与分化有关的基因按其功能分为
和两类。
9、编码免疫球蛋白的基因是基因，编码rRNA的基因是基因。
10、分化方向的确定往往早于形态差异的出现,细胞的分化方向开始确定到出现特异形态特征之前的这一时期,称为___________.分化方向的确定往往早于形态差异的出现,细胞的分化方向开始确定到出现特异形态特征之前的这一时期,称为___________.
三、选择题
1、细胞分化的实质是（）
A、基因选择性表达
B、基因选择性丢失
C、基因突变
D、基因扩增
2、关于肿瘤细胞的增殖特征，下列说法不正确的是（）。
A、肿瘤细胞在增殖过程中，不会失去接触依赖性抑制
B、肿瘤细胞都有恶性增殖和侵袭、转移的能力
C、肿瘤细胞和胚胎细胞某些特征相似，如无限增殖的特性
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
顺式作用元件通常是基因的非编码序列。
不同真核生物的顺式作用元件中也会发现 一些共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等， 这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子 的结合位点。
3、调节蛋白对转录起始的调节 原核生物基因的调节蛋白---DNA结合蛋白 特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白
真核生物基因的调节蛋白---反式作用因子 与DNA结合的调节蛋白 与蛋白质结合的调节蛋白
如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄 糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类 的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。
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)。
基因表达＝转录＋翻译
生物基因组的遗传信息 并不是同时全部都表达出来的
大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有5－ 10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表 达，或者暂时不表达。
人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通 常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型 的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋 白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般 也只有不超过20%的基因处于表达状态。
也有的是在结合DNA前，需要蛋白质与蛋 白质之间的解聚过程
分子生物学-13-原核基因表达调控-1-概念分类
问题
• 胞内运输领域另一个重大问题，即 • 当囊泡到达靶细胞器时，囊泡识别靶膜
并将内含物精确卸载？囊泡如何循环？ 的分子机制？ • 尚不明晰
• 胞内运输系统
• 包括细胞核、线粒体、叶绿体、溶酶体、过氧
化物酶体、高尔基体、内质网、囊泡等
核糖体
线粒体 细胞质
粗面内质网 质膜
胞衣
溶酶体
囊泡
vesicle
调控的关系：调与被调的关系
结构基因和调节基因
• 为了区分调控过程的调控成分和被调控成分， 而区分出调控基因和结构基因。
•
结构基因一般是指编码RNA或者蛋白质的
任何基因，其产物一般指各种功能蛋白质，如
组成细胞和组织的基本成分的结构蛋白、具有
催化活性的各种酶和调节蛋白。
•
调节基因一般特指参与其他基因表达调控
RNA或者蛋白质的基因，其产物一般是通过与
靶DNA序列上的特定位点结合来其作用的。
（三）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
三要素： 1 特异的DNA调节序列 2 调节物（蛋白或者RNA） 3 RNA聚合酶
生物化学13.基因表达调节
基因表达调节
Regulation of Gene Expression
生物体的代谢调节尽管有不同的途径 和水平，但最根本的还是基因的表达调 节。基因表达即遗传信息的转录和翻译 过程。 生物体在生命周期中，基因组的各个 基因表达随生长发育有先后，并随内外 环境的影响和诱导。
信息区:由一个或数个结构基因串联在一起组成。
百度文库
乳糖操纵子的调节机理
大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基里生长 时不代谢乳糖；转入只含有乳糖的培养基时， 代谢乳糖的酶量增加1000倍，可代谢乳糖。 如果此时在培养基里又加入葡萄糖，大肠杆 菌停止代谢乳糖转而重新利用葡萄糖，乳糖 代谢酶类急剧下降。 由此可见葡萄糖代谢阻遏了乳糖代谢， 这一过程是乳糖操纵子调节的结果。
操作子序列在其上游和下游各有一个相 似的回文结构，阻遏蛋白4个亚基除与操 纵序列回文结构结合外，还与上游或下 游的回文结构结合，中间DNA形成突环， 由此增加了阻遏蛋白阻止转录的效果。
CAP与cAMP
CAP(降解物基因活化蛋白）或CRP（环 腺苷酸受体蛋白），为相对分子量22000 亚基的二聚体，其结合DNA的结构域也 有螺旋—转角—螺旋基序。 CAP与cAMP结合后被活化，当该复合物 结合于DNA时，可使DNA发生94度弯曲， 并促进了RNA聚合酶与启动子的结合， 二者正好位于弯曲DNA的同一方向，彼 此作用得到加强，从而可以增强转录。
第十三章基因组学幻灯片讲义-第13章基因组学
➢ 对备选材料进行多态(差异)性检测，综合 测定结果，选择有一定量多态性的一对或 几对材料作为遗传作图亲本。
构建作图群体
遗传标记的染色体定位
❖ 利用遗传学方法或其它方法将少数标记 锚定在染色体上，作为确定连锁群的参 照系。
❖ 常用的方法： 单体分析 三体分析 代换系分析 附加系分析
鸟枪法的优缺点
❖ 优点： 不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低
❖ 缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域
❖ 主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基 因组
克隆重叠群法（clone contig）
❖ 将基因组DNA切割长度为0.1Mb－ 1Mb的大片段，克隆到YAC或BAC载体 上
❖ 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克 隆的序列
功能基因组学
❖ 完成基因组测序，仅仅是基因组计划的 第一步，更重要的工作在于弄清楚： ①基因组序列中所包含的全部遗传信息 是什么； ②基因组作为一个整体如何行使功能。
❖就是对基因组序列进行诠释的过程，也 就是功能基因组学的研究内容。
根据序列分析搜寻基因
❖ 查找开放阅读框（open reading frame, ORF） ❖ 开放阅读框都有一个起始密码子，ATG，还要有
❖有些标记既是遗传标记，又是物理标记 RFLP标记 SSR标记 某些基因序列
13-第八章 基因表达的调控-2
22
DNA甲基化: 甲基加在CpG 二核苷酸序列的C
甲基化
ATCGACTCGGTTCAGG
非甲基化
23
5-甲基胞嘧啶脱氨基：C → T
24
DNA甲基化使基因不能表达
MeCP2
25
人血红蛋白四聚体
26
人α- 和 β-珠蛋白基因家族
