分子生物学 基因表达调控
分子生物学中的基因表达调控
分子生物学中的基因表达调控在分子生物学领域中，基因表达调控是一个重要的研究方向。
基因表达调控指的是细胞如何通过调控基因的转录和翻译过程来控制蛋白质的合成。
这一过程是细胞功能和发育的关键，也是许多疾病的发生和发展的基础。
基因表达调控可以通过多种方式实现，其中最重要的是转录调控和转录后调控。
转录调控是指通过调节基因的转录过程来控制基因的表达水平。
转录后调控则是指通过调控转录产物的剪接、修饰和稳定性等过程来控制基因表达。
在转录调控中，转录因子是起到关键作用的蛋白质。
转录因子可以结合到基因的启动子区域，促进或抑制转录的进行。
这些转录因子的结合可以受到多种信号分子的调控，如激素、细胞外信号和环境因子等。
通过这种方式，细胞可以对内外环境的变化做出快速和准确的反应。
除了转录调控外，转录后调控也是基因表达调控的重要机制。
转录后调控包括剪接调控、RNA修饰和RNA降解等过程。
剪接调控指的是在转录产物的剪接过程中选择性地剪接出不同的外显子，从而产生不同的转录本。
这种剪接调控可以使一个基因编码多种不同的蛋白质，增加了基因的功能多样性。
RNA修饰包括甲基化、腺苷酸修饰和磷酸化等过程，这些修饰可以改变RNA的稳定性和功能。
RNA降解则是指通过降解RNA分子来控制基因表达水平。
在基因表达调控中，还有一种重要的机制是表观遗传调控。
表观遗传调控是指通过改变染色质结构和DNA甲基化等方式来调控基因的表达。
这种调控方式可以在细胞分化和发育过程中起到关键作用。
表观遗传调控可以通过改变染色质的可及性来调控基因的转录活性，从而影响基因的表达水平。
基因表达调控在生物体内起到了重要的作用。
它可以使细胞对环境变化做出适应性的反应，保持细胞内环境的稳定性。
同时，基因表达调控还可以控制细胞的分化和发育过程，使细胞具有不同的功能和特性。
在疾病的发生和发展中，基因表达调控的异常往往是一个重要的因素。
许多疾病，如癌症和遗传性疾病，都与基因表达调控的异常有关。
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。
分子生物学-基因表达调控
a) 经典的src激酶家族 b) JAK激酶家族
➢ 蛋白磷酸酶(Protein phosphatase， PPase) • 丝氨酸／苏氨酸蛋白磷酸酶
（主要成员： PPl， PP2A， PP2B， PP2C等。）
• 酪氨酸蛋白磷酸酶(PTP)及双重特异性蛋白磷酸 酶（DSP）
蛋白的翻译后加工
20
蛋白质的磷酸化与脱磷酸化在细胞内的信 号传导过程中具有重要意义
• 活性受到信号分子的间接调节（共价修饰), 因此应答的特异性高；
• 存在放大效应； • 反应迅速； • 几乎涉及所有的生理过程
06
➢ DNA甲基化转移酶:
➢ DNA甲基化的功能：
一. 转录激活因子的结构 二. 转录激活因子的作用机制
转录水平/转录起始水平
一. 转录激活因子的结构
08
转录起始
顺式作用元件
反式作用因子
启动子
(Promoter)
基础/通用转录因子
（basal /general transcription factors）
例：小鼠免疫球蛋白 μ重链基因的选择性拼接
分泌型
膜结合型
反式拼接（Trans-Splicing）
顺式拼接： 涉及的外显子在同一个基因中; 反式拼接： 涉及的外显子不在同一个基因中，甚至不在同一个染色体中。
二. RNA的编辑
14
RNA编辑(RNA editing): 指的是转录后的RNA上发生的碱基插入，缺失，替换等现象。
பைடு நூலகம்
翻译后水平
蛋白的翻译后加工
蛋白的翻译后加工
18
翻译过程中， 一旦多肽链从核糖体中伸出， 就开始多肽链折叠和翻译后修饰。
分子生物学 ch7原核生物基因表达调控
调节蛋白
由调节基因lacI编码，单顺反子，有自身弱启 动子，能独立地组成型表达 阻遏蛋白一个结合位点是诱导物结合位点， 可被小分子诱导物结合，改变其构型，从而 影响与操纵基因结合的活性 阻遏蛋白一个结合位点是操纵基因结合位点， 分 调节蛋白以四聚体形式与操纵基因Olac结合， 子 阻遏结构基因的表达 生
物 学
CAP（降解物活化蛋白）或CRP（环腺苷酸受体 蛋白）是分子量为22.5kd的二聚体，CRP单体具有 DNA结合区和转录激活区，二聚体被单个cAMP活化， cAMP－CAP复合物与启动子结合，促进基因表达
葡萄糖分解代谢降低cAMP水平，使得其他分解代
谢受阻
CAP
RNA聚合酶结合
-35 cAMP
——阻遏蛋白(repressor)的结合操纵序列 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。
pol 启动序列 操纵序列 编码序列 阻遏蛋白
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
无效应物（辅阻遏物）——基因表达
操纵子分类
