基因表达调控
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。
生物化学 5-基因表达调控
个基因或一些功能相近的基因表达（生物体内基因表达）的开启、
关闭和表达强度的直接调节。
它是生物在长期进化过程中逐渐形成的精确而灵敏的生存 能力和应变能力，是生物赖以生存的根本之一。
二、基因表达的方式
（一）组成性表达(constitutive gene expression)
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表 达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的， 这类基因可称为管家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少
性。
• 当有葡萄糖存在时， cAMP浓度较低， cAMP与CAP 结合受阻，lac操纵子表达下降。
（4）协调调节
Lac阻遏蛋白负性调节与cAMP正性调节两种机制协调合作 • 无乳糖，无诱导物时，转录作用被I表达的阻遏蛋白所阻断。 • 有诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合，使其变构，从操纵基
因上解离出来。
调节基因
β －半乳糖苷酶
2、阻遏蛋白 的负性调节
没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻
遏状态。I序列表达的lac阻遏蛋白与
O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序 列结合，抑制转录启动。
有乳糖存在时，lac 操纵子可被诱导。
别乳糖作为诱导剂分子结合阻遏 蛋白，使蛋白构象变化，导致阻 遏蛋白与O序列解离，发生转录
基因产物特异识别、结 合其它基因的调节序列， 调节其它基因的开启或
关闭称为反式调节
基因产物特异识别、 结合自身基因的调 节序列，调节自身 基因的开启或关闭 称为顺式调节
DNA
a
A A
反式调节
b
mRNA
蛋白质A
C
c
DNA
mRNA
顺式调节
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。
基因表达调控的机制与意义
基因表达调控的机制与意义基因表达调控是指在生物体内，通过多种机制控制基因的表达水平和模式，以适应环境变化和细胞功能需求的过程。
它对生物体的正常发育、生长、繁殖以及维持内稳态发挥着重要的作用。
本文将探讨基因表达调控的机制以及其意义。
一、转录水平的调控基因的转录过程是基因表达的第一步，是决定基因表达水平的重要环节。
转录水平的调控主要包括转录起始位点的选择、转录因子的结合和RNA聚合酶以及辅助因子的调控等。
1. 转录起始位点的选择转录起始位点的选择决定了基因是否会被转录为mRNA。
在真核生物中，转录起始位点的选择受到甲基化和组蛋白修饰等因素的调控。
2. 转录因子的结合转录因子是一类可以结合到DNA上的蛋白质，它们通过与DNA特定的序列结合，激活或抑制转录过程。
转录因子的结合位点可以位于基因的启动子区域或增强子区域等。
3. RNA聚合酶和辅助因子的调控RNA聚合酶是负责合成mRNA的酶，而辅助因子能够增强或抑制RNA聚合酶的活性。
这些调控因子可以调节RNA聚合酶的结合和释放以及聚合酶的运动速率等。
二、转录后修饰的调控转录后修饰是指在mRNA合成后，对mRNA分子进行修饰或处理的一系列过程。
转录后修饰对mRNA的稳定性、转运、翻译和后续功能发挥起着重要作用。
1. RNA剪接RNA剪接是指通过剪接反应将mRNA前体分子中的内含子切除，将外显子连接起来的过程。
这种调控可以产生多个不同的成熟mRNA 剪接体，实现一个基因多个蛋白质产物的编码。
2. RNA修饰RNA修饰是指对mRNA分子中碱基或糖基进行甲基化、硫基化和腺苷二磷酸核苷酸的修饰等。
这些修饰可以影响mRNA的稳定性、转译效率以及与其他分子的相互作用。
三、表观遗传调控表观遗传调控是指通过改变染色体结构和染色质状态，影响基因的转录水平和表达模式的一系列调控过程。
表观遗传调控包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等。
1. DNA甲基化DNA甲基化是指通过在DNA分子上加上甲基基团，来调控基因的转录水平。
基因表达的调控
基因表达的调控基因表达的调控是生物体中基因活动的一个重要过程，通过调控基因的表达水平，维持细胞的功能和稳态。
基因表达调控涉及多个层次，包括转录水平、转译水平和后转录水平等。
下面将对这些层次的基因表达调控进行详细介绍。
一、转录水平调控转录水平调控指的是通过调节基因的转录过程来控制基因表达的水平。
主要的调控方式包括转录激活和转录抑制。
转录激活因子可以与DNA结合，促进转录因子的结合，从而增强转录过程，而转录抑制因子则能够与DNA或转录因子结合，阻碍转录的进行。