27
人β-珠蛋白基因表达开关（转换）
28
人胚胎珠蛋白基因通过甲基化调控表达
6 weeks
12 weeks
29
一、真核生物基因表达在染色质（染色体）水平进行调控 1. 染色质丢失是一种不可逆调控方式 2. 基因扩增增加基因的拷贝数 3. 基因重排调节表达产物的多样性 4. DNA甲基化调控基因的表达 5. 染色质结构可影响基因的表达
30
真核细胞染色体 的包装层次
31
染色质DNA纤维
51 V 27 D 6J segments
19
Burkitt’s 淋巴瘤发生染色体重排
20
人慢性骨髓白血病发生染色体重排
21
一、真核生物基因表达在染色体（染色质）水平进行调控 1. 染色质丢失是一种不可逆调控方式 2. 基因扩增增加基因的拷贝数 3. 基因重排调节表达产物的多样性 4. DNA甲基化调控基因的表达 5. 染色质结构可影响基因的表达
38
（一）转录起始复合物的形成是转录的可调控环节
生物化学基因表达调控(精)
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
真核生物
特异DNA序列：顺式作用元件 调节蛋白（又称转录调节因子或调节因 子）：主要是指反式作用因子
目录
真核生物 1、顺式作用元件(cis-acting element) ——可影响自身基因表达活性的DNA序列
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) 特异DNA序列
目录
调节蛋白质
1、启动序列
-35区 trp
tRNATyr TTGACA TTTACA TTTACA TTGATA
是RNA聚合酶结合并启动转录 的特异DNA序列。
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、基因转录激活调节的基本要素—
转录调节蛋白与特异DNA序列的相互作用
（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
目录
原核生物
特异DNA序列：包括启动序列、操纵序列 及其他调节序列 调节蛋白：特异因子（ σ因子 ）、阻遏蛋 白和激活蛋白
分子生物学-13-原核基因表达调控-2-lac and trp
乳糖操纵子的结构
调节基因 启动子
26bp
操作子
三个基因
控制区
信息区
• 这三个酶分别为lacZ, lacY, lacA ，一字排列，在它们的前 面，也就是上游，有一个操纵位点，叫做操作子，操作子 （operator）。在操作子的前面，有一个公用的启动子 （promoter），在启动子的上游有一个调节基因lacI。
这种现象以每个细胞周期1-2次的概率发生
第二个问题
• 另外一点需要说明的是，乳糖并不能直 接与阻遏蛋白结合，而是乳糖首先转变 为别乳糖，别乳糖与阻遏蛋白结合。
• 当乳糖被消耗完了以后，阻遏蛋白就可 以重新结合于操作子，lac操纵元的结构 基因又回到了关闭状态。
第三个问题
• 关于阻遏物LacI
• 阻遏物LacI基因本身是一种由弱启动子 控制的组成型表达，细胞中总是存在一 定量的阻遏蛋白
• 那么，这个操纵子是怎样控制这三个基因的表达的呢？
调节基因 操纵区 被调节基因3个
多顺反子 串联排列 一起转录 各自发挥功能
诱导的发现
• 在比较早的时候，人们发现细菌细胞中的某些 酶，有的能够被诱导，有的能够被阻遏。比如 说大肠杆菌，在没有乳la糖c m存R在NA的培养基中生长 时细， 胞分 子 相细 中胞 不中 到的5个β，-半而乳一糖旦苷培酶β养的半基含乳中糖量苷加很酶入低乳，糖一时个， 细胞对中就会快速地、大量地合透成性β酶－半乳糖苷酶， 快到含什么程度呢？快到2分钟以后每个细胞中就 会有量5000多个酶分子。这说乙酰明基乳转移糖酶诱导了β－ 半乳糖苷酶的合成，换句话说就是乳糖诱导了β －半乳糖苷1 酶基因的5表达。 10 分钟
第十三章 基因表达调控(试题与答案)
第十三章基因表达调控
[測试题]
一、名词解释
1．基因表达(gene expression)
2．管家基因(housekeeping gene)
3．反式作用因子(trans-acting element)
4．操纵子(operon)
5．启动子(promoter)
6．增强子(enhancer)
7．沉默子(silencer)
8．锌指结构(zinc finger)
9．RNA干涉（RNA interference，RNAi）
10．CpG岛
11．反转重复序列(inverted repeat)
12．基本转录因子(general transcription factors)
13．特异转录因子(special transcription factors)
14．基因表达诱导(gene expression induction)
15．基因表达阻遏(gene expression repression)
16．共有序列(consensus sequence )
17．衰减子（attenuator）
18．基因组（genome）
19．DNA结合域（DNA binding domain）
20．顺式作用元件(cis-acting element)
21．基因表达的时间特异性(temporal specificity)
22．基因表达的空间特异性(spatial specificity)
23．自我控制（autogenous control）
24．反义控制（antisense control）
二、填空题
25．基因表达的时间特异性和空间特异性是由____ 、____和____相互作用决定的。
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➢ 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)。
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
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。
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。
（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。
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。
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wenku.baidu.com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)。
-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
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
➢ 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
➢ 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
第13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
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
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
➢ 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)。