第8讲 目的基因的表达与调控
基因的表达与调控
基因的表达与调控在生命的微观世界里，基因的表达与调控就像是一场精妙绝伦的舞蹈，每一个舞步都精准无误，共同演绎着生命的旋律。
基因，作为生命的密码，蕴含着生物体生长、发育、繁殖以及适应环境等各种生命活动的信息。
而基因的表达，就是将这些隐藏在 DNA 序列中的信息转化为具有生物活性的蛋白质或 RNA 分子的过程。
简单来说，基因表达就像是一个按照特定配方制作产品的工厂，DNA 是配方手册，而蛋白质或 RNA 就是生产出来的产品。
基因表达的第一步是转录。
在细胞核内，DNA 双链解开，其中的一条链作为模板，在 RNA 聚合酶的作用下，合成出与模板链互补的RNA 分子。
这个过程就像是根据配方抄写出一份制作产品的说明书。
不同的基因会转录出不同类型的 RNA，其中最重要的是信使 RNA （mRNA），它承载着基因的遗传信息，从细胞核中走出，前往细胞质中的核糖体，在那里开始翻译的过程。
翻译则是基因表达的第二步，也是最终将遗传信息转化为蛋白质的关键步骤。
在核糖体中，mRNA 上的密码子与转运 RNA（tRNA）携带的氨基酸相互配对，tRNA 就像是一个个装载着原材料的小推车，按照 mRNA 上的指令依次将氨基酸连接起来，形成多肽链。
多肽链经过一系列的折叠、修饰等加工过程，最终形成具有特定结构和功能的蛋白质。
然而，基因的表达并不是一成不变的，它会受到严格的调控，以适应生物体在不同时期、不同环境下的需求。
这种调控就像是一个精准的指挥家，确保每一个基因在正确的时间、正确的地点以正确的强度表达。
基因调控可以发生在基因表达的各个阶段。
在转录水平上，调控机制非常复杂。
DNA 上的特定区域，如启动子、增强子和沉默子等，会与各种转录因子相互作用，影响 RNA 聚合酶与 DNA 模板的结合，从而决定基因是否转录以及转录的频率。
例如，当细胞需要大量合成某种蛋白质时，相应的转录因子会被激活，与启动子结合，促进 RNA 聚合酶的工作，使基因转录更加频繁；而当不再需要这种蛋白质时，转录因子可能会失去活性，或者一些抑制因子会结合到 DNA 上，阻止 RNA 聚合酶的作用，从而降低基因的转录水平。
基因的表达与调控
基因的表达与调控基因的表达与调控是生物学中的重要课题，涉及到生物体内基因的转录、翻译以及后续的调节过程。
本文将从基因表达的机制、基因调控的方式以及基因表达与调控在生物体内的重要性等多个方面进行讨论。
一、基因表达的机制基因表达是指基因在特定环境下产生功能蛋白质的过程。
它包括两个主要步骤：转录和翻译。
转录是指在细胞核中，DNA模板上的一条链被转录成mRNA的过程。
翻译是指在细胞质中，mRNA被核糖体翻译成蛋白质的过程。
这两个过程共同决定了基因的表达水平和产生的蛋白质种类。
二、基因调控的方式基因调控是控制基因表达的过程，包括转录调控和转录后调控两个层次。
转录调控主要通过调节转录过程中参与其中的转录因子的活性、结合位点以及染色质结构等来实现。
而转录后调控则主要包括mRNA剪接的调控、mRNA稳定性的调控以及翻译的调控等。
这些调控方式的变化将直接影响到基因表达的水平和蛋白质产物的多样性。
三、基因表达与调控的重要性基因表达与调控在生物体内起着至关重要的作用。
首先，它决定了细胞的分化和特异性。
不同细胞具有不同的表达模式，通过基因表达与调控的变化，细胞可以实现特定功能，并形成复杂的组织和器官。
其次，基因表达与调控也参与了许多重要的生物学过程，如发育、免疫反应和细胞凋亡等。
调控失败会导致疾病的发生和进展。
再次，基因调控还受到环境因素的影响。
