遗传学第十四章基因表达调控
基因表达调控和表观遗传学
基因表达调控和表观遗传学基因是控制生物体发育、生长和功能的最基础的遗传单元。
但是，基因并不是静态地存在于细胞核中，而是被调控着表达，并实现每个细胞和整个生命体系的功能。
基因表达调控是指在基因转录和翻译的过程中，通过转录因子、核糖体等多种分子机制从外部环境和内源性信号中完成对基因表达的精确调节，以确保基因的正常表达，维持生命活动的平衡。
而表观遗传学，则是通过修饰染色体结构和DNA 本身的化学改变，来影响基因表达以及后代细胞和个体的遗传特征。
基因表达调控的分类基因表达调控有两种基本的模式：正向调控和负向调控。
正向调控是指蛋白质转录因子与DNA结合后，启动基因的转录和翻译过程，使其表达和合成；而负向调控则是指结合蛋白质转录抑制因子与DNA，阻止基因转录和翻译的进行。
这两种模式的调控因素可以是外源性信号、内源性因素、细胞周期等多种生物因素。
基因表达调控的分子机制基因表达调控的分子机制主要是通过转录因子、启动子、剪切体等多种分子复合物的结合和相互作用，来实现对基因表达的正常和精确调节。
在转录因子的调节下，基因启动子可被开放，RNA聚合酶能正常转录DNA，逐步形成RNA链，而后在核质中进行翻译，启动运行细胞分子的生产和代谢活动。
同时，剪切体的作用则能够取决于RNA的修饰方式，以及RNA的分子结构，进行后续的转译调控。
表观遗传学的种类表观遗传学是指不涉及DNA序列本身改变的基因遗传学领域，而是指基于DNA核苷酸和蛋白质之间的化学修饰，从而影响基因表达和功能。
表观遗传学的种类主要包括甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、转录后修饰等。
甲基化是指DNA和某些蛋白质上添加甲基基团，从而影响基因或染色体结构可达到调控目的。
组蛋白修饰则是指调节或重塑染色体之间的相互作用，从影响基因包装和通路的方式来实现基因表达的控制。
而染色质重塑通过染色质突变、显微操作、某些细胞周期等手段，对染色质结构进行重塑，以更好地实现对基因的调控和功能调整。
遗传学中的基因表达调控
遗传学中的基因表达调控基因表达调控是指基因在细胞内转录成RNA的过程，并通过翻译成蛋白质来发挥作用的过程。
在生物体内，基因调控是一个复杂且高度精确的过程，它由多种调控机制组成，包括转录调控、转录后调控以及表观遗传调控。
一、转录调控转录调控是指基因在转录过程中的调控机制。
转录因子是一类能够结合到基因的调控区域，并影响该基因转录水平的蛋白质。
转录因子可以激活或抑制基因的转录，从而调节基因的表达水平。
在细胞内，转录因子可以与启动子或增强子结合，促进或抑制RNA聚合酶的结合，进而影响基因转录。
除了转录因子，染色质构象也在基因转录调控中起着重要的作用。
DNA在细胞核中以染色质形式存在，染色质的紧缩程度会影响基因的可读性。
甲基化是一种常见的基因调控方式，可以通过甲基化的方式改变基因座位的染色质结构，进而影响基因的转录。
二、转录后调控在基因转录成RNA的过程中，还有一些后续的调控机制，这些机制主要发生在RNA分子的剪接、修饰和定位过程中。
剪接是指在转录过程中将RNA分子的某些部分去除或结合起来的过程。
剪接的方式多种多样，它可以通过不同的剪接方式产生不同的RNA变异体，进而影响基因的表达。
修饰包括RNA分子中的修饰酶修饰碱基或脱除相应的碱基。
这些修饰可以影响RNA的稳定性和转运能力，从而影响基因的表达。
三、表观遗传调控除了上述转录调控和转录后调控机制外，表观遗传调控也在基因表达中起着重要的作用。
表观遗传调控是指通过改变染色体DNA和相关蛋白质的化学修饰方式，来调控基因的表达水平。
DNA甲基化是表观遗传调控中最常见的机制之一。
DNA甲基化是指通过在DNA分子上添加甲基基团来改变DNA序列的机制。
甲基化通常发生在DNA的CpG岛区域，这些区域通常位于基因启动子和增强子区域。
DNA甲基化可以影响转录因子的结合能力，从而影响基因的表达。
此外，组蛋白修饰也是基因表达调控中的重要机制。
组蛋白是一类与DNA紧密结合的蛋白质，在细胞核中形成染色质。
普通遗传学第十四章 基因表达的调控
第一节 原核生物的基因调控
一、转录水平的调控
→原核生物基因表达的调控主要发生在 转录水平。
→当需要某一特定基因产物时，合成这 种mRNA。当不需要这种产物时， mRNA转录受到抑制。
1、乳糖操纵元模型
大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳 糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增 加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢酶 基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖 操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表 达的调控机制
转录效率更高
→在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp， 也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP 复合物，因此基因不表达。
乳糖操纵元的正调控
2、色氨酸操纵元