此外，染色质的结构也会对基因的转录起到重要的调控作用，如DNA甲基化、组蛋白修饰等都可以改变染色质的状态，进而影响基因的表达。
二、转译水平调控转译水平调控是指调控基因的转录产物（mRNA）的转译过程。
在细胞中，mRNA需要被翻译成蛋白质才能发挥作用。
转译的调控主要包括转录后修饰和mRNA降解两个方面。
在转录后修饰中，mRNA会经历剪接、剪接调控、RNA编辑等多个步骤，来改变它的结构和功能。
而mRNA降解则通过一系列核酸酶的作用，将mRNA降解成短的片段，从而控制基因的表达。
三、后转录水平调控后转录水平调控是指基因表达的调控发生在转录和转译之后的过程。
在这个阶段，蛋白质会经历一系列的修饰和定位过程，以实现其特定的功能。
这些修饰包括糖基化、磷酸化、乙酰化等，它们可以改变蛋白质的稳定性、定位和相互作用等性质。
此外，许多蛋白质需要通过蛋白酶的作用进行裂解，形成活性的多肽或蛋白质片段。
总结起来，基因表达的调控是一个复杂而精细的过程，涉及多个层次的调控机制。
通过转录水平的调控，可以控制基因的转录过程和染色质的结构状态；通过转译水平的调控，可以调节mRNA的转译和降解过程；而后转录水平的调控，则调节了蛋白质的修饰和定位等过程。
这些调控机制相互作用，共同维持了细胞内基因表达的平衡，保证了生物体的正常功能。
基因表达的调控不仅对细胞发育和生理功能具有重要的影响，还与疾病的发生和进展密切相关。
基因的表达调控
第十三章基因表达调控一．基因表达是指基因转录及翻译的过程。
1.基因是负载特定遗传信息的DNA片段。
cDNA习惯上也称为基因，无内含子遗传学：遗传的基本单位，含有编码一种RNA（多数也指多肽）的信息单位；分子生物学：负载遗传信息的DNA片段。
结构包括：内含子、外显子和调控序列。
2.基因组是一个生物体的整套遗传信息；即一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。
3.基因表达是基因转录及翻译的过程；即在一定调控机制下，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或产生RNA的过程。
二．基因表达具有时间特异性及空间特异性。
1.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。
2.多细胞生物从受精卵到个体，有不同的发育阶段。
在每一个阶段都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启和关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。
3.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。
4.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。
三.基因表达的方式及调节存在很大差异。
1.基因表达调控：细胞或生物体在接受环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制。
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：组成性表达、诱导或阻遏表达。
2.基本（或组成性）表达：（只受RNA聚合酶和启动子相互影响，不受其他机制调节）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)。
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。
3.诱导和阻遏表达（适应性表达）：（除受RNA聚合酶和启动子相互影响，还受其他机制调节）与管家基因不同，大多数基因表达受环境信号影响。
基因表达调控
第一节 基因表达调控的基本原理
目录
一、基因表达的基本方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
1、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)。无论表达水平高低，管家基因较少受环 境因素影响，这类基因表达被视为组成性基因 表达。
（一）调控序列（顺式作用元件）
可影响自身基因转录活性的DNA序列。
调控序列
顺式作用元件 启动子
结构基因
RNA-pol等
反式作用因子
调节蛋白
目录
1. 启动子
真核基因启动子是RNA聚合酶结 合位点周围的一组转录控制组件，至 少包括一个转录起始点以及一些功能 组件。如TATA盒。
目录
2. 增强子(enhancer)
目录
目录
六、转录后加工水平的调控 七、翻译水平的调控
目录
小结
1. 基因表达和基因表达调控的概念 2. 基因表达调控的多级调控模式 3. 转录起始调节的要素
顺式作用元件与反式作用因子 4.操纵子概念及乳糖操纵子调控机理
目录
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)。属于蛋白质蛋白 质相互作用.
