基因表达调控1PPT课件
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生物化学》ppt课件14.第十四章-基因表达调控
操纵子(operon)是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。操纵子的本质是DNA序列。
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
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
真核生物的基因表达调控ppt(共59张PPT)
在转录水平上的基因表达调控
真核生物的蛋白质基因的转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础转录因 子以外，还需要其它顺式作用元件和反式作用因子的参与。 参与基因表达调控的主要顺式作用元件有：增强子、沉默子、绝缘 子和各种反应元件；参与基因表达调控的反式作用因子也称为转录 因子，它们包括激活蛋白、辅激活蛋白、阻遏蛋白和辅阻遏蛋白。 激活蛋白与增强子结合激活基因的表达，而阻遏蛋白与沉默子结合 ，抑制基因的表达，某些转录因子既可以作为激活蛋白也可以作为 阻遏蛋白其作用，究竟是起何种作用取决于被调节的基因。辅激活 蛋白缺乏DNA结合位点，但它们能够通过蛋白质与蛋白质的相互作 用而行使功能，作用方式包括：招募其它转录因子和携带修饰酶（ 如激酶或乙酰基转移酶）到转录复合物而刺激激活蛋白的活性；辅 阻遏蛋白也缺乏DNA结合位点，但同样通过蛋白质与蛋白质的相互 作用而起作用，作用机理包括：掩盖激活蛋白的激活位点、作为负 别构效应物和携带去修饰酶去中和修饰酶（如磷酸酶或组蛋白去乙 酰基酶）的活性。
真核生物与原核生物在 调控机制上的主要差异
调控的原因：原核生物基因表达调节的目的是为了更有效 和更经济地对环境的变化做出反应，而多细胞真核生物基 因表达调节的主要目的是细胞分化，它需要在不同的生长 时期和不同的发育阶段具有不同的基因表达样式； 调控的层次：原核生物基因表达调控主要集中在转录水平 ，但真核生物基因表达的转录后水平调节与其在转录水平 上的调节各占“半壁江山”，而某些调控层次是真核生物特有 的，比如染色质水平、RNA后加工水平和mRNA运输等；
调控的手段：原核生物绝大多数的基因组织成操纵子，但真核 生物一般无操纵子结构。
在染色质水平上的基因调控
原核生物的DNA绝大多数处于完全暴露和可接近的状态，而真核生物 DNA大部分被遮挡并组织成染色质。因此，原核生物DNA转录的“默认 状态”是开放，其调控机制主要是通过阻遏蛋白进行的负调控，而真核生 物DNA转录的“默认状态”是关闭，其调控机制主要是通过激活蛋白进行 的正调控。 染色质的结构是一种动态可变的结构，其结构的变化能直接影响到基因 的表达。已有众多证据表明，一个基因在表达前后，其所在位置的染色 质结构会发生重塑或重建。由于染色质的组成单位是核小体，因此，染 色质结构的改变是从核小体的变化开始的，而核小体的变化是从组蛋白 的共价修饰和去修饰开始的。
分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件
14
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
29
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
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
（transcriptional regulation）
2、转录后水平上的调控
（post-transcriptional regulation）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）， 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控
29
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
《基因表达调控》课件
它对细胞发育、组织特化和疾病发生都有重要影响
II. 转录调控
1
A.
