基因表达调控
真核生物基因表达调控的多种方式
真核生物基因表达调控的多种方式真核生物基因表达包括转录、翻译和蛋白修饰等复杂过程，其中涉及多种调控方式。
以下是真核生物基因表达的各种表达调控方式的简述:1. 转录前调控转录前调控是指在 DNA 复制后被转录成 RNA 的过程中，通过调控 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 的亲和力、移动速度和活性等方式来控制基因的表达。
其中一些调控因子可以与启动子区域中的特定序列结合，从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外，一些转录因子还可以与 RNA 聚合酶结合，促进 RNA 聚合酶的移动，从而加快转录速率。
2. 转录调控转录调控是指通过调控 RNA 聚合酶结合到特定基因的启动子上，来控制基因的表达。
转录调控可以通过调节转录因子的数量、亲和力和活性等方式来实现。
一些转录因子可以与启动子区域中的特定序列结合，从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外，一些转录因子还可以与 RNA 聚合酶结合，促进 RNA 聚合酶的活性，从而加快转录速率。
3. 转录后调控转录后调控是指在基因被转录后，通过调控 RNA 剪接、RNA 编辑、RNA 降解等方式来控制基因的表达。
这些调控方式可以影响 RNA 的稳定性、可用性和转录本的多样性。
例如，一些调控因子可以与 RNA 剪接因子结合，从而改变 RNA 剪接的速率和方向。
一些 RNA 编辑酶可以编辑 RNA，改变基因表达。
此外，RNA 降解酶可以降解 RNA，从而抑制基因的表达。
4. 翻译调控翻译调控是指通过调控 mRNA 的稳定性、可用性和翻译速率等方式来控制基因的表达。
例如，一些调控因子可以与 RNA 聚合酶结合，从而抑制或增强 RNA 聚合酶的活性。
此外，一些翻译调控因子可以与 mRNA 结合，从而改变 mRNA 的稳定性和翻译速率。
5. 蛋白修饰调控蛋白修饰调控是指通过调控蛋白质的修饰方式来控制蛋白质的活性、稳定性和可用性等方式来控制基因的表达。
例如，一些修饰因子可以与蛋白质结合，从而改变蛋白质的修饰方式。
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。
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。
简述基因表达调控的生物学意义
简述基因表达调控的生物学意义
基因表达调控是指生物体中基因活性的调节，它能促进更有效地
基因表达，确保器官细胞正常工作和生物体正常发育。
基因表达调控
有很多信息，它可以在各个细胞调节，影响生物行为和特征。
基因表
达调控也是把含义丰富的信息携带到细胞外部，影响器官细胞和细胞
之间的影响。
基因表达调控机制的生物学意义是使得器官细胞和生物体的发育
进程按照一定的规律发展，尤其是需要精密协调的器官细胞之间的相
互作用。
正确的基因表达调控可以确保器官正常发育，促进新能力的
形成，如记忆力，学习能力，调节平衡和调节器官细胞的增殖以及保
障细胞的稳定性。
基因表达调控还能够使细胞能够审查环境，适应环境。
比如，当
宿主遭受病毒侵袭时，基因表达调控能够快速检测并应对该病毒，以
确保最终的生物学功效。
此外，基因表达调节还能保证细胞中的平衡，促进维持稳态，并且有助于减少疾病的发生，促进长寿健康。
总之，基因表达调控具有重要的生物学意义，它可以保证器官正
常发育，形成新能力，维护细胞的稳定性，调节适应环境，保持稳态
并减少疾病的发生。
这些机制是人类健康长寿的关键。
原核生物基因表达调控概述
原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。
这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。
调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。
细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。
这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。
二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。
而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。
（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。
反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