大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。
◆trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、
trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 5′端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和 衰减子（attenuator）。
❖ 负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的 调控。
❖ 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相 互作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结 合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序 列结合，激活基因起始转录。
原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中 则主要是正调控机制。
图 14-1 正调控和负调控
2、反义RNA调控
反义RNA可与目的基因的5’UTR（ untranslated region ）互补配对，配对的区域 通常也包括启动子的SD序列，使mRNA不能与 核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。
反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生 物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义 RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。
基因表达调控的机制及其意义
基因表达调控的机制及其意义基因表达调控是指对基因表达的控制过程，从而实现基因功能的调节和调整。
这个过程是正常细胞秩序发展和功能维持的重要保证，同时也与许多疾病的形成和预防密切相关。
本文将从基因表达调控的机制及其意义两方面进行阐述。
一、基因表达调控的机制1.表观遗传学机制表观遗传学是指一种不改变基因序列，但能直接或间接地影响基因表达水平的信息遗传方式。
它通常包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化、组蛋白去乙酰化、RNAi等各种修饰类型。
表观遗传学修饰通常是由酶介导，可以强化或削弱基因转录各环节中的调节因子作用，从而实现基因表达的调控。
2.转录因子和调节元件的作用转录因子是特定序列的DNA结合蛋白，它们可以识别和结合特定DNA序列，从而影响RNA聚合酶复合物与DNA的互作，进而影响基因的表达过程。
而调节元件则是指体积较小的调节区域，包括强化子、启动子、转录终止子等，它们通过与转录因子的结合，进而影响转录因子的转录调节效应。
3.非编码RNA的作用非编码RNA是指不能译码为蛋白质的RNA分子。
它们可以通过直接干扰转录过程、调节染色质状态，或与其他RNA、蛋白质相互作用等方式，对基因表达调控产生影响。
二、基因表达调控的意义1.保证正常细胞功能细胞是生命活动的基本单位，不同类型的细胞在其生命周期内需要进行不同的基因表达调控。
这保证了正常细胞秩序发展和功能维持，从而有助于维护了人体内的正常生命活动。
2.参与疾病形成和预防基因表达调控的紊乱与许多疾病形成的紧密相关。
例如，肿瘤的形成可归结于肿瘤细胞的基因表达异常。
因此，正确掌握基因表达调控机制，对于临床疾病的治疗有非常重要的意义。
另外，一些药物可以针对基因表达调控的不同环节进行调节，从而达到治疗或预防疾病的目的。
3.支持个体遗传多样性基因表达调控决定了不同基因型表现出不同的表型特征。
这样，通过基因表达调控，不同的个体可以呈现出不同的表型特征。
这一多样性不仅体现在生理、生化、心理等诸多方面，同时也有助于维持种族、物种的生态平衡和多样性。
细胞生物学[第十四章细胞分化与基因表达调控]课程预习
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第十四章细胞分化与基因表达调控一、细胞分化(一)细胞分化的基本概念1．细胞分化在个体发育中,由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化(cell differentiation)。
细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。
细胞分化是基因选择性表达的结果。
2．当家基因与组织特异性基因当家基因(house-keeping genes)是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的。
组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因(luxury genes)，是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能。