细胞和生物体对不同环境的适应性通过基因表达和调控来实现。
综上所述，基因的表达与调控是生物学中一个重要的研究方向。
通过研究基因表达与调控的机制，我们可以更深入地了解生物体的生命活动，并为疾病治疗和基因工程等领域的发展提供理论基础和实践指导。
未来的研究将进一步揭示基因表达与调控的机制，为生物学的发展做出更大的贡献。
基因的表达与调控教学教案
对实验结果进行深入讨论，解释数据背后的生物 学意义，探讨可能的影响因素及机制。
结论总结
总结实验结果，指出研究的意义和局限性，提出 未来研究方向或建议。
THANKS
感谢观看
PCR技术
通过特异性引物对目的基因进行 扩增，结合凝胶电泳、荧光定量 等方法对PCR产物进行分析，检
测基因突变。
基因芯片技术
将大量基因特异性探针固定在芯 片上，与待测DNA样本进行杂交 ，通过检测杂交信号来识别基因
突变。
单细胞测序技术
对单个细胞进行基因组测序，揭 示细胞间的基因变异和表达差异
。
蛋白质组学技术
基因表达的意义
基因表达是生物体生长、发育、繁殖和应对环境变化的 基础，对于理解生物体的生命活动及其调控机制具有重 要意义。
转录过程及产物
转录过程
转录是以DNA为模板，在RNA聚合酶的催化下， 合成RNA的过程。转录过程包括启动、延伸和终 止三个阶段。
转录产物
转录的产物是RNA，包括mRNA（信使RNA）、 tRNA（转运RNA）和rRNA（核糖体RNA）。
DNA测序技术
Sanger测序
利用DNA聚合酶和特异性引物进行DNA合成，通过掺入链终止剂来终止DNA链 的合成，进而通过高分辨率凝胶电泳分离不同长度的DNA片段，实现DNA序列 的测定。
下一代测序技术
利用高通量测序平台对数百万个DNA片段进行同时测序，具有高通量、高灵敏度 、低成本等优点。
基因突变分析技术
蛋白质降解
通过泛素-蛋白酶体途径等 降解途径，调节蛋白质的 稳定性和活性。
蛋白质转运
将蛋白质从合成部位转运 到作用部位，影响其活性 和功能。
03
基因的表达和调控
基因的表达和调控基因是生命的基础，它决定了细胞的结构和功能。
然而，在人体中，有数千万个基因，它们并不都以同样的方式表达和调控。
基因的表达和调控是如何实现的呢？本文将探讨这一问题。
一、基因的表达基因的表达是指基因对蛋白质合成的转录和翻译两个过程。
首先，基因通过RNA聚合酶被转录成mRNA，然后mRNA被翻译成蛋白质。
这个过程是由核糖体中的ribosomal RNA和多种酶和辅酶控制的，因此也被称为翻译调控。
然而，基因的表达不是一个静态的过程。
它可以受到内部和外部环境的调节，以适应不同的生物学需求。
例如，干细胞必须在细胞分化之前保存其基因表达的多样性，并在特定时期启动或关闭特定的基因。
这被称为时空调控。
二、基因的调控基因的调控分为许多层次，从基因组水平到分子水平。
这些层次包括染色体蛋白质修饰、转录因子、表观遗传学、RNA后转录调控和翻译调控等。
1、染色体蛋白质修饰染色体蛋白质修饰是基因的最初调控层次。
这是通过调节染色体上的DNA可及性来实现的。
DNA的可及性是指DNA是否可以被转录酶访问。
这可以通过修改染色体组蛋白来实现。
组蛋白是DNA的结构蛋白，它可以通过乙酰化、甲基化、磷酸化等方式被修改。
不同的组蛋白修饰可以影响染色体的紧密程度，从而影响转录酶的访问。
2、转录因子转录因子是指可以与DNA结合的蛋白质。
它们控制转录的启动或中断。
转录因子包括激活性蛋白质和抑制性蛋白质。
激活性蛋白质结合到启动子区域上，从而激活RNA聚合酶的转录作用，而抑制性蛋白质可以结合到激活蛋白质或转录因子上，从而阻止转录的进行。
