第十三章基因结构与基因表达调控
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。
第十三章 真核生物基因表达调控
在染色质中的DNA潜在活性区域核小体组装较为
松弛且某些位点用DNaseⅠ处理时DNA极易断裂，
为高敏感位点（HS）
染色质上对DNaseⅠ的敏感区域有一定的界限 即使在一个基因内，各个区段对DNaseⅠ敏感
程度也不同，基因编码转录大范围表现一般 的敏感性，而在基因调控区的少数区域则显 示高度敏感性
真 核 生 物 基 因 表 达 调 控 七 个 层 次
染色质 DNA 染色质水平调控
DNA
转录调控
细胞核 细胞质
转录初产物 （RNA） 转录后加工调控
转运调控
mRNA
翻译调控
蛋白质前体
翻译后加工调控
mRNA降 解物
mRNA降解调 控
活性蛋白质
三、染色体水平上的调控
主要有：
染色质结构
DNA在染色体上的位臵
人的β-珠蛋白基因簇上、下游两个远侧区域就是 超敏感位点 LCR是一种远距离顺式调控元件（基因座调控区）， 具有增强子和稳定活化染色质的功能，也是特异 性反式调控因子的结合位点
组蛋白的乙酰化能使染色质对DNaseⅠ和微球
菌核酸酶的敏感性显著增强
非组蛋白
与染色质松散结合，或者在某些条件下才能
被阻遏状态
有活性状态
被激活状态
异染色质化
— DNA结构高度致密，处于阻
遏状态，无转录活性
组成型异染色质：染色质在整个细胞周期一直
保持压缩状态，不具转录活性
兼性异染色质：只在一定的发育阶段或者生理
条件下由常染色质凝聚而成，无持久活性
组蛋白对基因活性的影响
是基因活性的重要调控因子，当与裸露DNA混
普通遗传学第十三章 基因组学
PubMed
Entrez
BLAST
OMIM
Books
TaxBrowser
Structure
Site Map Guide to NCBI resources About NCBI An introduction for researchers, educators and the public GenBank Sequence submission support and software Literature databases PubMed, OMIM, Books, and PubMed Central
Figure XU78-1第一个同源连锁群
二、物理图谱
由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不 A 高，所以还要构建物理图谱
chal B glkl chal his4 SUP53 leu2 pgkl pgkl pet18 cryl MAT thr4 SUP61 pet18 Cryl MAT thr4 SUP61
四、基因组图谱的应用
1、基因组序列测定 2、基因定位 3、基因的克隆与分离 4、分子标记辅助选择 5、比较基因组研究
Derivation of genome trees from comparative analyses of complete genomes
第三节 生物信息学
1、生物信息学 (Bioinformatics) 采用计算机技术和信息论方法对蛋 白质及其核酸序列等多种生物信息 采集、加工、储存、传递、检索、 分析和解读，旨在掌握复杂生命现 象的形成模式和演化规律的科学。
植物基因组遗传图谱的构建:
P1 ×P2
选择亲本 P3 ×F1 产生构图群体 遗传标记的染色体定位 F2 三交群体 标记间的连锁分析
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 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D、肿瘤细胞来源于正常细胞，但是多表现为去分化3、抑癌基因的作用是（）。
A、抑制癌基因的表达B、编码抑制癌基因的产物C、编码生长因子D、编码细胞生长调节因子。
4、下列由奢侈基因编码的蛋白是（）。
A、肌动蛋白B、膜蛋白C、组蛋白D、血红蛋白5、关于细胞分化的分子生物学机制，下列说法不正确的是（）A、细胞表型特化的分子基础是特异性蛋白质的合成B、已经分化的细胞仍旧具有全能性C、细胞分化是基因选择性表达的结果D、细胞分化的选择性表达是在mRNA水平上的调节6、细胞分化过程中，基因表达的调节主要是（）水平的调节A、复制B、转录C、翻译D、翻译后7、癌细胞的最主要和最具危害性的特征是（）。
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
第十三章 基因表达调控
第十三章基因表达调控一、选择题A型题1、基因组指A、一个细胞中所携带的全部遗传信息或全套基因B、一个细菌中所携带的全部遗传信息或全套基因C、一个细胞或病毒中所携带的全部遗传信息或全套基因D、一个细菌或病毒中所携带的全部遗传信息或全套基因E、一个细胞或细菌中所携带的全部遗传信息或全套基因2、关于管家基因的叙述不正确的是A、基因的产物对生命的全过程必不可少B、此类基因在生物个体的几乎所有细胞中持续表达C、较少受环境的影响D、可被某些小分子化合物诱导E、只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响3、基因表达的基本控制点是A、基因结构的活化B、转录起始C、转录后的加工D、翻译E、翻译后的加工4、关于操纵序列叙述错误的是A、与启动序列相毗邻或接近B、与启动序列常相交错、重叠C、是原核阻遏蛋白的结合位点D、与阻遏蛋白结合时介导负性调节E、与诱导剂结合时介导负性调节5、细菌能利用乳糖的原因：A、细菌中一直表达利用乳糖的酶B、乳糖直接与阻遏蛋白结合而诱导利用乳糖的酶的合成C、半乳糖直接与阻遏蛋白结合而诱导利用乳糖的酶的合成D、葡萄糖与阻遏蛋白结合而诱导利用乳糖的酶的合成E、基因突变的结果6、关于CAP不正确的是A、是同二聚体B、有DNA结合区C、有cAMP结合位点D、CAP与Pribnow盒结合介导正性调节E、葡萄糖能使细胞中的cAMP浓度下降，而使CAP的功能丧失7、对真核基因表达调控的特点描述正确的是A、负性调节为主B、转录与翻译在同一亚细胞区域C、转录后没有加工修饰D、活性染色体的结构不发生改变E、正性调节为主8、基本转录因子指A、为个别基因必须B、是RNA聚合酶结合启动子所必须的一组蛋白因子C、起转录激活作用的一类因子D、起转录抑制作用的一类因子E、增强转录的一类因子9、不参与真核PIC的是A、RNA聚合酶B、TFⅡDC、TFⅡBD、σ因子 B、TFⅡA10、细菌热休克反应的机制是由于A、细菌σ因子的改变B、启动序列突变C、RNA聚合酶α亚基的改变D、mRNA寿命延长E、核糖体结构改变X型题1、基因表达的时间和空间特异性与下列哪些因素有关A、启动子（启动序列）B、增强子C、调节蛋白D、结构基因E、mRNA2、乳糖操纵子的调控机制包括A、负性调节B、正性调节C、转录衰减D、基因重组E、协调调节3、基因表达规律性可表现为A、组织特异性B、细胞特异性C、阶段特异性D、时间特异性E、空间特异性4、活性染色体的结构变化有A、对核酸酶敏感B、DNA拓扑结构改变C、DNA碱基修饰改变D、组蛋白变化E、DNA重排5、属于负性调节的因素有A、沉默子B、增强子C、Lac阻遏蛋白D、Trp阻遏蛋白E、分解代谢物基因激活蛋白CAP二、名词解释1、诱导与阻遏(induction and repression)2、顺式作用元件与反式作用因子(cis-acting element and trans-acting factor)3、操纵子(operon)4、RNA干涉(RNA interference，RNAi)5、多顺反子与单顺反子(polycistron and monocistron)6、增强子与沉默子(enhancer and silencer)7、启动子 (promoter)三、综合思考题1、乳糖操纵子中，操纵序列发生突变产生什么样的生物学效应及可能的机制。