3．组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控(combinational control)概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化的调控机制。
即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调节完成的。
生物学作用：一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仪可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成(如眼的发育)。
4．分化启动机制靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。
单细胞有机体的细胞分化与多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。
多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。
5．转分化与再生转分化(transdifferentiation)：一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化。
转分化经历去分化(dedifferentiation)和再分化的过程。
再生(regeneration)：生物界普遍存在再生现象，再生是指生物体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。
遗传学第十四章基因表达的调控
（四）乳糖操纵子的正调控 大肠杆菌的葡萄糖效应
二、色氨酸操纵子中基因表达时的衰减作用 （一）色氨酸操纵子的结构
编码色氨酸合成相关的五个基因trpE,trpD, TrpC,TrpB,trpA；在这五个结构基因上游有启动 区和操纵基因（trpO）；在第一个结构基因trpE 和trpO之间，有一长达160bp的核苷酸序列，称为 前导序列（L），其中含一段衰减子（A）区段。
野生型乳糖操纵子（I+O+Z+Y+A+）的负调控 作用
◆ 细胞中没有乳糖时，阻遏物连到操纵基因上， 阻断转录，没有酶产生。
◆ 细胞中有乳糖时，乳糖与阻遏物连接，诱导转 录，产生相应的酶。
（三）建立乳糖操纵子模型的相关实验分析
1、相关突变体 （1）结构基因本身改变的突变体 Z+ : 能合成β-半乳糖苷酶 Z- : 不能合成β-半乳糖苷酶 （2）组成型突变体
小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA， PPTmRNA）的不同剪接
2、反式剪接
3、RNA编辑
（三）翻译水平的调控 卵母细胞中隐蔽mRNA的调控。P366
（四）翻译后调节 蛋白质剪接
（五）基因表达中的RNA调节 RNAi , miRNA
谢谢大家！
◇阻遏物单体。 ◇阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片
段。
阻遏物单体
阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片段
4、操纵基因（O）的确定 操纵基因序列的突变将导致阻遏物不能识别
和结合到该部位上。从而造成乳糖利用物质继续 合成。
如何识别突变体Oc和I- 。部分二倍体实验。
5、启动子 RNA聚合酶识别和结合部位： -10区： 序列特征 5’-TATGTT-3’ -35区： 序列特征 5’-TTTACA -3’
生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
1.操纵子的结构与功能
一个操纵子=调节序列+启动序列+操纵序列+编码序列
⑴调节序列(inhibitor,I):编码一种阻遏蛋白(repressor) 。 ⑵启动序列(promoter,P):结合RNA聚合酶，启动转录。 ⑶操纵序列(operator,O):阻遏蛋白的结合位点。 ⑷编码序列(coding sequence):编码功能性蛋白，2~6个。
第一节 基因表达调控的 概念和原理
(Concept and principle： Regulation of Gene Expression)
一、基因表达调控的概念
(一)基因表达(gene expression) 是指基因经过
转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白 质分子的过程。
(二)基因表达的时间性及空间性
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)
1.同源结构域
2.锌指
3.碱C
H
C
Cys
H
His
其他氨基酸
(四)真核生物基因表达调控模式
1.真核生物基因表达调控较复杂，除转录起始阶段 受到调节外，在转录后水平、翻译水平及翻译后水平 等均受调控。
2.真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子帮助下，形成的 转录起始复合物。
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。
2.特异转录因子(special transcription factors) 为个别基因转录所必需，决定该基因的时