四类： 可诱导的正调控型：（ara O）： 可阻遏的正调控型 可诱导的负调控型（lac O)、 可阻遏的负调控型（trp O）
有 效 应 物 ＊ 基 因 表 达 无 效 应 物 ＊ 基 因 表 达
调节蛋白结合－阻遏基因表达 （阻遏蛋白）
负调控
调节蛋白结合－基因表达 （激活蛋白）
酶和转乙酰酶，结构基因由位于上游的一个lac启动子（lacP）起始
转录；lac操纵基因（lacO）位于lacP启和lacZ之间，并且和lacP有 部分重叠，其上可结合位于上游具有独立转录单位的lac调节基因
分子生物学-4
G
A
珠蛋白基因簇位于第 11 号染色体； , G, A, 和 为功能基因， 为假 基因。
胚胎发育早期的 Hb：22, 22 和 22 妊娠 8 周后胎儿的 HbF：22 成人型 HbA： 22 和 22 (3%)
(二) 空间特异性
在个体生长过程中，某种基因产物在个体中按不同组 织空间顺序出现，称为基因表达的空间特异性 (spatial specificity) 或组织特异性 (tissue specificity)。
真核生物基因表达调控
/10005107/
The ENCODE Project 旨在解析人类基因组中的所有功能性 元件。
染色体结构的变化对基因表达的影响
• DNA 甲基化： 胞嘧啶甲基化； • 染色质修饰：组蛋白的多种共价修饰；
• DNase I 超敏感位点：转录活性基因对 DNase I 极度敏感。
适体区序列保守，能与适体直接结合，使表达平台的构 象变化，形成有选择性的茎环结构，导致 mRNA 转录提前 终止或者抑制翻译的起始。
aptamer region (pink) expression platform (orange)
抑制型核糖开关：适体存在时能抑制基因表达； 激活型核糖开关：适体存在时能启动基因表达。
lacY 基因编码透过酶 (permease)
lacA 基因编码乙酰基转移酶 (transacetylase)
E.coli 在含葡萄糖的培养基中生长 时，lacZ 基因不表达。 当葡萄糖耗尽而乳糖存在时， lacZ 基因表达，-半乳糖苷酶将乳糖水 解成葡萄糖和半乳糖。
Allolactose (异乳糖)
• EF-G (转位酶) 定位在 L12CTD 和 L11-NTD 之间。
分子生物学：真核基因表达调控
真核基因表达的多级调控
在真核生物中基因表达的调节其特是
（1）多层次; （2）无操纵子和弱化子; （3）个体发育复杂; （4）受环境影响较小;
研究基因调控3个问题：
① 什么是诱发基因转录的信号？
基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，它 使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是 基因活性调控的一种方式。
实例： 非洲爪蟾的卵母细胞中原有rRNA基因（rDNA）约500个拷
贝，在减数分裂I的粗线期，这个基因开始迅速复制，到双线 期它的拷贝数约为200万个，扩增近4000倍，可用于合成1012个 核糖体，以满足卵裂期和胚胎期合成大量蛋白质的需要。
二、基因扩增、基因重排和基因丢失
三、DNA甲基化与基因活性的调控
一、 染色质结构对转录的影响
按功能状态的不同可将染色质分为： （1）活性染色质（有转录活性） （2）非活性染色质（没有转录活性）
染色质的核小体发生构象改变，松散的染色质结构，便 于转录调控因子和顺式用元件结合和RNA聚合酶在转录模板上 滑动。
真核基因调控中虽然也发现有负性调控元件，但其存在并不 普遍；
顺式作用元件： 由若干可以区分的DNA序列组成，并与特定的功能
基因相连，组成基因转录的调控区，通过与相应的反 式作用因子结合，实现对基因转录的调控。
反式作用因子： 能直接地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因子， 也被称为转录因子（TF）。
哺乳类基因组中约存在4万个CpG 岛，它们大多位于结构基 因启动子的核心序列和转录起始点，其中有60%～ 90% 的 CpG 被甲基化， CpG 岛在基因表达调控中起重要作用。
分子生物学原理：第十二章 基因表达调控1
基本方式。
二、乳糖操纵子调节机制
结构基因：lacZ（β－半乳糖苷酶） lacY（通透酶） lacA （乙酰基转移酶）
操纵序列：O1、 O2、O3 启动子：P
CAP结合位点
调节基因：I
Lac操纵子结构及其负性调节
Lac操纵子的调节
1、阻遏蛋白的负调节
阻遏基因
DNA
I
真核基因组结构庞大
真核基因组含有大量重复序列
多拷贝序列
高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103 ~ 104次）
单拷贝序列
真核生物以染色质的形式储存遗传信息
真核生物转录与翻译分割进行
真核基因转录产物为单顺反子
真核基因具有不连续性
真核生物线粒体DNA也储存遗传信息
二、染色质的活化