遗传学中的基因表达调控研究
遗传学中的基因表达调控研究遗传学是现代生物学的一个重要领域，它研究的是基因的遗传规律和遗传现象。
基因是人们对遗传物质的一种描述，是指具有特定遗传信息的DNA分子。
那么基因如何表达呢？这就涉及到基因表达调控研究。
本文将从基因表达调控机制、基因表达调控相关的疾病和未来的研究方向三个方面来介绍遗传学中的基因表达调控研究。
一、基因表达调控机制基因表达调控是指基因的表达过程中通过一系列的调控机制来控制基因的转录、翻译以及后续的修饰等过程。
在正常状态下，基因的表达会受到一系列的细胞信号、转录因子、RNA催化酶等多种机制的调控。
其中，转录因子是最为重要的一环，它的作用是在基因的启动子区域上结合，促进或抑制RNA聚合酶（RNA polymerase）的结合和基因的转录。
除此之外，基因表达调控还与染色质可及性、组蛋白修饰和非编码RNA等多方面的机制相关。
二、基因表达调控相关的疾病基因表达调控不仅在正常生理状态下发挥着作用，还在多种疾病的发生和发展过程中发挥作用，如癌症、肥胖、心血管疾病等。
以癌症为例，在细胞演化过程中会出现多种基因突变和表观遗传修饰，导致基因表达的失控。
其中，许多突变和染色质修饰的异常都是导致癌症基因表达异常的重要因素。
研究人员通过研究基因表达调控机制，可以发现新的特定于癌症的转录因子和非编码RNA，为治疗癌症提供新的方向和思路。
三、未来的研究方向在基因表达调控的研究中，越来越多的研究者开始关注单细胞水平的表达调控机制。
在过去，基因表达调控的研究主要是从大量的细胞中进行，但是针对不同类型的细胞而言，可能存在严重的表达异质性，这种变异会掩盖关键的转录因子和细胞信号通路的作用。
通过单细胞转录组学手段，可以更全面、细致地研究基因表达调控。
同时，随着机器学习和人工智能技术的发展，基于大数据的计算模型也将有望成为基因表达调控研究的重要方法。
综上所述，基因表达调控研究涉及到复杂的分子机制和生命现象，是生命科学中的一个重要研究领域。
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。
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。
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
基因的表达调控
基因的表达调控基因是生物体中将遗传信息传递给后代的基本单位。
然而，仅仅拥有基因并不足以决定生物的特征和功能，还需要基因的表达调控来确保基因在合适的时间和地点发挥作用。
基因的表达调控是一种高度复杂且精细的过程，可以通过多种机制来实现。
一、转录调控转录是指DNA中的基因信息被转录成RNA的过程。
在这一过程中，转录因子起着至关重要的作用，它们能够与DNA序列结合，调控基因的转录活性。
转录因子可以促进或抑制转录过程，在基因表达中起着“开关”的作用。
转录因子的活性受多种因素影响，包括细胞外信号传导、环境因素以及其他基因的表达状态。
通过转录调控，细胞可以对内外环境做出及时反应，实现基因表达的精确控制。
二、转录后调控转录后调控指的是对转录产物RNA的调控过程。
在这一阶段，通过RNA剪接、RNA修饰以及RNA降解等机制，细胞可以控制RNA在核内或细胞质内的存在时间及功能。
RNA剪接是一种重要的调控机制，通过对RNA前体分子的切割和拼接，可以产生不同的转录产物。
这样一种巧妙的调控方式，能够增加基因的功能多样性，实现细胞在不同发育阶段或环境中的适应性。
三、转译调控转译是指RNA通过蛋白质合成的过程。
转译调控主要通过调控RNA的翻译速率和蛋白质的稳定性来实现。
细胞可以通过调节转译复合物的组装以及启动子序列的变化来控制蛋白质的合成速率。
此外，蛋白质的稳定性也受到多种因素的影响，如泛素化与去泛素化等调控机制。
通过转译调控，细胞可以根据需要合成适量的蛋白质，维持正常的生理功能。
四、表观遗传调控表观遗传调控是指通过修改染色质的结构和化学修饰来调控基因表达。
这些结构和修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA 等。
DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰方式，它通过在DNA上结合甲基基团来沉默基因的表达。
组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等，它们可以改变染色质的紧密程度，影响基因的可及性。
非编码RNA则通过与DNA或RNA相互作用，影响基因的转录和翻译过程。
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
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。
简述真核生物基因表达调控过程