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。
2 基因的结构与功能
DNA
a
A
b
mRNA
蛋白质A
A
反式作用因子:通过直接结合或间接作用于顺式作 用元件上对基因表达起调节作用的酶或蛋白质因 子。
碱基位置的描述
转录起点是指结构基因上与新合成RNA链第一个核
苷酸相对应DNA链上的碱基，研究证实通常为一
个嘌呤。
转录起点
5 -20
-10
+1
+10+20 3来自上游 upstream
6）. Poly(A) 信号
一些基因除了具有可以调控转录起始的序列外 ，在结构基因的3’端下游还有加尾信号，由 AATAAA序列和GC丰富区，或T丰富区组成。
作用：终止mRNA转录和为其加上Poly(A) 尾。 Poly(A)尾的作用：①可能有助mRNA从核到细胞
质转运；②避免在细胞中受到核酶降解，增强 mRNA的稳定性。
殊的DNA序列，某些具有转录激活作用 的正调控蛋白可以识别并结合这种DNA 序列，加快转录的启动。
5）增强子
增强子(enhancer)是可以增强真核基因启动 子的工作效率的顺式作用元件，是真核生 物基因中最重要的调控序列，决定着每一 个基因在细胞内的表达水平。
它的位置往往不固定，可存在于启动子上 游或下游 。一般位于转录起始点上游－ 100～－300 bp处。
➢反式调节（trans-regulation）：由某一基因表达 产生的蛋白质因子，对另一个基因的表达具有调 控作用，则被称为反式调节。
反式作用因子(trans-acting factors)：是通过直接 结合或间接作用于DNA、对基因表达发挥不同作用（激活 或抑制）的各类蛋白因子。如：阻遏蛋白等。
反式调控
基因调控序列的调控方式
细胞分化与基因表达调控
受精卵内具有个体发育的全部遗传信息,个体是细胞在生长与分裂的基础上，经不断分化发育而来。
第十三章细胞分化与基因表达调控●细胞分化●干细胞●癌细胞●真核基因表达调控思考1.细胞分化是否意味着细胞中遗传物质发生改变？为什么?遗传物质没有改变，不同组织的细胞共同来源于受精卵，经有丝分裂产生。
如果只有细胞增殖，没有细胞分化，就只能形成一细胞团，而不能形成人体。
思考2. 同样来自一个受精卵，且每个细胞都携带有相同的遗传信息，为什么还会出现差异?细胞分化的关键：由于基因的选择性表达，合成特异性蛋白质，导致形态、结构和功能各异的细胞。
分化的主要标志：细胞内开始合成新的特异性蛋白质。
细胞分化是个体行使正常功能的保证。
●本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞能行使不同的功能（分工）；●核心：基因是如何有序表达的？（调控）。
第一节细胞分化与个体发育一、基本概念细胞分化（c e l l d i f f e r e n t i a t i o n）：●在个体发育中，由同一种类型的细胞经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。
●是个体发育的基础和核心。
血红蛋白由四条链组成，两条α链和两条β链，每一条链有一个包含一个铁原子的环状血红素。
氧气结合在铁原子上，被血液运输。
二、细胞分化的特点１．稳定性：即在正常生理条件下，细胞的分化状态一旦确定，将终生不变，既不能逆转也不能互变。
如：离体培养的上皮细胞，始终保持为上皮细胞，而不会变成其他类型的细胞。
2、去分化：在特定条件下，高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化(dedifferentiation) 。
1958年Steward用胡萝卜根培养出完整的新植株，说明已经高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化或称脱分化，然后通过再分化形成根茎，最终发育成完整的新植株。
3、转分化和再生4、细胞分化具有时间性和空间性●单细胞生物：时间性●多细胞生物：时间性＋空间性●时间性：指不同的发育时间内细胞之间的差异。
大学生物遗传学：第十三章基因表达调控2
2020/9/25
（三）、方式
基本表达
对刺激反应小
适应性表达（诱导或阻遏） 对刺激反应大
1．基本表达（组成性基因表达）
a.定义：不易受环境变化影响的基因表达。
即管家基因表达
•
管家基因：在机体所有细胞中持续表达的基因;
•
表达产物是整个生命过程中都持续需要的
。
•
即进行基本表达的基因。
• b. 影响因素：
•
b. 结构、作用：
•
编码序列
转录的mRNA为多顺反子
•
（结构基因）
•
启动序列
RNA-pol识别、结合部位
•
操纵序列
阻遏蛋白结合部位，控制
•
转录的开关,负调节
•
其它调节序列 激活蛋白结合部位,正
• 2020/9/25
调节
• （2）、真核生物
•
顺式作用元件
•
a.定义：是指真核生物DNA分子中参与基因
lacZ 编码半乳糖苷酶 lacY 编码半乳糖苷通透
lacA 编码已酰基转移酶
• 2．调节
•
方式
•
负性调节 正性调节
协调调节
• （1）负性调节 (阻遏蛋白控制） 图
•
乳糖 无：阻遏蛋白结合操纵序列，抑制转录。
•
有：阻遏蛋白结合乳糖，不能结合
•
操纵序列， 转录开启。（去阻遏）
• （2）正性调节 （CAP控制）
•
RNA-pol活性最终体现转录调节情况。
•
影响因素：启动子
•
调节蛋白
•
a.启动子：影响DNA与RNA-pol的亲和力，
•
进而影响转录频率。
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。
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。
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。