反式作用因子（trans-acting factor） ——由某一基因表达产生的蛋白质因子，与被
调节的DNA调节序列相互作用而发挥作用，这些蛋 白质分子称为反式作用因子。
反式作用因子直接作用： •直接结合DNA序列
反式作用因子间接作用： •通过蛋白质－蛋白质相 互作用发挥功能
基因表达调控的生理意义
基因表达的时间特异性和空间特异性
基因表达的持续性
管家基因
基因表达的可诱导性
诱导与阻遏
二、基因表达调控
1
多层次
DNA 基因激活 、拷贝数重排 、DNA 甲基化 RNA 转录起始、转录后加工、mRNA降解
蛋白质 蛋白质翻译、翻译后加工修饰、蛋白质降解
2
在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为
II. 增强子(enhancer)
增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件。
植物分子生物学中的基因表达调控
植物分子生物学中的基因表达调控在植物分子生物学领域，研究者们致力于了解植物中的基因表达调控机制。
通过研究这些机制，我们可以更好地理解植物的生长、发育以及对环境的响应。
本文将探讨植物基因表达调控的基本原理以及相关的研究方法和应用。
一、基因表达调控的基本原理基因表达调控是指植物细胞中基因信息的转录和翻译过程受到内外环境因素的调控，从而实现基因的表达或沉默。
植物基因表达调控的主要机制包括转录调控、转录后调控以及表观遗传调控。
1. 转录调控：转录调控是指在基因转录过程中，一系列转录因子和其他调控蛋白结合到基因启动子上，调节基因的转录水平。
这些转录因子可以促进或抑制基因的转录，从而控制基因的表达。
2. 转录后调控：转录后调控是指已经被转录成mRNA的RNA分子在转录后发生的调控过程。
这些转录后调控包括RNA剪接、RNA修饰、RNA转运和RNA降解等，可以改变mRNA的稳定性和转录后处理，从而调节基因的表达。
3. 表观遗传调控：表观遗传调控是指在基因表达过程中，DNA和蛋白质之间相互作用形成的表观遗传标记对基因的表达进行调控。
这些表观遗传标记包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质结构等，可以影响染色体的结构和可及性，从而控制基因的表达。
二、研究方法和技术为了深入研究植物基因表达调控的机制，研究者们利用了多种方法和技术。
以下是一些常用的研究方法：1. 基因组学研究：通过对植物基因组进行测序和分析，可以鉴定出植物基因的序列和组织特异性表达等信息。
基因组学的发展使我们可以全面了解植物基因的组成和结构。
2. 转录组学研究：转录组学研究通过对植物转录过程的全面分析，可以揭示基因的表达模式以及转录因子的调控网络。
最常用的转录组学方法包括RNA测序技术（RNA-seq）和芯片技术。
3. 蛋白质组学研究：蛋白质组学研究可以揭示植物蛋白质的组成、结构和功能。
蛋白质组学的方法包括质谱分析、蛋白质互作研究和蛋白质修饰分析等。
4. 遗传学研究：遗传学研究通过研究植物的突变体或基因敲除植物，可以揭示基因在植物生长和发育中的功能和调控机制。
分子生物学第5章
(2)当色氨酸充足时，色氨酰tRNA供给充足，核糖体迅速翻译序列1
合成前导肽，并对序列2形成约束，使序列2、3不能形成茎环结 构，转而序列3、4形成转录终止子结构衰减子，使下游正在转 录结构基因的RNA聚合酶脱落，终止转录
转录衰减机制:
新生肽链 核糖体
5’ 1 2
衰减子结构 (attenuator)
3
4
mRNA
UUUU 3’
DNA
trp 密码子当色氨酸来自度高时核糖体5’
1
2
3 4
当色氨酸浓度低时
高Trp时： Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2
片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖ρ因子的转录终止序列 RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物 转录、翻译偶联,产生前导肽
前导序列：在trp mRNA5'端trpE基因的起始密码前一 个长162nt的mRNA片段。
第10和第11位上有相 邻的两个色氨酸密码子
转录与翻译的偶联是衰减调控的基础 色氨酰tRNA浓度的变化是衰减调控的信号
(1)当色氨酸缺乏时，色氨酰tRNA供给不足，合成前导肽的核糖体
停滞于序列1的色氨酸密码子位点，序列2、3形成茎环结构，使
结合乳糖、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：
葡萄糖（G） 乳糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）
①
×
× √ √
√
× × √
√
√ √ √