目录
1. 调节蛋白分类
通用转录因子(general transcription factors) 是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋
白 因 子 ， 决 定 三 种 RNA(mRNA 、 tRNA 及 rRNA)转录的类别。TFⅠ、Ⅱ、Ⅲ。
基因 激活
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
微生物学中的基因表达调控
微生物学中的基因表达调控微生物学作为生物学的一门分支，研究微生物的运作，其中一个重要的方面就是基因表达调控。
基因表达调控是指细胞如何在不同的环境条件下控制基因的表达，从而决定细胞的功能。
微生物体特别适合研究基因表达调控，因为它们的生命周期非常短，容易生长和复制。
在本文中，我们将讨论微生物学中的基因表达调控。
基因表达调控的类型微生物可以通过许多方式来控制基因的表达，其中一种方式是转录因子的调控。
转录因子是一种蛋白质，能够结合到 DNA 上，并调节转录 RNA 的过程。
转录因子能够促进或抑制序列中的基因表达。
此外，一些微生物可以通过 RNA 干扰来调节基因表达。
RNA 干扰是基于 RNA 分子互相作用的一种过程，它可以抑制蛋白质的翻译，从而影响细胞功能。
基因表达的控制可以发生在不同的层次上。
一些微生物可能通过 DNA 甲基化，即化学改变 DNA 分子的方式来控制基因的表达。
在某些情况下，一个基因所述的表观遗传标记也可以影响其表达。
表观遗传学是一种研究对基因表达的长期调控的方式，这种方式不涉及 DNA 序列的改变。
微生物的信号转导系统许多微生物通过信号转导系统来控制基因表达。
信号转导是一种微生物在不同环境条件下适应性的机制。
它涉及到微生物检测周围的信号和它们对这些信号做出反应的方式。
信号转导通常涉及到一个蛋白质在不同条件下的磷酸化状态的变化。
磷酸化是一种常见的蛋白质修饰方式，它能够改变蛋白质的功能和稳定性。
信号转导系统包括激活剂、响应元件和信号转导通路。
激活剂是一种信号分子，能够启动一个信号转导通路。
响应元件是指由激活剂识别的 DNA 序列，这是控制基因表达的关键。
信号转导通路是一系列相互作用的蛋白质或其他分子，能够传递信号并调节基因的表达。
信号转导系统在微生物学中的研究非常活跃。
通过了解信号转导的工作原理，微生物学家能够在实验室中控制基因表达，并理解微生物在不同环境条件下适应性的机制。
细胞自动质控机制微生物学家正在研究一种称为 CRISPR-Cas 系统的自动质控机制。
第7章原核生物基因表达的调控
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆
菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷
上，形成乙酰半乳糖。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
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。
基因表达的调控
基因表达调控(gene regulation或gene control)：对 基因表达调控 或 ： 基因表达过程的调节。 基因表达过程的调节。 基因表达的组织特异性(tissue specificity)： 基因表达的组织特异性(tissue specificity)：不同组 织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因 织细胞中不仅表达的基因数量不相同， 表达的强度和种类也各不相同。 表达的强度和种类也各不相同。 基因表达的阶段特异性(stage specificity)： 基因表达的阶段特异性(stage specificity)：细胞分 化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。 化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。
魔斑的主要作用： 魔斑的主要作用： (1) ppGpp—四磷酸鸟苷(魔斑I magic spot I) ppGpp—四磷酸鸟苷(魔斑I 调控一些反应的效应物，主要功能是： 调控一些反应的效应物，主要功能是： 抑制rRNA基因的启动子与RNA聚合酶与结合的专一性 基因的启动子与RNA聚合酶与结合的专一性； ① 抑制rRNA基因的启动子与RNA聚合酶与结合的专一性； 抑制多数或大多数基因转录的延伸。 ② 抑制多数或大多数基因转录的延伸。 (2) pppGpp—五磷酸鸟苷(魔斑II magic spot II) pppGpp—五磷酸鸟苷(魔斑II 当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp， 当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急 反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成， 反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操 纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统， 纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋 白水解酶等。 白水解酶等。 空转反应（ reaction） 空载tRNA 空转反应（idling reaction）－空载tRNA 松驰型突变（relaxed(rel)mutants） 松驰型突变（relaxed(rel)mutants） 应急因子（ factor） 应急因子（stringent factor）：RelA