26．基因表达的方式有____和____。
27．可诱导和可阻遏基因受启动子与＿相互作用的影响。
28．基因表达调控的生物学意义包括____ 、____。
29．操纵子通常由2个以上的＿序列与____序列,____序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。
30．真核生物基因的顺式作用元件常见的有____ 、____ 、____。
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2019年5月19日
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HGP主要任务及内容
2019年5月19日
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•通过HGP获得的广泛基因组信息组成了结构基 因组学的基本内容，是开展功能基因组学的 研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因 遗传病提供“平台”，并将成为复杂的多基 因遗传病研究的发端
2019年5月19日
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多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。
2019年5月19日
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（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)
2019年5月19日
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功能基因组学研究策略及主要内容
2019年5月19日
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*比较基因组学
比较基因组学(comparative genomics) 涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入 理解每个基因组的功能和进化关系。
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二.基因组学与医学关系
调控基因 控制位点
I
PO
结构基因
Z
YA
阻 遏 蛋 白
cAMP-CAP 结合位点
启操 动纵 序序 列列
半 乳 糖 苷
RNA聚合酶 酶
结合位点
β
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通乙 透酰 酶基
转
移 酶
DNA
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细菌代谢酶的诱导
葡萄糖
细菌合成代谢葡萄糖的酶类
乳糖
2019年5月19日
细菌合成代谢乳糖的酶类
指的是反式作用因子与顺式作用元件之 间的特异识别及结合。通常是非共价结合， 被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全 对称结构
绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过 蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer) 或多聚体(polymer)
2019年5月19日
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3. RNA聚合酶
2019年5月19日
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一、乳糖操纵子(lactose operon)
• 操纵子（operon）：
原核生物中几个功能相关的结构基因成
簇串联排列组成的一个基因表达的协同 单位（DNA序列）. 一个操纵子 =编码序列（2-6）
+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)
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启动po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
2019年5月19日
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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
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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
The Relation between Genomics and Medicine
2019年5月19日
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*基因病的概念
以基因组学为基础，从疾病和健康的角 度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因 相关，故有“基因病”概念产生。根据这一 概念，人类疾病大致分为三类：
（一）单基因病 （二）多基因病 （三）获得性基因病
这种调节作用称为反式作用
还有蛋白质因子可特异识别、结合自 身基因的调节序列，调节自身基因的表达， 称顺式作用
2019年5月19日
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DNA
mRNA 蛋白质A
C
a
A c
顺式调节
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C
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反式调节
A
B
DNA mRNA
蛋白质C
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2. DNA - 蛋白质 的相互作用 蛋白质-蛋白质
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。
基因表达是受调控的
2019年5月19日
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3
基因组学
Genomics
2019年5月19日