CAP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 不能诱导去阻遏，CAP即使结合，基因未开放 细菌优先用G，无CAP结合，无诱导去阻遏 CAMP-CAP复合物无，CAP位点空，去阻遏 也无RNA pol结合
分子生物学研究中的基因表达调控
分子生物学研究中的基因表达调控基因是生命的基本单位，通过基因表达，细胞可以合成蛋白质，进而参与各种生物过程。
基因表达的调控是细胞发育、分化和适应环境的关键。
在分子生物学研究中，科学家们致力于探索基因表达调控的机制及其在生命过程中的重要作用。
基因表达调控可以分为转录调控和转录后调控两个层面。
首先，转录调控是指在DNA转录为RNA的过程中，通过调控转录的速率和特异性来控制基因表达。
转录调控的关键是转录因子，它们可以识别特定DNA序列，并调节基因的转录。
转录因子与DNA结合的方式多种多样，如通过结合DNA的特定序列（启动子区域）或结合其他转录因子形成复合物来实现调控。
通过转录因子的作用，细胞可以对内外环境变化作出适应性反应。
在转录后调控层面，主要通过RNA的剪接、修饰和降解来调控基因表达。
RNA剪接是指在RNA分子合成之后，通过剪接酶的作用将剪接区域的RNA片段切除和连接，从而形成成熟的RNA分子。
剪接的方式多种多样，同一基因可以产生多个不同的RNA剪接体，从而实现基因表达的多样性。
此外，RNA还可以通过修饰（如甲基化）来调控基因表达。
这些修饰使RNA分子更加稳定，或者通过与其他蛋白质相互作用，影响RNA的功能和定位。
另外，通过降解RNA分子，细胞可以快速调节基因表达的水平，以实现对环境变化的反应。
除了细胞内调控机制外，外源性信号和内源性信号也可以影响基因的表达调控。
外源性信号，如激素、药物等，可以与细胞表面的受体结合，传递信号并影响基因的表达。
内源性信号则是指细胞内部的信号通路，包括细胞周期、细胞分化等过程。
这些信号可以通过磷酸化、乙酰化等化学修饰来调控基因的表达。
最近，通过高通量测序技术的发展，我们可以更深入地研究基因表达调控。
基因组学、转录组学和表观基因组学等技术的应用，使我们能够全面了解细胞状态下基因表达的整体图谱。
通过研究这些图谱，我们可以揭示转录调控和转录后调控在不同细胞类型和发育阶段的差异，以及基因表达异常与许多疾病的关联。
分子生物学第一篇基因表达调控和蛋白质修饰
分子生物学第一篇: 基因表达调控和蛋白质修饰基因组(Genome): 生物个体所携带遗传性物质的总量。
即细胞中的DNA总量，或病毒的DNA或RNA量“C值悖论”(C-value paradox): C值:一种生物细胞中特异不变的DNA总量（单倍体基因组）。
物种的C值和它进化的复杂性之间没有严格的对应关系，这种现象称为C值悖论。
基因表达(Gene expression): 在一定调控机制下基因经过激活、转录、翻译、等过程产生具有生物学功能分子从而赋予细胞一定功能或表型，即基因的转录和翻译的过程。
基因表达调控（Regulation of gen expression): 细胞或生物体接受环境信号刺激或适应环境营养状况变化在基因表达水平上作出应答的分子机制。
这包括对表达基因种类和数量上的调调控。
基础基因表达(basic gene expression)：又称持续性/组成型基因表达(constitutive gene expression）: 不易受环境变化而改变的基因表达。
这其中包括一类“管家基因(housekeeping genes)”, 这类基因产物是细胞生存活动所必需的，在个体各生长阶段都表达。
可调节基因表达(regulated gene expression):易受环境变化而改变的基因表达。
对环境应答时被增强表达的过程称为诱导(induction), 被激活的基因称为可诱导基因(inducible genes)；对环境应答时被抑制表达的过程称为阻遏repression)，被抑制的基因称为可阻遏基因(repressible genes)基因表达规律:组织特异性(tissue specificity) 时间特异性(temporal specificity)基因表达调节的生物学意义:(一) 适应环境，维持生长和增殖(二) 维持个体发育与分化.真核细胞的结构特性:1、庞大基因组，结构复杂，大量重复序列，基因组大部分是非蛋白质编码的序列，基因内部常被内含子(intron)隔开2、结构基因转录产物是一条单顺反子(monocistron) mRNA,基本上没有操纵元件的结构，而且真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽链形成的亚基构成的，涉及到多个基因的协调表达。
现代分子生物学第五章基因表达调控
江汉大学文理学院
16