遗传学中的基因表达与调控
遗传学中的基因表达与调控基因是生命的基本单位，是生物体内存储遗传信息的分子。
基因表达与调控是指基因信息从DNA转录成RNA再翻译成蛋白质的过程，以及这个过程中所涉及到的调控机制。
基因表达与调控在遗传学研究中有着重要的作用。
一、基因表达的概念与过程基因表达是指生物遗传信息的表达，即DNA转录成RNA，再通过RNA转换成蛋白质的过程。
这个过程中，RNA是转录作用的产物，蛋白质则是基因信息在功能方面的表达。
基因表达主要包括三个过程：转录、RNA后处理和翻译。
其中，转录是指DNA 序列作为模板，RNA聚合酶将RNA合成，在这个过程中，RNA 链与DNA链形成互补配对，形成RNA链。
随后，RNA通过RNA后处理的过程，在细胞核内进行修剪和剪接，形成成熟的mRNA。
最后，翻译过程将mRNA翻译成蛋白质，采用三个碱基为一个密码子的规律进行翻译。
二、遗传信息的调控基因表达过程中的调控非常重要，因为细胞的状态和环境都会对基因表达产生影响。
因此，可以通过基因表达的调控机制来调整细胞状态和适应环境变化。
1. DNA水平的调控DNA水平的调控是指对基因本身的控制，这种调控有多种形式，如DNA甲基化、组蛋白修饰、转录因子的结合等。
在DNA甲基化过程中，甲基转移酶将甲基添加到特定的胞嘧啶核苷酸上，从而改变了DNA甲基化模式。
这种改变可能会导致基因的表达产生变化。
组蛋白修饰也是一种DNA水平的调控，通过化学修饰调整组织特异性基因的表达。
比如，在组蛋白N端的赖氨基酸上可以发生丝氨酸/苏氨酸激酶催化的磷酸化，而磷酸化状态的组蛋白结构发生变化，因此影响基因的表达。
2. RNA水平的调控RNA水平的调控是指对RNA分子的控制，包括RNA降解、RNA修饰、RNA干扰等。
RNA降解是一种广泛存在于真核生物中的调控机制，可以通过调节RNA的寿命来影响基因表达。
在哺乳动物细胞中，RNA寿命的长短由多个因素决定，包括RNA的序列和结构等。
RNA修饰是指RNA分子中的化学修饰，在翻译和MMR中起到非常重要的作用。
植物遗传学中的基因表达调控
植物遗传学中的基因表达调控植物遗传学研究了植物基因的遗传传递和表达，其中基因表达调控是一个重要的研究方向。
在植物生长和发育过程中，基因表达的调控决定了植物形态、生理和生物化学特性的形成和表现。
本文将探讨植物遗传学中基因表达调控的一些重要机制和应用。
一、转录调控转录调控是基因表达调控的关键步骤之一。
它主要通过转录因子与DNA结合来调控基因的转录过程。
转录因子是一类能够结合到DNA特定区域的蛋白质，它们可以激活或抑制目标基因的转录。
在植物中，转录因子家族非常庞大，包括包括MYB、WRKY、bHLH等。
这些转录因子通过结合到基因调控区域的启动子或增强子上，招募其他调控因子和RNA聚合酶，从而影响基因的转录水平。
二、RNA后转录调控除了转录调控，RNA后转录调控也在植物基因表达调控中占有重要地位。
RNA后转录调控主要通过非编码RNA（ncRNA）以及RNA剪接、RNA编辑和RNA稳定性调控等方式实现。
ncRNA是一类不能编码蛋白质的RNA分子，它可以直接或间接地参与调节基因的表达。
除了ncRNA，RNA剪接也是基因表达调控的重要环节。
RNA剪接是指预mRNA在转录后剪接过程中选择性地去除部分内含子，使得不同转录体的形成和表达。
这种机制可以增强基因的多样性和调控度。
此外，RNA编辑和RNA稳定性调控也对基因表达的调控起到重要作用。
三、表观遗传调控除了转录调控和RNA后转录调控，表观遗传调控也是植物基因表达调控的重要机制之一。
表观遗传调控主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等方式对基因的可及性和表达进行调控。
DNA甲基化是指DNA分子上的甲基基团结合到甲基化位点的过程，它常常与基因的沉默和抑制相关。
另外，组蛋白修饰也是植物基因表达调控中的重要机制。
组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等，它们可以调节染色质的松弛和紧缩状态，从而影响基因的可及性和表达。
此外，染色质重塑也可以通过改变染色质的三维结构和空间排列来调控基因的表达。
第14章 真核基因表达调控 南开大学遗传学课件
➢MRE: 金属诱导应答元。TATA 和GC：启动子元件。TRE：佛波 酯TPA应答元件，含AP1结合位点。 BLE：基础水平元件。AP1-2, SP: 转录因子。GRE: 糖皮质激素应答 元件。
图21.1 人类金属硫蛋白(MT)基因调控区的启 动子和增强子中都含有调控元件，启动子含有 对金属诱导应答的序列，增强子含有对糖皮质 激素应答的序列。启动子中的有关序列在图的 上面列出，下面是与之结合的各种蛋白(多份 MRE可进行高水平诱导)。
转录因子中的Biblioteka 旋-转角-螺旋结构(a)以及与DNA的相互作用(b)
羧基端α螺旋为识别螺旋，其氨基酸残基直接与靶DNA大沟的 残基专一性结合，另一α螺旋中的氨基酸和DNA中的磷酸戊糖骨 架发生非特异性结合。
(2)锌指结构 （ Zinic fingers）
➢锌指结构是真核生物转录因子 主要结构家族中的一种，它们 从许多方面参与基因调控。
增强子与启动子在某些特征上 具有区别：
① 增强子的位置一般不固定，它 可以位于基因的上游，下 游 或中间。
② 增强子通常对远距离的靶基因 行使作用，有时多达50kb。