简述真核生物基因表达调控过程真核生物基因表达调控过程是指在真核生物细胞中，如何通过一系列的调控机制，将基因中的遗传信息转化为蛋白质，以实现细胞功能的正常发挥。
基因表达调控过程可以分为转录调控和转录后调控两个阶段。
在转录调控阶段，首先是在细胞核中进行转录。
细胞核中的DNA被RNA聚合酶酶识别并解链，形成单链mRNA。
但并不是所有基因都会被转录，细胞会根据需要选择性地进行转录。
这是通过转录因子的作用来实现的。
转录因子是一类能够与DNA特定序列结合的蛋白质，它们能够促进或抑制转录的进行。
转录因子的结合位点位于启动子区域，当转录因子结合到启动子区域时，会引发一系列的反应，包括启动RNA聚合酶的活性和引导其结合到合适位置上，从而促使转录的进行。
转录因子的表达受到多种因素的调控，如细胞内的信号分子、细胞周期等。
转录后调控是指在mRNA合成后，通过一系列的调控机制来决定其在细胞中的命运。
mRNA在合成后需要经过剪接、修饰和运输等过程。
剪接是指将mRNA中的内含子去除，将外显子进行连接的过程。
通过剪接的不同方式，可以生成不同的mRNA亚型，从而在翻译过程中产生不同的蛋白质。
修饰是指在mRNA上加上帽子和尾巴等化学修饰，这些修饰可以保护mRNA不被降解，并帮助mRNA与翻译机器结合。
运输是指mRNA离开细胞核，进入到细胞质中，进一步参与翻译过程。
这个过程受到RNA结合蛋白的调控。
在翻译过程中，mRNA被核糖体识别并翻译成蛋白质。
这个过程也受到多种调控机制的影响。
一方面，mRNA上的启动子序列会影响翻译的起始位置，从而决定蛋白质的翻译起始位点。
另一方面，mRNA的稳定性也会影响翻译的效率和蛋白质的表达水平。
mRNA 的稳定性受到RNA结合蛋白和非编码RNA的调控。
总的来说，真核生物基因表达调控过程是一个复杂而精细的调控网络。
通过转录调控和转录后调控的相互作用，细胞可以根据内外环境的需要，在不同的时空位置上产生不同类型的蛋白质，以实现细胞功能的正常发挥。
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。
基因表达调控的重要性
基因表达调控的重要性基因表达调控是细胞内基因信息传递和转化的关键过程，它决定了一个细胞的发育、功能和适应能力。
在人类疾病研究、药物研发和生物工程等领域，深入理解和有效调控基因表达具有重要意义。
本文将从三个方面介绍基因表达调控的重要性：遗传稳定性、细胞分化和疾病治疗。
一、遗传稳定性基因表达调控对于维持细胞的遗传稳定性至关重要。
在细胞分裂过程中，基因的复制和转录过程必须严格控制，以确保复制的基因与母细胞相同。
一旦基因表达调控发生异常，可能导致基因突变、DNA损伤和染色体异常等问题。
这些问题会进一步导致细胞功能异常，甚至引发遗传疾病的发生。
因此，深入研究基因表达调控的机制，有助于维持细胞的遗传稳定性，预防遗传疾病的出现。
二、细胞分化基因表达调控在细胞分化过程中发挥着关键作用。
细胞分化是一个多步骤的过程，通过显著改变基因表达模式来实现。
细胞分化能将未分化的细胞转化为特定细胞类型，如心脏肌细胞、神经元等。
深入理解基因表达调控的机制，可以揭示细胞分化的规律和过程，有助于人们从细胞层面解析生物发育和器官形成的机制。
同时，基因表达调控的研究对人类疾病中的干细胞治疗和再生医学等领域也具有重要意义。
三、疾病治疗基因表达调控在疾病治疗中发挥着重要作用。
研究发现，很多疾病如癌症、心血管疾病等都与基因表达调控失调密切相关。
深入研究基因表达调控的分子机制，可以为疾病的早期诊断、预防和治疗提供新的思路和方法。
例如，通过调控特定基因的表达水平，可以抑制癌细胞的生长和扩散，从而达到治疗癌症的效果。
近年来，基因表达调控的研究成果在精准医学中得到广泛应用，为治疗个体化、靶向治疗提供了新的方向。
总结起来，基因表达调控对于维持细胞的遗传稳定性、实现细胞分化以及研究和治疗疾病具有重要意义。
深入研究基因表达调控的机制，有助于揭示生物发育和疾病发生的规律，为疾病的预防和治疗提供新思路和方法。
在未来的研究中，我们可以进一步探索更多关于基因表达调控的奥秘，以期更好地理解和应用。
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Prokaryotic cell
Eukaryotic cell
都有一套准确的调节基因表达和蛋白质合成的机制 不同生物使用不同的信号来指挥基因调控： 营养状况 （nutritional status） 环境因素 （environmental factor） 激素水平 （hormone level） 发育阶段 （developmental stage ） LOGO
3. mRNA所携带的信息差别很大
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What is prokaryote?