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。
原核生物基因表达调控
20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起 始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
ＰＯ
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
（阻遏蛋白）
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能 将乳糖转变为异构乳糖
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。
基因表达调控名词解释
基因表达调控名词解释基因表达调控名词解释，又称为基因调控，是一种过程，它通过影响基因表达水平而调节生物体的特性。
调节这一过程包括对基因在何时，何处，以及如何表达的调节，以及影响基因表达水平的遗传因子的调节。
它是由外部刺激（环境信号）和内部机制（遗传因素）共同作用产生的。
基因表达调控包括以下几个方面：1.转录调控：转录调控是指控制基因转录成mRNA（信使核酸）的过程，也就是控制DNA上的信息被转换成mRNA 的过程。
转录调控可以通过调节转录因子（TF）的活性或改变DNA序列来实现。
2.加工调控：加工调控是指在mRNA被转录之后，mRNA 被进一步加工，以减少它的长度或改变它的结构的过程。
加工调控包括剪切、编码和标记等加工过程。
3.翻译调控：翻译调控是指调节翻译过程的过程，这一过程是将mRNA转换成蛋白质的过程。
翻译调控可以通过调节转录因子的活性或改变mRNA序列来实现。
4.蛋白质表达调控：蛋白质表达调控是指在蛋白质被合成之后，它们的表达水平进一步调节的过程。
蛋白质表达调控可以通过调节转录因子的活性或改变蛋白质序列来实现。
5.基因组学调控：基因组学调控是指改变基因组结构和功能的过程，包括基因组编辑、基因重新排列和基因组组装等过程。
基因组学调控可以通过调节转录因子的活性或改变基因序列来实现。
6.转录因子调控：转录因子调控是指调节转录因子在基因表达过程中所起的作用。
转录因子可以激活或抑制基因表达，调节基因启动子，从而调节基因表达水平。
7.基因突变调控：基因突变调控是指改变基因序列的过程，该过程可以改变基因的结构和功能，从而影响基因表达水平。
基因突变可以在遗传过程中发生，也可以由外界刺激引起。
基因表达调控是生物体发育和遗传的基本原理，它可以帮助我们了解基因如何调节和控制特定的生物过程，从而更好地为人类提供服务。
分子生物学第八章 基因表达调控
4、阻遏蛋白与操作子的相互作用
阻遏蛋白与操作子是否发生相互作用？ 硝酸纤维素膜可以和蛋白质结合而不与ＤＮＡ结合 阻遏蛋白四聚体结合与膜上，可以与野生型DNA片段形 成复合物。并可被IPTG抑制。 而用lacOc 突变体的DNA片段，则不能与阻遏蛋白结合
Luxury gene
顺、反因子间互作方式的基因表达调控
♫ 顺式作用元件（cis-acting element）:能够影响 同一条或相连DNA序列活性的特定DNA片段。例如，启 动子 ♫ 反式作用因子（trans-acting factor）:一种基 因的蛋白质产物，能够影响位于基因组另一条染色体上的 （或基因组别处的）另一个基因的表达活性。例如，RNA polymerase
经典锌指的三维结构：一个β发卡和一个α－螺旋
锌指上的α－螺旋 负责与DNA作用
b、Cys-Cys(C2/C2)锌指
Zn＋＋与4个Cys残基 形成配位键
酵母的转录激活 因子GAL4、哺 乳类的固醇类激 素受体为典型代 表。
糖皮质激素受体
• ZYJ272 •
The DNA-binding domain of Cys2-Cys2 zinc finger proteins (Figure 1. Glucocorticoid receptor) is composed of two irregular antiparallel beta-sheets and an alpha-helix, followed by an extended loop.
♫ 操纵元中各结构基因按一定比例协调翻译 ♫ 聚有极性突变效应：
操纵元中一个近基因的无义突变能够影响远基因表， 且根据距离远近呈极性梯度效应
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Regulation of Gene Expression
一、基因表达（gene expression）
• 即基因转录及翻译的过程，也是基因携带的遗 传信息表现为表型的过程（在细胞内合成有功能 意义的各种蛋白质或RNA）。
DNA
转录
mRNA tRNA rRNA
翻译
prot结合位点
① 阻遏蛋白对乳糖操纵子的负性调节
I P O Z Y A
mRNA 转录不启动 阻遏蛋白
RNA聚合酶
无产物
但是，有诱导剂存在时：
生理诱导剂：乳糖
可与阻遏蛋白结合，使其变构失活而 与操纵序列O解聚，失去阻遏作用。
实验室常用诱导剂：异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)
SAM
SAH
DNA甲基转移 酶（DNMT）
胞嘧啶
5-甲基胞嘧啶
胞嘧啶甲基化反应
5mC
• 哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%~7%， 约70%的5mC存在于CpG双核苷酸。
• CpG双核苷酸存在形式： 分散于DNA中； 高度聚集形成CpG岛（CpG islands）
CpG 频率
5’
Rb基因
3’
Gisela Storz, Science, 296(5571):1263-1265, 2002.