③ 增强子的方向可反向，对它的 作用不会有大的影响。
④ 假如一个增强子在基因组移动 到另一位置，或者某一不相关 基因插入到一增强子附近，那 么该插入基因的转录受到正向 调控。
2）启动子
➢细菌启动子是RNA聚合酶识别并结合的核苷酸序列，含有启动转录所 必要的区域并紧挨其可调节的基因。
➢真核启动子常含有一些短的保守的DNA序列，位于基因5上游100bp 区间内(如下图)。
➢启动子核心区有CAAT框，其保守序列为CAAT或CCAAT，常位于-70 至-80位。跟TATA框一样，在CAAT框中突变也会严重减弱转录，而两 侧序列影响很小；另外还有一个元件为GC框，保守序列为GGGCGG， 通常位于-110，以多拷贝存在，其重要性也用突变得到证实。
遗传学研究中的基因表达与调控
遗传学研究中的基因表达与调控遗传学研究，是一门研究遗传现象的学科。
在遗传学的研究过程中，我们要对基因的表达与调控进行深入探讨，以更好地了解遗传变异、遗传病变的原因和发展趋势。
下面，就让我们来一起探讨一下这个主题。
基因表达的概念基因是遗传信息的基本单位，它是DNA的一段序列，可以通过转录和翻译过程来合成蛋白质。
基因表达，就是指基因转录成RNA，再通过翻译过程合成蛋白质的过程。
而这个过程中，还会涉及到基因的调控。
基因表达的过程基因表达的过程，具体而言是指，DNA上的基因序列被转录成RNA的过程。
DNA双链被解开后，RNA聚合酶可以将DNA上的信息读取并转化为RNA分子。
在RNA分子合成完成后，它们的作用是将信息从细胞核中输送到细胞质中并进行翻译。
翻译的结果是合成蛋白质。
这个合成蛋白质的过程，是生命体在生长和发育过程中的一个重要环节。
基因调控的概念基因调控，指的是有机体对基因表达进行调整的一系列过程。
生命体通过基因的调控，在一定程度上可以控制细胞的功能和特性，在进化和发育过程中起到了至关重要的作用。
基因调控的过程基因调控的过程，涉及到开关基因表达的多个水平。
这包括DNA的甲基化，组蛋白修饰、转录因子的作用等过程。
通过这些过程，细胞可以通过不同的信号产生不同的表达型，从而控制不同的命令和生命体特质。
基因表达与调控的重要性基因表达和调控的重要性，可以从以下两个方面来进行阐述：1、基因表达和调控与疾病相关：基因表达和调控的异常是导致人类常见疾病如癌症、心脏病等的重要原因之一。
如研究发现，胰腺癌的发展与多个基因的异常表达有关，DFS70是个锌指转录因子，它被克隆出来是因为它被发现与环境因素相关。
此外，调控因素介导的基因活性失调是癌症的主要发生原因之一。
2、基因表达和调控与细胞分化、发育相关：基因表达和调控，在细胞分化和发育中站着重要的地位。
这些过程与组织形成、器官发育密切相关。
例如，神经发育是一个非常复杂的过程，包括细胞命运的选择和承载，需要高度的基因表达和调控，这些重要的基因活性的调节，是维持生命体特征的基础。
分子遗传学基因表达的调控
The structural genes of the loc operon are transcribed into a single
polycistronic mRNA ,which is traslated simulated simultaneously by several
ribosmes into the three enzmes encoded by the operon.
2．Lac操纵子表示是在Lac阻遏物负调控下进行。在没有诱导物 时，Lac阻遏物通常抑制Lac酶产生。
分子遗传学基因表达的调控
第22页
*在操纵基因中发生突变时，即使有活性阻遏物存在，Lac
酶照常合成。这种突变称为操纵基因组成型突变OC（
constitutive）。
15-6 b 分子遗传学基因表达的调控
第23页
单倍体和杂合二倍体操纵基因突变体Lac酶合成情况
基因型
O+Z+Y+ O+Z+Y+ / FO+Z—Y+ OC Z+Y+ O+Z+Y— / FOCZ+Y+ O+Z+Y+ / FOCZ—Y+ O+Z—Y+ / FOCZ+Y— IS O+Z+Y+ / FI+OC Z+Y+
β－半
None IPTG －+ －+
分子遗传学基因表达的调控
第15页
二、I 基因
控制Lac酶可诱导性区域。
I+ 细胞只能在有一个诱导物存在时才能正 常合成Lac酶；
I－ 细胞不论诱导物存在是否都能合成Lac 酶，这种突变体称为组成型突变体（ constitutive mutant）。
真核生物基因的表达调控
细胞周期与基因表达
G1期
细胞在G1期主要合成与DNA 复制有关的蛋白质，如复制因 子等。
G2期
G2期细胞主要合成与分裂期有 关的蛋白质，如微管蛋白等。
细胞周期
真核生物细胞周期分为间期和 分裂期，不同时期基因表达DNA的复制，同 时合成组蛋白等与染色体组装 有关的蛋白质。
翻译和后翻译修饰
翻译
mRNA在细胞质中被核糖体读取并翻译成蛋白质。翻译的效率受到多种因素的 影响，包括mRNA的浓度、核糖体的数量、以及各种翻译调控因子。
后翻译修饰
新合成的蛋白质经常需要进行翻译后修饰，如磷酸化、乙酰化、糖基化等，以 增加其活性和稳定性。这些修饰通常由特定的酶催化，并受到细胞内环境和信 号通路的调节。
肾上腺素
02
03
甲状腺激素
肾上腺素可以激活糖原分解和脂 肪分解相关基因的表达，提高能 量供应。
甲状腺激素可以促进细胞代谢， 提高基础代谢率，同时还可以影 响神经系统的发育。
神经递质对基因表达的调控
多巴胺
01