• 大多数为单细胞生物
• 没有细胞核
• 没有膜包裹的细胞器
• 无性繁殖，二分裂或芽生
遗传物质水平转移
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1. 操纵子(operon)是原核生物的基因转录单元
Central Dogma:
DNA
Transcription
RNA
Translation
Protein
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基因表达的过程：
• 基因活化（转录前） • 转录（起始，延伸，终止） • 转录后 • 翻译（起始，延伸，终止） • 翻译后 各个环节中都有基 因表达调控的控制 点（check point）
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② 诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的 普遍方式
组成性表达（constitutive expression）
管家基因(housekeeping gene)——参与生命的全过程， 基因表达的调控主
要是针对易受环境 在一个生物体的所有细胞中均持续表达的基因。
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⑤ 基因表达调控是多层次的复杂调节
无论原核生物还是真核生物，基因表达的调控都体现在 基因表达的全过程中。
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二、 原核生物基因表达特点
Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes 1. 操纵子是原核物的基因转录单元 2. mRNA的转录、翻译和降解偶联进行
激活蛋白（正调控蛋白）：对基因表达有激活作用 阻遏蛋白：对基因表达有抑制作用 最常见的DNA结合域：
锌指(zinc finger)
螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）
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2. 特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始
• 因子和启动子决定转录是否能够起始
四. 原核生物基因表达的翻译水平调控
Section 4 Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level
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一、 有关基因表达的几个概念
1. 基因（Gene） 2. 基因组（Genome） 3. 基因表达（Gene Expression） 4. 基因表达调控（Gene Expression Regulation）
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① 基因表达具有时空特异性
基因表达的时间特异性（阶段特异性）
根据生长、分化和发育等功能的需要，随着环境的 变化，特定基因按照一定的时间顺序先后表达。
基因表达的空间特异性（组织特异性）
不同的组织或器官中，基因表达的种类和表达水平 不同。
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2. mRNA的转录、翻译和降解偶联进行
同一部位、同时进行。 •细菌的转录和翻译有相似的速率
37℃， •mRNA转录：40 nt/s ≈ 13 aa •蛋白质翻译：15 aa/s ≈ 45 nt
•细菌的翻译效率极高
•多点同时起始翻译
参与基因
表达调控？
•大多数细菌mRNA都非常不稳定
RNA pol
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基因表达调控的基本规律
① 基因表达具有时空特异性； ② 诱导表达和阻遏表达是基因表达调控的普遍方式； ③ 基因表达受顺式作用元件和反式作用因子共同调节； ④ 蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达 调控的分子基础； ⑤ 基因表达调控是多层次的复杂调节。
操纵子是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元， 调控序列控制结构基因的转录。
RNA聚合酶识别和结合 的部位 多个功能相关的结构基因串联， 受同一个控制区调节
启动子
(promoter)
结构基因 操纵序列
(operator)
阻遏蛋白基因
编码阻遏蛋白
阻遏蛋白识别和结合 的部位
参与基因 表达调控？
影响的基因。 表达基本不受环境因素和其他因素的影响，这样的基
因表达方式称为组成性表达。
诱导与阻遏
在特定的信号刺激下，有些基因表现出开放性或增强 性的表达，称其为诱导（induction）；另一些则表现出 关闭性或抑制性的表达，称其为阻遏（repression）。
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差异基因表达（differential gene expression）
① 多细胞生物不同组织细胞中的基因组是相同的；