B. 各种转录因子的分类及功能
不同类型的转录因子在基因表达调控中扮演不同的角色
3
C. 转录因子的结构和作用机制
了解转录因子结构和作用机制对理解转录调控至关重要
III. RNA加工调控
《基因表达调控》PPT课 件
这是一份关于基因表达调控的PPT课件，涵盖了基本概念、转录调控、RNA加 工调控、蛋白质翻译调控、表观遗传调控、氧气水平调控、微小RNA调控、研 究技术及应用。
I. 介绍基因表达调控的基本概念和意义
什么是基因表达调控？
基因表达调控是控制基因转录和翻译过程的机制和调节
为什么基因表达调控重要？
A. 5'端和3'端加工的调控
了解5'端和3'端加工调控对RNA 稳定性和功能的影响
B. 剪接调控
剪接调控在基因表达调控中起 着重要的作用
C. RNA编辑调控
RNA编辑调控可改变RNA序列， 影响蛋白质功能
IV. 蛋白质翻译调控
A. 起始子处理和调控
起始子处理和调控是蛋白质翻译的重要调控步骤
B. 翻译的调控
生物对低氧环境做出的响应以及调控机制
高原环境对基因表达调控产生的影响
VII. 微小RNA的调控作用
1
什么是微小RNA？
微小RNA是一类重要的非编码RNA分
微小RNA的调控机制
2
子
通过结合目标mRNA来调控基因表达
VIII. 基因表达调控的研究技术
A. 基因芯片
基因芯片是一种常用的基因表 达调控研究技术
了解如何调控翻译过程以控制蛋白质合成
C. 结束子处理及调控
II. 转录调控
1
A.
B. 各种转录因子的分类及功能
不同类型的转录因子在基因表达调控中扮演不同的角色
3
C. 转录因子的结构和作用机制
了解转录因子结构和作用机制对理解转录调控至关重要
III. RNA加工调控
《基因表达调控》PPT课 件
这是一份关于基因表达调控的PPT课件，涵盖了基本概念、转录调控、RNA加 工调控、蛋白质翻译调控、表观遗传调控、氧气水平调控、微小RNA调控、研 究技术及应用。
I. 介绍基因表达调控的基本概念和意义
什么是基因表达调控？
基因表达调控是控制基因转录和翻译过程的机制和调节
为什么基因表达调控重要？
A. 5'端和3'端加工的调控
了解5'端和3'端加工调控对RNA 稳定性和功能的影响
B. 剪接调控
剪接调控在基因表达调控中起 着重要的作用
C. RNA编辑调控
RNA编辑调控可改变RNA序列， 影响蛋白质功能
IV. 蛋白质翻译调控
A. 起始子处理和调控
起始子处理和调控是蛋白质翻译的重要调控步骤
B. 翻译的调控
生物对低氧环境做出的响应以及调控机制
高原环境对基因表达调控产生的影响
VII. 微小RNA的调控作用
1
什么是微小RNA？
微小RNA是一类重要的非编码RNA分
微小RNA的调控机制
2
子
通过结合目标mRNA来调控基因表达
VIII. 基因表达调控的研究技术
A. 基因芯片
基因芯片是一种常用的基因表 达调控研究技术
了解如何调控翻译过程以控制蛋白质合成
C. 结束子处理及调控
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目录
重组DNA (recombinant DNA)技术是近 代分子生物学技术的核心。
基因操作 (gene manipulation) 分子克隆 (molecular cloning) 基因克隆 (gene cloning)
基因工程 (gene engineering)
.
6
目录
分子医学（molecular medicine）： 由于分子生物学渗透进入生物学和医学
平上进行有目的的定向诱变。 生物技术进入了分子水平，基因（或DNA）也
进入了社会生产和人们生活的方方面面。
.
8
目录
按照自己的意愿和社会需求改造基因，制备各 种具有生物活性的大分子。
DNA、RNA 和蛋白质成为人类治病、防病的 一类新型的生物制品或药物。
生物技术在农业上用于快速育种，改良品种， 提高农作物的产量、质量以及抗病虫害，抗干旱 等能力。
基本的基因表达水平并非绝对“一成不变”， 所谓
“不变”是相对的。
.
18
目录
（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，即这种基因表达是可诱 导的。
➢ 可诱导基因(inducible gene)在一定的环境中 表达增强的过程，称为诱导(induction)。
.
2
目录
分子生物学——从分子水平研 究生命现象及其规律的一门新兴 学科。
它是生命科学中发展最快并且 与其他学科广泛交叉和渗透的前 沿领域。
.