3、表观遗传学表观遗传学是指在没有改变DNA序列的情况下，通过DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的作用来调节基因表达的一种方式。
甲基化是一种DNA上的化学修饰，会减少某些基因的转录水平。
组蛋白修饰可以影响特定基因的转录。
非编码RNA是一种不编码蛋白质的RNA，它可以与特定的DNA序列相互作用，从而影响这些基因的表达。
基因的表达与调控
基因的表达与调控在生命的微观世界里，基因的表达与调控就像是一场精心编排的交响乐，每一个音符都精准无误地奏响，共同演绎着生命的壮丽篇章。
要理解生命的奥秘，我们就必须深入探究基因的表达与调控机制。
基因，这个生命的密码本，携带着生物体生长、发育、繁殖以及应对环境变化的各种指令。
基因的表达，简单来说，就是将基因中所蕴含的信息转化为具有生物活性的产物，如蛋白质或 RNA 分子。
这一过程就如同按照图纸制造出实际的产品。
基因表达的第一步是转录。
在细胞核中，DNA 双螺旋解开，其中的一条链作为模板，在 RNA 聚合酶的作用下合成 RNA 分子。
这就好像是照着一份蓝图抄写出一份副本。
合成的 RNA 包括信使 RNA （mRNA）、转运 RNA（tRNA）和核糖体 RNA（rRNA）等。
其中，mRNA 最为关键，它承载着蛋白质合成的密码，将从细胞核转移到细胞质中。
接下来是翻译过程。
在细胞质中的核糖体上，mRNA 与 tRNA 相互协作，tRNA 携带特定的氨基酸，根据 mRNA 上的密码子顺序，将氨基酸连接成多肽链。
经过一系列的折叠和修饰，多肽链最终形成具有特定结构和功能的蛋白质。
然而，基因的表达并非是一成不变的，它受到精细而复杂的调控。
这种调控就像是一个智能的交通指挥系统，确保基因在合适的时间、地点和条件下表达，以维持生命活动的平衡和稳定。
基因调控可以发生在多个层面。
在转录水平上，调控最为关键。
基因的启动子区域就像是一个开关，决定着 RNA 聚合酶能否与之结合并启动转录。
一些特殊的蛋白质，称为转录因子，它们可以结合到启动子或其他调控区域，增强或抑制基因的转录。
例如，在细胞需要大量合成某种蛋白质时，相应的转录因子会促进基因的转录；而在不需要时，则会抑制转录。
除了转录水平，转录后的调控也非常重要。
RNA 经过加工和修饰，如剪接、加帽和加尾等，这些过程都会影响最终的蛋白质产物。
而且，mRNA 的稳定性也会影响基因表达的水平。
基因的表达与调控
转录起始：转录因子与DNA结合，启动转录过程
转录后调控：转录因子与mRNA相互作用，影响mRNA的稳定性和翻译效率
转录后水平调控
翻译后修饰：蛋白质的翻译后修饰，如磷酸化、糖基化等，可以改变蛋白质的活性和功能。
蛋白质降解：蛋白质的降解可以通过泛素化、自噬等途径进行，从而调控蛋白质的稳定性和功能。
蛋白质相互作用：蛋白质之间的相互作用，如蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、蛋白质-RNA等，可以影响蛋白质的活性和功能。
基因表达的调控元件
PART 03
启动子
启动子包含多个顺式作用元件，如TATA盒、CAAT盒等
启动子是基因表达的调控元件之一，位于基因的5'端
启动子可以结合RNA聚合酶，启动基因的转录过程
启动子的功能是调控基因的转录效率和表达水平
增强子
增强子是基因表达的调控元件之一，可以增强基因的转录活性。
增强子通常位于基因的远端，与启动子相距较远。