② 不同细胞表达不同基因； ③ 同一细胞不同的发育阶段，表达不同基因； ④ 同一种细胞中不同基因表达水平不同。
是同一个体内的不同器官、组织、细胞的差异性的基础。 多细胞生物进化的结果，是细胞活动分工的基础。
30nt 10nt 2nt
翻译一个特定顺反子的核糖体的数量取决于其 起始位点(SD序列)的效率
参与基因 表达调控？
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三、
原核生物基因表达的转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
亚基 分子量 36512 150618 155613 70263 功 能 决定哪些基因被转录 催化功能 结合DNA模板 辨认起始点
RNA聚合酶移动方向：35 RNA聚合酶全酶覆盖的区域-40+20， 因子识别并结合-35区和-10区。
因子是一个家族： •与核心酶组成全酶后，才能结合启动子 •不同因子可以竞争结合RNA聚合酶 •环境变化可诱导产生特定的因子 •不同因子由各自基因编码
P
O
阻遏蛋白的结合位点：
•操纵元件 (operator)
•紧邻启动子下游
•甚至部分序列与启动子重叠
•对RNA聚合酶可形成 空间阻碍
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• 激活蛋白结合正调控元件对转录起始进行正调控
正调控方式：
•结合启动子邻近序列
共有序列 -35 -10 +1
-----TGTGA--------TCACT--GTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG-
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④ 蛋白质-DNA及蛋白质-蛋白质的相互作用 是基因表达调控的分子基础
作为反式作用因子的调节蛋白具有特定的空间结构，通
过特异性地识别某些DNA序列与顺式作用元件发生相互 作用。
真核生物体系基因组结构复杂，首先形成蛋白质-蛋白质 复合物，再形成蛋白质-DNA复合物，参与基因表达的调 控。
启动子是最重要的顺式作用元件
是RNA聚合酶特异性识别和结合的位点
操纵元件紧邻启动子下游，与启动子部分重叠
是阻遏蛋白识别和结合的一小段DNA序列 LOGO
• 基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）
能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过 程有调控作用的蛋白质。
原核生物基因表达调控
Regulation of prokaryotic gene expression
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Outline
一. 有关基因表达的几个概念
Section 1 Some Concepts
二. 原核生物基因表达特点
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4. 基因表达调控（Gene Expression Regulation） ：
生物体通过特定的蛋白质与DNA、蛋白质与
蛋白质之间的相互作用来控制基因是否表达，或
调解表达产物的多少以满足生物体的自身需求以
及环境变化的过程。
基因表达的种类和强度 细胞的分化状态和功能 了解动植物生长发育的规律、形态结构 特征和生物学功能
在原核生物体内，基因组是一条双链环状DNA。
在真核生物体中，基因组是指一套完整单倍体DNA(染色体 DNA)和线粒体DNA的全部序列。
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3. 基因表达（Gene Expression）：
生物基因组中基因经过转录或转录和翻译等 一系列过程，合成特定的RNA或蛋白质的过程。
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1. 基因（Gene）：
编码一个RNA或蛋白质所需的整个核苷酸序列
结构基因 调控基因
只转录不翻 译的基因
编码结构蛋白 编码调控蛋白
tRNA
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2. 基因组（Genome）：
一套完整单倍体的遗传物质的总和。
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③ 基因表达受顺式作用元件和反式作用因子 共同调节
顺式作用元件（cis-acting element）
存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的DNA序列。 包括：启动子、增强子及沉默子等。 作用：参与基因表达的调控。（不编码蛋白质）
反式作用因子（trans-acting factor）
能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序 列上、参与调控靶基因转录效率的蛋白质。 功能结构域：DNA结合结构域、转录活化结构域。
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基因表达调控
Regulation of gene expression
吉林大学白求恩医学院 分子生物学教研室 杨光 讲师
Tel: 0431 - 85619369
2012-12-06