多巴胺可以影响奖赏和愉悦相关基因的表达，与成瘾行为和心
理健康有关。
5-羟色胺
02
5-羟色胺可以影响情绪和行为，与抑郁症和精神分裂症等精神
染色质重塑
染色质重塑是基因表达调控的另一重要机制，通过改变染色质的结构和组成，影响转录因 子的结合和RNA聚合酶的活性。
microRNA的调节
microRNA通过与mRNA结合，调控靶基因的表达水平，参与多种生物学过程，如发育、 代谢和应激反应等。
02
转录水平的调控
转录因子
1 2 3
转录因子概述
葡萄糖
葡萄糖水平可以影响胰岛素的分 泌，进而影响与胰岛素相关的基 因表达。
遗传学中的基因表达调控机制
遗传学中的基因表达调控机制基因是生命活动的基本单位，其表达受到调控机制的影响。
基因表达是指基因序列信息转化为蛋白质的过程，而这个过程受到许多因素的调控，如转录因子、表观遗传修饰、非编码RNA等。
本文将介绍遗传学中的基因表达调控机制，包括转录因子、表观遗传修饰、非编码RNA以及其在生命活动中的重要作用。
一、转录因子转录因子是指能够结合特定DNA序列并影响基因转录的蛋白质。
转录因子通过与DNA上的启动子结合，调节启动子的活性，从而影响基因转录。
转录因子的结构主要包括DNA结合域、激活域、抑制域等。
其中，DNA结合域是转录因子特异性的结构域，决定了它对DNA上特定序列的结合。
激活域和抑制域则能够分别调节基因转录的增强和抑制。
在细胞发育和分化过程中，转录因子扮演着至关重要的角色，它们能够调控细胞的基因表达，从而使得细胞获得不同的形态和功能。
二、表观遗传修饰表观遗传修饰是指在没有改变DNA序列的情况下，通过改变某些化学基团的状态（如甲基化、磷酸化、酰化等），对染色质结构和功能进行调控的过程。
表观遗传修饰能够改变染色质状态，如染色体区域的紧密程度、核小体的组装等，进而影响转录和DNA复制等过程。
表观遗传修饰在个体发育和疾病等方面发挥着重要作用，一些疾病的发生与表观遗传修饰紊乱有关。
三、非编码RNA非编码RNA指的是不能翻译成蛋白质的RNA分子，其作用与编码蛋白质的mRNA不同。
非编码RNA通过与RNA、DNA或蛋白质作用，影响基因转录与表达等过程。
非编码RNA在基因调控、发育、免疫反应及某些疾病中发挥着重要作用。
例如，microRNA能够与目标mRNA产生互补配对并降解或抑制其翻译，从而调控基因表达；长链非编码RNA则能够作为橘子梨来结构转录因子和其他调控因子的复合物，进而影响基因表达。
四、基因表达调控在生命活动中的作用基因表达调控在生命活动中发挥着重要作用。
在单细胞和多细胞生物中，基因表达调控可调节细胞分化、特化和细胞死亡等生命过程。
基因表达调控的遗传学机制
基因表达调控的遗传学机制基因表达调控是指生物体内基因的表达被调节的过程，包括转录水平、翻译水平和后续的调控。
基因表达调控的机制非常复杂，包括不同的调控因子和调控路径。
此外，调控机制还因物种、个体、环境因素等而异。
本文将对基因表达调控的遗传学机制进行综述。
一、表观遗传调控表观遗传调控是指通过对基因的染色质结构和化学修饰进行调节来控制基因表达。
最常见的表观遗传调控包括DNA甲基化和组蛋白修饰。
1. DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA分子上加入甲基基团，这种修饰通常发生在Cytosine-Guanine配对（CpG岛）上。
CpG岛是由大量的CpG位点构成的、高度甲基化的DNA区域，位于基因起始区域附近。
DNA甲基化可以导致DNA紧密缠绕成紧密的染色体结构，这些结构通常是DNA的复制和转录的障碍。
在胚胎发育过程中，DNA甲基化水平通常较低，而随着体细胞分化、成熟和老化，DNA甲基化水平逐渐升高。
未成熟细胞和癌细胞中常见的一个现象是全局DNA甲基化下降。
此外，许多研究已经证明，DNA甲基化的变化与临床病症有很大关系，如肺癌、前列腺癌等。
因此，DNA甲基化是基因表达调控的重要机制之一。
2. 组蛋白修饰组蛋白修饰是指对组成染色质的主要蛋白质组蛋白进行化学修饰，从而影响基因的表达。
组蛋白通常是由多个氨基酸组成的，其中一些氨基酸可以被磷酸化、乙酰化或甲基化。
这些修饰可以影响组蛋白的结构和形态，进而影响染色质的紧密程度和基因的转录。
例如，乙酰化组蛋白常常与高基因表达相关联。
此外，未甲基化的组蛋白H3K27与基因的表达相关联。
组蛋白修饰的变化已经在多种疾病中被证明与病理生理过程有关。
二、转录因子调控转录因子是一类可以结合到DNA上的蛋白质，它们可以促进或抑制特定基因的转录过程。
转录因子调控机制是基因表达调控的关键机制之一。
在转录因子的作用下，DNA序列上的展开区域会被打开，从而允许RNA聚合酶结合并开始基因转录。
转录因子可以通过多种方式来调节基因的表达。
第十四章基因表达调控RegulationofGeneExpression
Chapter 14 Regulation of
Gene Expression
通过基因表达，DNA中的遗传信 息即可用以决定细胞的表型和生 物形状。但是，基因的表达随着 组织细胞及个体发育的阶段的不 同，随着内外环境的变化的不同， 而表现为不同的基因的表达。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
原核生物中的反式作用因子主 要分为特异因子、激活蛋白和 阻遏蛋白；
而真核生物中的反式作用因子 通常称为转录因子。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