AraC蛋白同时显正、负调节因子的功能。阿拉伯 糖操纵子的操纵基因受AraC蛋白调节。AraC蛋白具有 两种不同的功能构象，即正、负调节因子的双重功能 构象。一般认为Pr是起阻遏作用的构象形式，可与操 纵区位点相结合，Pi是起诱导作用的构象形式，通过 与PBAD启动子结合进行调节。Pr和Pi两种构象处于动态 平衡之中。当缺乏诱导物阿拉伯糖时，AraC处于Pr状 态，不结合araI而是结合操纵基因位点，阻碍araBAD 的表达。当阿拉伯糖存在时，由araC编码的激活蛋白 AraC与其结合，改变了AraC的构象显出Pi，该复合物 结合于araL区后可激活PBAD转录。
江汉大学文理学院
8
2．乳糖操纵子的调控机制 当培养基中没有乳糖时，调节基因编码的阻遏蛋白结合到操纵基因上，阻 止了结构基目的表达。将大肠杆菌转到乳糖培养基中时，由于诱导物分子结 合在阻遏蛋白的特异部位，引起阻遏蛋白构象改变，而不能结合到操纵基因 上，操纵子被诱导表达。在这个系统中的诱导物分子不是乳糖本身，而是乳 糖的同分异构体——异乳糖。乳糖进入大肠杆菌细胞后被转化成了异乳搪。
江汉大学文理学院
3
（一）细菌细胞对营养的适应
为了生存，细菌必须能够适应广泛变化的环境条件。这些环境条件包括 营养、水分、溶液浓度、温度、pH等。而这些条件又必须通过细胞内的各种 生化反应途径，为细胞的生长繁殖提供能量和构建细胞组分所需的小分子化 合物。一般细菌如火肠杆菌所需的碳源首先是葡萄糖，利用葡萄糖发酵获得 能量，维持生存。在缺乏葡萄糖时细菌也可以利用其他糖类（如乳糖）作为 碳源维持生存。 （二）结构基因和调节基因 结构基因(structural gene)是编码蛋白质或功能RNA的基因。细菌的结构 基因一般成簇排列，多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都 表达或者都不表达。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞 和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节 基因(regu1ator，gene)是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的 特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录 是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或 增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达 活性)调节靶基因。它们通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。
分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件
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
分子生物学：原核基因表达调控模式
添加葡萄糖后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到 满足，葡萄糖是最方便的能源，细菌无需开动一些不 常用的基因去利用这些稀有的糖类。
葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少
环腺苷酸（cAMP）的合成，与它相结合的蛋白质，
即 环 腺 苷 酸 受 体 蛋 白 CRP 又 称 分 解 代 谢 物 激 活 蛋 白 CAP，因找不到配体而不能形成复合物。
负控诱导 阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结 构基因不转录；与之结合则转录。
负控阻遏 阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。 阻遏蛋白作用的部位是操纵区。
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋 白（activator）。
正控诱导系统 效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白 处于活性状态；
葡萄糖 cAMP Lac操纵子被抑制
DNA
+ + + + 转录
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
协调调节
负性调节与正性调节协调合作
阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性
23