3
目录
由于分子生物学以其崭新的观点 和技术对其他学科的全面渗透， 推动了细胞生物学、遗传学、发 育生物学和神经生物学向分子水 平的方向发展，使这些学科已不 再是原来的经典学科，而成为生 命科学的前沿。
生命科学的发展过程：
整体水平细胞水平分子 Nhomakorabea平从整体水平到分子水平示意图
.
1
目录
生命科学是研究生命现象和生命活动规 律的一门综合性学科。
生命科学的研究内容： 生命物质的结构与功能，生物与生
物之间及生物与环境之间相互关系。
生命科学的前沿领域：
分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、 发育生物学和神经生物学，而分子生物学是 生命科学的核心前沿。
.
15
目录
三、基因表达的方式存在多样性
➢基因表达调控（regulation of gene expression）
就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激 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，即位于基因组内的基因如何被表 达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表 达，什么时候表达，表达多少等。
.
16
目录
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
.
17
目录
（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达
➢ 某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表 达，不易受环境条件的影响，通常被称为管家基因 (housekeeping gene)。
➢ 管家基因的表达水平受环境因素影响较小，而是在 生物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。这类基因表达被视为组成 性基因表达(constitutive gene expression)。
（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间 顺序发生
➢ 按功能需要，某一特定基因的表达严格按一 定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间 特异性(temporal specificity)。
➢ 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段 特异性(stage specificity)。
.
14
目录
（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特 定生长发育阶段，同一基因在不同的 组织器官表达不同
.
9
目录
分子生物学的主要研究内容
生物大分子的结构、功能，生物大 分子之间的相互作用及其与疾病发生、 发展的关系。
.
10
目录
第一章
基因表达调控
Regulation of Gene Expression
.
11
目录
第一节 概述
Basic Conceptions and Characters
.
12
目录
➢ 在个体生长、发育过程中，一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， 这就是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所决定的， 因 此 基因表 达 的空间特 异性 又称 细胞 特异 性 (cell specificity)或组织特异性(tissue specificity)。
.
4
目录
分子生物学技术：
由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗 传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的 渗透、综合而成，并在此基础上发明和创造了 一系列新的技术。
例如：DNA及RNA的印迹转移、核酸分子 杂交、基因克隆、基因体外扩增、DNA 测序等， 形成了独特的重组DNA技术及其相关技术。
.
5
➢ 如果基因对环境信号应答时被抑制，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)。
.
19
目录
（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节
➢ 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 同 表 达 (coordinate expression) ， 这 种 调 节 称 为 协 同 调 节 (coordinate regulation)。
一、基因表达是基因转录和翻译的过程
➢ 基因表达(gene expression)
是基因转录及翻译的过程，也是基因所 携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基 因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码 基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加 工成最终的蛋白质产物。
➢ 基因表达是受调控的。
.
13
目录
二、基因表达具有时间特异性和空间特异性
的每一分支领域，全面推动了生命科学和医 学的各个方面的发展，如疾病的发病机理研 究、疾病的诊断和治疗，使医学进入了一个 崭新的时代。
.