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4
基因组学概念
基因组学(genomics) 就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及
第十三章
基因结构与基因表达调控
Gene Structure and Expression
生化教研室：牛永东
2019年5月19日
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第一节 基因与人类基因组计划
Gene and Human genome project, HGP
2019年5月19日
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一、基因组及表达的概念
* 基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或
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• 乳糖操纵子的发现： 细菌以葡萄糖为能量来源 葡萄糖充分时：
与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达 与其他糖代谢有关的酶基因---关闭 葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）： 与乳糖代谢有关的酶基因 ---表达 与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭
2019年5月19日
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（一）乳糖操纵子（lactose opron） 结构
计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基 因组结构及功能。
2019年5月19日
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基因组学包括： 结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学(functional genomics) 比较基因组学(comparative genomics)
2019年5月19日
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2019年5月19日
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四、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)
2019年5月19日
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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)
TATAAT
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共有序列
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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
2019年5月19日
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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。
2019年5月19日
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*基因组学与肿瘤病因学 *基因组学与流行病病因学 *基因组学与医学伦理、法律和社会问题
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三、基因表达的时间性及空间性
（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)。
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β
细菌对乳糖的利用及其相关的酶:
半
乳糖 (在通透酶作用下进入细菌）
乳
β半乳糖苷酶
糖 苷
（细菌中少量存在）
酶
别位乳糖
（ 细
β半乳糖苷酶
菌 中
（细菌中少量存在）
少 量
葡萄糖+半乳糖
存
在
）
转乙酰基酶--功能未详
2019年5月19日
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（二）Lac阻遏物的作用---负调控
• Lac阻遏物 • 由基因I编码生成的蛋白质
2019年5月19日
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*疾病相关基因的鉴定
（一）检测人类基因变异或突变 （二）疾病时基因组差异表达分析 （三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆
2019年5月19日
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17
寡核苷酸杂交分析 SNP和等位基因特异 寡核苷酸杂交
2019年5月19日
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DNA芯片检测的差异表达谱
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*结构基因组学
•结构基因组学(structural genomics)是通过 HGP的实施来完成的。
•HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和 物理图，最终完成人类和其它重要模式生物 全部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构 基因组学范畴。
2019年5月19日
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HGP包括： （一）物理制图 （二）遗传制图 （三）基因组DNA序列测定 （四）创建计算机分析管理系统
是RNA聚合酶结合并启动转录 的特异DNA序列。
-10区
RNA转录起始
N17 TTAACT
N7
A
N16 TATGAT
N7
A
lac
TTTACA
N17 TATGTT
N6
A
recA TTGATA