• 乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。 ② 这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P）， 不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 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。 ④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 ⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结 合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻 遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能
Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组 成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚 基均含347个氨基酸残基。
lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；
阻遏物 2022/10/18
β-半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰3酶2
2022/10/18
16
调节机理：
细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变
氨酰 – tRNA的浓度变化
核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同，使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
2022/10/18
17
3、降解物对基因活性的调节P252
葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等 诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现 象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（catabolite repression）。
2022/10/18
35
（五）、cAMP与代谢物激活蛋白
葡萄糖
葡萄糖-6-磷酸
甘油 某些代谢产物抑制活性
腺苷酸环化酶
ATP
cAMP
编码
cAMP-CAP
Crp基因
代谢物激活蛋白 CAP
葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。
2022/10/18
22
一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
两种含硫的乳糖类似物：
异丙基巯基半乳糖苷
（IPTG）
巯甲基半乳糖苷（TMG）
E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时，β-半乳糖苷酶含量极低；
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
分子生物学课件第十一章 真核生物的基因表达调控
y Y
z Z
第十一章 真核生物基因表达的调控
3.3 反式作用因子 为DNA结合蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或 关闭（负调控）。 转录因子
－基本转录因子：RNA聚合酶结合启动子所必需
的一组蛋白因子,主要包括TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ 。
－特异转录因子：个别基因转录所必需的转录因
子，如OCT-2在淋巴细胞中特异性表达，识别Ig 基因的启动子和增强子。
3.2 顺式作用元件 ⑴ 启动子（Promoter） 启动子：指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段 DNA序列。它还包括一些调节蛋白因子的结合位点 。 ① 核心启动子成分，如 TATA 框 ； ② 起始子序列； ③ 上游启动子成分，如CAAT框 ,GC框 。
影响基因转录的效率和频率！
第十一章 真核生物基因表达的调控
真核与原核生物转录调控的区别
第十一章 真核生物基因表达的调控
3 转录水平的调控 3.2 顺式作用元件
启动子、增强子、沉默子、绝缘子等！ 结构基因 -GCGC---CAAT---TATA
转录起始 增强子 TATA 盒 CAAT 盒
GC 盒
第十一章 真核生物基因表达的调控
第十一章 真核生物基因表达的调控
2.3 基因重排
如免疫球蛋白基因重排，多样性。
第十一章 真核生物基因表达的调控
第十一章 真核生物基因表达的调控
第十一章 真核生物基因表达的调控