7
目录
遗传性状改变或治疗疾病 可能从某一生物体的基因组中分离出某一特定
功能基因，导入到另一种生物的基因组。
基因工程和蛋白质工程 外源DNA与载体在体外进行连接，或在基因水
重组DNA (recombinant DNA)技术是近 代分子生物学技术的核心。
基因操作 (gene manipulation) 分子克隆 (molecular cloning) 基因克隆 (gene cloning)
基因工程 (gene engineering)
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分子医学（molecular medicine）： 由于分子生物学渗透进入生物学和医学
平上进行有目的的定向诱变。 生物技术进入了分子水平，基因（或DNA）也
进入了社会生产和人们生活的方方面面。
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按照自己的意愿和社会需求改造基因，制备各 种具有生物活性的大分子。
DNA、RNA 和蛋白质成为人类治病、防病的 一类新型的生物制品或药物。
生物技术在农业上用于快速育种，改良品种， 提高农作物的产量、质量以及抗病虫害，抗干旱 等能力。
基本的基因表达水平并非绝对“一成不变”， 所谓
“不变”是相对的。
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（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，即这种基因表达是可诱 导的。
➢ 可诱导基因(inducible gene)在一定的环境中 表达增强的过程，称为诱导(induction)。
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分子生物学——从分子水平研 究生命现象及其规律的一门新兴 学科。
它是生命科学中发展最快并且 与其他学科广泛交叉和渗透的前 沿领域。
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由于分子生物学以其崭新的观点 和技术对其他学科的全面渗透， 推动了细胞生物学、遗传学、发 育生物学和神经生物学向分子水 平的方向发展，使这些学科已不 再是原来的经典学科，而成为生 命科学的前沿。
生命科学的发展过程：
整体水平细胞水平分子 Nhomakorabea平从整体水平到分子水平示意图
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生命科学是研究生命现象和生命活动规 律的一门综合性学科。
生命科学的研究内容： 生命物质的结构与功能，生物与生
物之间及生物与环境之间相互关系。
生命科学的前沿领域：
分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、 发育生物学和神经生物学，而分子生物学是 生命科学的核心前沿。
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三、基因表达的方式存在多样性
➢基因表达调控（regulation of gene expression）
就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激 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，即位于基因组内的基因如何被表 达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表 达，什么时候表达，表达多少等。
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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
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（一）有些基因几乎在所有细胞中持续表达
➢ 某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表 达，不易受环境条件的影响，通常被称为管家基因 (housekeeping gene)。
➢ 管家基因的表达水平受环境因素影响较小，而是在 生物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。这类基因表达被视为组成 性基因表达(constitutive gene expression)。
（一）时间特异性是指基因表达按一定的时间 顺序发生
➢ 按功能需要，某一特定基因的表达严格按一 定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间 特异性(temporal specificity)。
➢ 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段 特异性(stage specificity)。
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（二）空间特异性是指多细胞生物个体在特 定生长发育阶段，同一基因在不同的 组织器官表达不同
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分子生物学的主要研究内容
生物大分子的结构、功能，生物大 分子之间的相互作用及其与疾病发生、 发展的关系。
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第一章
基因表达调控
Regulation of Gene Expression
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第一节 概述
Basic Conceptions and Characters
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目录
➢ 在个体生长、发育过程中，一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， 这就是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所决定的， 因 此 基因表 达 的空间特 异性 又称 细胞 特异 性 (cell specificity)或组织特异性(tissue specificity)。
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分子生物学技术：
由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗 传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的 渗透、综合而成，并在此基础上发明和创造了 一系列新的技术。
例如：DNA及RNA的印迹转移、核酸分子 杂交、基因克隆、基因体外扩增、DNA 测序等， 形成了独特的重组DNA技术及其相关技术。
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➢ 如果基因对环境信号应答时被抑制，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)。
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（三）生物体内不同基因的表达受到协调调节
➢ 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 同 表 达 (coordinate expression) ， 这 种 调 节 称 为 协 同 调 节 (coordinate regulation)。
一、基因表达是基因转录和翻译的过程
➢ 基因表达(gene expression)
是基因转录及翻译的过程，也是基因所 携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基 因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码 基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加 工成最终的蛋白质产物。
➢ 基因表达是受调控的。
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二、基因表达具有时间特异性和空间特异性
的每一分支领域，全面推动了生命科学和医 学的各个方面的发展，如疾病的发病机理研 究、疾病的诊断和治疗，使医学进入了一个 崭新的时代。
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遗传性状改变或治疗疾病 可能从某一生物体的基因组中分离出某一特定
功能基因，导入到另一种生物的基因组。
基因工程和蛋白质工程 外源DNA与载体在体外进行连接，或在基因水