3．顺式作用元件与反式作用因子 之间的相互作用：
RegulationofGeneExpression
（二）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。
（二）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。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
二、基因表达的时间性及空间性
（一）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。
遗传学中的基因密码与表达调控
遗传学中的基因密码与表达调控在生物学中，遗传学是一个十分重要的分支，是研究遗传物质如何传递和影响个体性状的学科。
而在遗传学中，基因是起着至关重要的角色的一个概念。
基因是DNA的一个片段，是一种遗传信息的储存和传递单位。
在基因中，包含着生物体遗传信息的大部分内容，是组成生命体的最基本元素之一。
因此，基因也是遗传学中的一项关注焦点。
基因编码的方式基因可以看作是一个密码，它通过不同的序列编码着生物体的性状。
而这个密码序列是如何被编码出来的呢？其实，这个过程就类似于计算机编程中，通过一系列的指令来实现数据处理等功能。
在基因编码中，基因密码序列是由不同的碱基组成的，而这些碱基则是基因密码得以被“翻译”为蛋白质的基础。
具体来说，基因密码是由四种不同的碱基组成的：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(C)、胞嘧啶(G)。
而这些碱基可以按照不同的顺序排列，从而形成了不同的基因密码。
这些基因密码则会由细胞内的蛋白质进行“解码”，进而“翻译”为一系列蛋白质序列。
而这些蛋白质序列则是构成生物体组织、器官和代谢功能的最基本元素。
表达调控但是，不同的基因密码序列并不一定会被完全解码并“翻译”为蛋白质序列。
在生物进化过程中，自然选择会不断筛选和优化不同基因的适应性，使得不同的基因在不同的生物体内，表现出不同的调控方式。
这些调控方式就是表达调控。
表达调控是指在基因编码中，某些基因所代表的生物体性状，并没有被完全表现出来。
其原因是这些基因的碱基序列在细胞内被“调控”，进而被“沉默”或者“启动”。
这样一来，不同的基因序列就能够被细胞自主地选择性表达，进而实现组织、器官和代谢功能的差异化表现。
表达调控的机制十分复杂，从基因转录、RNA后修饰，到蛋白质翻译等发生了多个环节的调控。
在这些环节中，存在着一系列的转录因子、调节元件和RNA分子等物质，通过相互作用和调节，实现了基因序列的不同表达模式。
总结一下，遗传学中的基因密码与表达调控，分别是研究生物体基本结构和功能的两个重要方面。
遗传学研究中的基因突变与表达调控
遗传学研究中的基因突变与表达调控在遗传学的研究中，人们常常关注基因突变与表达调控之间的关系。
基因突变是指基因序列发生改变，而表达调控则是指基因在不同细胞类型和环境条件下的表达水平的调节。
这两者的相互作用是遗传学研究中的重要课题。
首先，基因突变是遗传变异的主要来源之一。
生物体的基因组由大量的基因组成，每个基因都包含着特定的遗传信息。
基因突变指的是基因序列发生变化，可能涉及单个碱基的改变、插入或删除，也可能涉及更大范围的基因组结构变化。
这些突变可能导致基因功能的改变，进而对个体的遗传特征产生重大影响。
因此，研究基因突变对于理解遗传变异的形成和生物多样性的维持具有重要意义。
然而，基因突变并不总是导致遗传特征的改变。
在很多情况下，基因突变可能是“静默”的，即对个体的表型没有显著影响。
这时，表达调控扮演着关键角色。
表达调控是指基因在不同细胞类型和环境条件下表达水平的调节。
通过调控基因的转录、剪接、翻译和降解等过程，细胞能够根据需要合理分配基因产物。
这样，即使基因发生突变，细胞仍然可以通过表达调控来保持一定的功能。
基因突变与表达调控之间存在紧密联系，二者相互作用。
一方面，基因突变可以导致表达调控的改变。
例如，基因突变可能发生在调控序列上，使得调控因子无法结合或识别，从而导致基因的表达水平发生变化。
此外，突变也可能发生在转录因子或RNA结构上，进一步改变基因表达的调控。
另一方面，表达调控也可以影响基因突变的表现。
即使发生了基因突变，通过表达调控的调节，细胞可以弥补基因突变对功能的影响，保持正常的表型。
近年来，高通量测序技术的发展为对基因突变与表达调控的研究提供了强有力的工具。
通过大规模测序，研究人员可以快速、准确地鉴定基因突变，并对基因的表达进行全面的分析。
这种综合分析有助于我们更好地理解基因突变与表达调控之间的关系。
例如，在人类基因组计划（Human Genome Project）的研究中，研究人员发现了大量的基因突变与多种常见疾病的关联。
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遗传学第十四章基因表达调控
小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA， PPTmRNA）的不同剪接
遗传学第十四章基因表达调控
（二）大肠杆菌乳糖操纵子的负调控 1961，法国F.Jacob和J.Monod提出
乳糖操纵子学说（operon hypothesis).