RISC（RNA induced silencing complexes ）
• 即RNA诱导的沉默复合体 • 包含多个蛋白复合物，可将与之连接的siRNA 或miRNA定位到其靶点并抑制基因的表达。
因此，Dicer 酶、Ago 蛋白及20～25 nt 双链 RNAs 被认为是RNA 沉默的特征结构。
miRNA和siRNA经典沉默机制（不同点）
miRNA
来源 细胞内固有的且有目的表达的内源 性转录基因（内源、正常） 由RNA聚合酶Ⅱ催化生成primiRNA，经DCL1（植）/Drosha （动）切割为pre-miRNA，再由 DCL1（植）/Dicer（动）加工而成
（一）DNA甲基化(DNA methylation)
• 是目前研究最清楚、也是最重要的表观遗传 修饰形式。 • DNA甲基化：指生物体在DNA甲基转移酶 （DNMT）的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸（SAM） 为甲基供体，将甲基转移到特定碱基上的过程。
最常见的DNA甲基化
主要是基因组 DNA 上的胞嘧啶第 5 位碳原子和甲基间的 共 价 结 合 ， 胞 嘧 啶 由 此 被 修 饰 为 5- 甲 基 胞 嘧 啶 (5methylcytosine，5mC)。
I P O Z Y
转录
A
mRNA 阻遏蛋白
别乳糖 β-半乳糖苷酶 乳糖透过酶 半乳糖苷乙酰转移酶
RNA聚合酶
② cAMP-CAP对乳糖操纵子的正性调节
+ + + + 转录 CAP
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
cAMP-CAP减少，与CAP位点结合效率低，对转录的激活效应弱
RdRP（ RNA 依赖RNA 聚合酶）机制
• 在线虫的研究中发现， siRNA 是合成 dsRNA 的特 殊引物， 在RdRP作用下， 以靶mRNA 为模板合成 dsRNA 。 • 新生成的dsRNA 在Dicer 酶的作用下， 裂解产生新 的siRNA , 新生成的siRNA 又可进入上述循环。 • 大量集中的siRNA 可以形成RISC复合物， 这样可以 提高mRNA 降解的效率。
Dicer酶的作用机制
• 第一步：Dicer结合到dsRNA，dsRNA被加工成许多短片 段，每个片段约22nt。 • 第二步：Dicer通过PAZ与含有PAZ的Argonaute蛋白结合， 而RNase与后者形成多个亚单元的复合物，这样使得22nt siRNA 特异性的决定靶基因的降解反应。这个22nt siRNA被称为引导RNA，它可以将多单元复合物引到靶 基因mRNA处。因为有引导siRNA在起作用，所以只要 有少量的dsRNA就可以引发大量的切割mRNA反应。
三、基因表达的方式
① 组成性表达
• 管家基因 这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均持 续、稳定表达，其表达水平受环境因素影响较小； 其产物对维持细胞基本生命活动是必需的。
② 诱导表达或阻遏表达
• • 光修复酶(photolyase)基因被300~600nm可见光激活表达； 胆固醇能抑制HMG-CoA还原酶基因表达。
siRNA
主要来源于转座子、转基因 或病毒的外源性转录基因 （外源、异常） 由长dsRNA经Dicer酶切割形 成
加工
Argonaute蛋白 存在形式 与靶mRNA配对 特异性 生物学功能 主要以单链形式存在 完全或不完全互补配对
各有不同的Ago蛋白 主要以双链形式存在 完全互补配对 较高，一个突变即引起RNAi沉 默效应的改变 参与机体的生长发育
③ 协调表达
• 在一定机制控制下，功能相关的一组基因，无论 其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达。
（如人血红蛋白亚基因的表达）
四、基因表达调控
• 定义：基因开启或关闭以及基因表达的增强或减 弱所受到的严格控制。 • 基因控制点：转录起始（本质是控制RNA聚合酶 与启动子的识别和结合）。
基本调控要素1
• 顺式作用元件（cis-acting element）：是基因序 列的一部分，是RNA聚合酶或转录因子在DNA上 的结合位点，如启动子、终止子、增强子、沉默 子等。
基本调控要素2