2 DNA水平的调控 2.4 染色质结构的改变 染色质是真核基因组DNA的主要存在形式，核小 体是构成染色质的基本单位。DNA结合组蛋白核心 形成核小体，妨碍了与转录因子及RNA聚合酶的靠 近和结合，使基因的活性受到抑制。可通过改变染 色质的结构来调节基因的活性。 ☆ 常染色质:结构松散，基因表达 ☆ 异染色质:结构紧密，基因不表达 ☆ 有基因表达活性的染色质DNA对 DNaseⅠ更敏 感，即DnaseⅠ的敏感性,可作为该基因的转录活 性的标志 ☆ 染色质改变模型：占先模型和动态模型。 第十一章 真核生物基因表达的调控
- 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)。
二、基因表达调控的几个层次
转录前调控：基因拷贝数； 转录调控：mRNA拷贝数； 转录后调控：RNA修饰及运输； 翻译调控：核糖体与mRNA结合效率； 翻译后调控：蛋白质的加工修饰
三、基因表达的特点及方式
(一) 时间特异性 ( temporal specificity)
甲胎蛋白（alpha fetal protein, AFP)
28
—乳糖操纵子模式图
—乳糖操纵子的调控模式
Lac Operon
Regulatory element Repressor gene I CAP binding site P O
Structure genes
Lac Z Lac Y Lac A
RNA pol. binding site
Repressor binding site
基因表达调控
Gene expression & regulation
孙 巍
联系方式：
s_wei@
自我介绍：
孙巍，M.D., Ph.D
1997-2002，白求恩医科大学临床医学系，本科生 2002-2004，吉林大学药学院，硕士研究生 2004-2007，吉林大学白求恩医学院，博士研究生 2009-2011，美国俄亥俄州州立大学药学院，博士后 2011-2012，白求恩医学院分子生物学教研室，讲师 2012-现在，白求恩医学院分子生物学教研室，副教授
transcription
互补链 （非模板链/编码链）
mRNA:
3-UCU CCC AAG AAA UAC UUC GGU GCU GAC GAA UUA GCU CUU ACU AAC-5
20
—启动子为RNA聚合酶提供结合位点
转录方向
+1 Start point ATGACGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA
R N合 A聚 阻遏 蛋 酶结 白 结合 合酶合 结酶 白 结 合 R N A 聚 阻 遏 结 白结 合 合 位点 位 点蛋 合 点 位 点 R位 NA 聚 阻 遏 合 酶 结 蛋点 白结合 合 位 RN A点 聚 位 阻 遏 蛋 合 酶 结 合白 位结 点合 位 点 •阻遏蛋白： 合 合单 位体 点酶 结 位阻 点白 阻遏蛋白 遏结 蛋合 白四聚体 合位点 位点
I P
•乳糖与阻遏蛋白结合使 阻遏基因 操 纵 基 因 “O”开放
结构基因 结构基因 L ac Z L ac Y L ac A L c Z L ac Y L ac A 结a构 基因
Lac Y Lac A
I
RNA聚 阻 遏 蛋 O酶 L ac Z R N合 A 聚 结阻 遏 白蛋 结合 合酶 合结 位 点白 结 位合 点 合位点 位点 X RNA聚 阻 遏 蛋 合酶结 白结合 合位点 位点
几个功能相关的结构基因串联 在一起，受同一个控制区调节 的一段DNA序列
14
2. 原核基因表达
•原核基因以操纵子结构为转录单位进行转录
transcription termination
调控区 •启动子
Start point
信息区 •串联的结构基因
•操纵元件
•顺式作用元件
转录
15
转录水平的基因表达调控
启动子 Promoter
Terminator
大肠杆菌的启动子：
-35
-10
+1
5' -GTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTAC 3' TATATTCTCAAT AGGTCCACG-TTGACA TATATT 3' CACATAA CT GTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC- 5'
可见， —具备启动子和终止子的DNA序列就可以被转录 称这种序列为 转录单位 (transcription unit）
—具备完整转录单位的基因才能被转录
18
转录水平的调控： 可见，基因转录： •需要完整的转录单位（操纵子） •RNA聚合酶与启动子可决定基因的转录 •问： —启动子是什么？ —启动子怎么影响基因的转录？
17
将基因完善如下：
Start point ATGACGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA
启动子 Promoter
Terminator
转录 —依照DNA序列合成mRNA的过程
AUG 3-non-coding sequence
mRNA