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
野生型乳糖操纵子（I+O+Z+Y+A+）的负调控 作用
lacIs：该突变的效应与lacI-相反，产生的阻遏物分子不 能与乳糖相互作用，而是连在操纵基因序列上，使结构基 因转录关闭。
遗传学第十四章基因表达调控
2、部分二倍体分析
将带调节基因的Fˊ导入E.coli F- 细胞，构建不
同组合的部分二倍体，比较在乳糖存在或没有乳
糖时，野生型和突变型基因的活性。
启动子；近启动子；增强子和沉默子。 （2）转录调节蛋白（反式作用因子）
转录因子；激活因子；铺激活因子；阻遏物。
遗传学第十四章基因表达调控
2、染色质修饰与基因表达 DNA甲基化与基因组印迹。
如小鼠基因组中 IGF-Ⅱ基因。
遗传学第十四Βιβλιοθήκη 基因表达调控（二）转录后水平的调控
1、选择性剪接
如 小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA，PPTmRNA）的不同剪接
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
3、调节基因I的功能及其产物分析 （1）调节基因I的功能 P328 表14-1 （2） lac阻遏物的晶体结构分析
◇阻遏物单体。 ◇阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA
片段。
遗传学第十四章基因表达调控
阻遏物单体
遗传学第十四章基因表达调控
第十四章 基因表达的调控
一、原核生物基因表达的调控
（一）大肠杆菌乳糖操纵子的调控机制 1、大肠杆菌对乳糖的利用和酶诱导 诱导作用（induction) 可诱导系统（inducible system) 与乳糖分解利用相关的酶： β-半乳糖苷酶(Z)；半乳糖透性酶(Y)； 硫代半乳糖苷转乙酰基酶(A).
◆ 细胞中没有乳糖时，阻遏物连到操纵基因上， 阻断转录，没有酶产生。 ◆ 细胞中有乳糖时，乳糖与阻遏物连接，诱导转 录，产生相应的酶。
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
（三）建立乳糖操纵子模型的相关实验分析
1、相关突变体 （1）结构基因本身改变的突变体 Z+ : 能合成β-半乳糖苷酶 Z- : 不能合成β-半乳糖苷酶 （2）组成型突变体
遗传学第十四章基因表达调控
2、反式剪接
遗传学第十四章基因表达调控
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遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
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遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
二、真核生物基因表达调控 （一）真核生物基因转录水平调节 1、真核基因转录调节中的两种主要成分 （1）顺式调节元件
遗传学第十四章基因表达调控
（四）乳糖操纵子的正调控 大肠杆菌的葡萄糖效应
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
二、色氨酸操纵子中基因表达时的衰减作用 （一）色氨酸操纵子的结构
编码色氨酸合成相关的五个基因trpE,trpD, TrpC,TrpB,trpA；在这五个结构基因上游有启动 区和操纵基因（trpO）；在第一个结构基因trpE 和trpO之间，有一长达160bp的核苷酸序列，称为 前导序列（L），其中含一段衰减子（A）区段。
没有诱导物存在，也能进行酶合成的突变型。 多发生在I基因和O基因上。
遗传学第十四章基因表达调控
lacI-：该组成型突变使阻遏物发生改变，不能连到操纵基 因区，结构基因总是处于开放状态。 lacOc：该组成型突变使操纵基因的DNA序列发生改变， 不能与正常的阻遏物分子连接，结构基因处于转录状态。
（3）超阻遏物突变体 突变株丧失合成结构基因产物的能力。
阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片段
遗传学第十四章基因表达调控
遗传学第十四章基因表达调控
4、操纵基因（O）的确定 操纵基因序列的突变将导致阻遏物不能识别
和结合到该部位上。从而造成乳糖利用物质继续 合成。
如何识别突变体Oc和I- 。部分二倍体实验。
5、启动子 RNA聚合酶识别和结合部位： -10区： 序列特征 5’-TATGTT-3’ -35区： 序列特征 5’-TTTACA -3’