• 反式作用因子（trans-acting factor）：是调控基 因（或称反式作用元件）的表达产物，本质是蛋 白质（即转录因子）和RNA（即调控RNA），以 转录因子为主。功能是调控基因表达。 • 反式作用因子的功能：通常以特定的方式识别并 结合在顺式作用元件上，实施精确的基因表达调 控。 • 真核生物有些调节蛋白不能直接与DNA相互作用， 而是先形成蛋白质-蛋白质复合物，然后再与 DNA结合参与基因表达调控。
基因表达水平的变化
• 细菌基因组约4000个基因，人类基因组约2.5万 个基因，但在某一特定时期或生长阶段，基因 组中只有小部分基因处于表达状态，其余大多 数基因不表达或表达水平极低。 • 基因表达水平的高低不是固定不变的，会随时 间、环境而变化。
二、基因表达的特点
① 时间特异性（阶段特异性）
② 空间特异性（细胞或组织特异性） • 如胰岛素基因的表达
miRNA作用的后果
① 植物：miRNA与靶基因mRNA序列完全匹 配：靶基因mRNA被切割、降解； ② 动物：miRNA与靶基因mRNA序列不完全互 补：靶基因mRNA翻译成蛋白质受到抑制， 但其稳定性不受影响。 比较灵活：一个miRNA可调控多个mRNA, 一个mRNA可被多个miRNA调节。
未甲基化的C会变成U
甲基化特异性PCR(MS-PCR)
甲基化特异性PCR(MS-PCR)
（二）RNA干扰(RNA interference, RNAi)
• 定义：指在进化过程中高度保守的、由双链RNA （double-stranded RNA，dsRNA）诱发的、同源mRNA 高效特异性降解的现象。 • 属于转录后水平的基因沉默（ Post-transcriptional Gene Silencing, PTGS）。 • RNAi是细胞内普遍存在的一种重要的表观遗传现象。
动或人工转基因等外源性因素影响。
miRNA与siRNA经典沉默机制（相同点）
① 结构：都在22 nt左右， 5’是磷酸，3’是羟基； ② 加工：都依赖Dicer酶（RNA沉默的钥匙）； ③ RISC的形成：都需要Argonaute 蛋白（RNA 沉默的核 心）； ④ 作用方式：可阻遏靶基因mRNA翻译，也可导致mRNA 降解； ⑤ 进化关系：（可能的推论）siRNA是miRNA的补充， miRNA在进化过程中代替了siRNA。
人Dicer酶结构域
• DEXHc：负责dsRNA 的解螺旋作用，区分miRNA 底物与 siRNA 底物并能与pre-miRNA 的环状结构结合； • DUF283(Domain of unknown function 283) ：确切功能尚 不清楚，可能与剪切活性有关； • PAZ(Piwi-Argonaute-Zwille) ：负责siRNA 和miRNA 前体 的识别和结合； • RNase Ⅲ (RNase Ⅲa and RNase Ⅲb) ：作为活性中心，负 责剪切dsRNA； • dsRBD(dsRNA-binding domain) ：辅助Dicer 完成对底物的 识别和结合。
葡萄糖高 cAMP浓度低
RNA聚合酶
mRNA
I
RNA聚合酶
五、表观遗传与基因表达调控
表观遗传（epigenetics）：
——指DNA序列不发生变化，但基因功能 却发生了可遗传的改变。
三个层面：
DNA修饰 ：DNA共价结合一个修饰基团，使 具有相同序列的等位基因处于不同的修饰状 态。如DNA甲基化。 蛋白修饰：通过对特殊蛋白修饰或改变蛋白的 构象实现对基因表达的调控。如组蛋白修饰。 非编码RNA调控：通过某些机制实现对基因转 录的调控，如RNA干扰等。
CpG岛主要处于基因5’端调控区域。 启动子区域的 CpG 岛一般是非甲基化状态的， 其非甲基化状态对相关基因的转录是必须的。
DNA甲基化的意义
• DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、 DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改 变，从而调控基因表达。
DNA甲基化一般与基因沉默相关联； 非甲基化一般与基因的活化相关联； 而去甲基化往往与一个沉默基因的重新 激活相关联。
原核生物——E. coli 乳糖操纵子调节机制
• 操纵子(operon)：功能相关的多个编码序列及其 上游的调控序列串联而成的一个转录协调单位。 • 多顺反子：功能相关的结构基因在同一调控 序列控制下转录生成的一个mRNA。