5-non-coding sequence
(二) 空间特异性 ( spatial specificity)
细胞/组织特异性（cell/tissue specificity)
7
四、基因表达方式的多样性
(一) 有些基因在所有细胞中持续表达
管家基因（house-keeping gene)
(二) 基因表达受到环境变化的诱导和阻遏
可诱导基因（inducible gene) 可阻遏基因（repressible gene)
8
五、基因表达调控的特点
（一）、转录起始的调控特点 转录起始是RNA聚合酶与DNA序列相互作用的结果。 （二）、翻译起始的调控特点 翻译起始是核糖体与mRNA相互作用的结果。 （三）、对转录和翻译产物的调控特点 mRNA的半衰期、加工修饰及运输； 蛋白质的折叠、修饰及运输。
原核基因表达调控
10
原核细胞
19
2. 启动子是一段DNA序列
•启动子： —位于结构基因的上游 —启动其下游基因的转录 —决定基因转录的方向及模板链
模板链
启动子
AGA GGG TTC TTT ATG AAG CCA CGA CTG CTT AAT CGA GAA TGA TTG TCT CCC AAG AAA TAC TTC GGT GCT GAC GAA TTA GCT CTT ACT AAC
3. 细胞质
4. DNA 0. 荚 膜 1. 细胞壁 2. 细胞膜 5. 核糖体
基因是连续的 操纵子结构
基本概念
•启动序列（promoter sequence)：发出转录信号 •操纵序列(operator sequence)：控制转录速度
•操纵子（operon):控制区 + 信息区的一段DNA序列
16
1. 基因转录需要具备哪些条件？
•基因是一段特定的DNA序列 —基因表达：DNA mRNA Protein
ATGATGATCGATCTATCGATCGATTAGAGGTAA RNA聚合酶 转录 —依照DNA序列合成mRNA的过程
mRNA
RNA聚合酶：负责合成RNA
需要识别及/或结合特定DNA序列 —启动转录 —终止转录
启动子 Promoter
Terminator
基因转录的软件： —RNA聚合酶
22
3. RNA聚合酶决定基因的转录
—原核生物只有一种RNA聚合酶
RNA pol. 全酶 •RNA聚合酶全酶由五个亚基组成 •不同亚基有不同功能：
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
半乳糖苷转酰酶 Lac A 半乳糖苷渗透酶 Lac Y
13
1. 原核生物基因 ( Prokaryotic gene)
•原核基因是在原核细胞中表达的一段DNA序列 •产物常以多顺反子RNA形式存在
Polycistron
•基因序列是连续的，没有内含子（与真核基因相比） •基因的转录单位是操纵子 (operon）
3
主要内容
基因表达与基因表达调控的概念与特点 原核基因表达调控 真核基因表达调控
4
一、基因表达及调控的概念
基因表达:是指细胞将 储存在DNA中的遗传信 息经过转录或转录-翻 译过程转变为具有生物 学活性分子（RNA或蛋 白质）的过程 。 基因表达调控：是指在 基因表达的不同阶段控 制基因表达速率和产量 的过程。
结构基因 L ac Y L ac A
—阻遏蛋白的负调控
RNA聚 阻 遏 蛋 阻 遏 基 因 合操 纵基 因 酶结 白 结合 合位点 位点
I
结构基因
I PP OO L ac A Lac ZL a c Z Lac Y Lac A L a c Y 阻遏基因 操纵基因 结构基因 阻 遏阻 基遏 因基 因 操 纵操 基纵 因基 因 结 构结 基构 因基 因 阻遏 基R因 操 纵基O 因 结构基因 I P L a c Z L ac Y L ac A N A 聚 阻 遏 蛋 阻遏 基因 操 纵 基 因 结 构 基 因 I P O L a c Z L a c Y L a c A transcription I 基 因合 酶 P O L ac Y L ac A 阻 遏 操 纵阻 基 因 结 白遏 结 合白 四 聚 体L a c Z 结 构 基 因 阻遏蛋白 单 体 蛋 I 合 位 点 P位 点 O L ac Z L ac Y L ac A I P R N AO Z L ac Y L ac A 聚 O 阻 遏 蛋 L ac No expression I P L a c Z L a c Y L ac A RNA聚 阻 遏 蛋 mRNA
23
in E.coli， —RNA聚合酶结合启动子时覆盖区域为-40~+20
24
•可见， —RNA聚合酶是基因转录的最关键蛋白质 —如果干预RNA聚合酶的活性，细胞会怎样？
RNA聚合酶可以是药物靶点 例如： •利福平—作用靶点是亚基 •肝素——作用靶点是亚基（in vitro）
Structure genes
P O Lac Z Lac Y Lac A
12
1. 原核生物基因 ( Prokaryotic geቤተ መጻሕፍቲ ባይዱe)