沉默子的存在可以调控基因的表达，从而影响生物体的发育和生理功能
绝缘子
绝缘子的功能与基因的转录和翻译有关
绝缘子可以调节基因的表达水平
绝缘子可以阻止转录因子与启动子的结合
绝缘子是基因表达的调控元件之一
基因表达的调控应用
PART 04
疾病治疗
基因治疗：通过基因编辑技术，修复或替换病变基因，达到治疗疾病的目的
增强子可以与转录因子结合，从而增强基因的转录活性。
增强子的作用机制包括：促进转录因子与启动子的结合，增强转录因子的活性，以及改变染色质的结构等。
沉默子
沉默子是一通常位于基因的启动子区域，通过与转录因子结合来抑制转录
沉默子的作用机制包括：阻止转录起始、抑制转录延伸、促进转录终止等
高中生物教学备课教案基因的表达与调控
高中生物教学备课教案基因的表达与调控高中生物教学备课教案主题：基因的表达与调控引言：基因是生物的遗传信息库，它们通过表达和调控来实现生物的生长和发育。
了解基因的表达与调控对于深入理解生物的遗传机制和细胞功能至关重要。
本节课我们将重点讲解基因的表达和调控的原理及过程，并通过案例分析和实验教学，帮助学生掌握关键概念和实践技能。
一、基因的表达1. 介绍基因表达的概念及重要性（200字）基因表达是指基因信息从DNA转录成RNA，并进一步翻译为蛋白质的过程。
基因表达在维持生物正常功能和适应外界环境中起着重要作用。
2. DNA转录为RNA的过程及关键酶（300字）DNA转录为RNA是基因表达的第一步，包括启动子识别、转录、终止等过程。
RNA聚合酶以及与其相关的辅助因子在此过程中起关键作用。
3. RNA的剪接和后转录修饰（400字）剪接是将转录产物中的内含子切除，将外显子连接为连续RNA的过程。
此外，RNA还需要进行5'帽子和3'端修饰等后转录修饰，以提高稳定性和翻译效率。
4. 蛋白质的翻译（300字）翻译是指在核糖体上将mRNA的信息转化为氨基酸序列的过程。
起始子和终止子的识别以及氨基酸的连接在此过程中发挥关键作用。
二、基因的调控1. 不同细胞类型中基因表达的差异（200字）细胞具有分化和特化的特性，这导致了不同细胞类型中基因表达的差异。
组织特异性转录因子和染色质结构决定了基因表达水平的差异。
2. 转录水平的调控机制（400字）转录水平调控是指通过调控转录因子活性和可及性来控制基因表达水平。
包括转录激活子和转录抑制子的作用，以及DNA甲基化和组蛋白修饰等。
3. 翻译水平的调控机制（400字）翻译水平调控是指通过调控转录后的RNA的翻译效率来控制蛋白质的表达水平。
包括mRNA的稳定性、启动子序列、3' UTR区域及RNA结合蛋白的作用。
4. 长非编码RNA的调控功能（300字）长非编码RNA (lncRNA) 在基因表达调控中发挥重要功能，包括转录调控、染色质构建、转录后修饰等。
基因的表达与调控技术优秀课件
细菌质粒pUC18
1．该质粒比较小，可以插入一段较长的DNA片段。 2．进入宿主细菌细胞后，pUC18在每个细胞中可复制
形成大约500个拷贝。 3．在pUC18中有一小段人为设计和插入的具有多种限
➢ DNA序列中涉及单个核苷酸或碱基的变化称为点突 变。在一个基因内发生的点突变通常有两种情况： 一是一种碱基或核苷酸被另一种碱基或核苷酸所替 换；二是一个碱基的插入和缺失
点突变——替换 ➢ 一种碱基被另一种替换
点突变——替换 同义突变：不改变相应的氨基酸序列（密码子的简并性）
错义突变：改变了氨基酸序列
重组DNA技术，又称为基因或分子克隆技术， 是基因工程的核心技术。该技术包括了一系列 的分子生物学操作步骤。
ห้องสมุดไป่ตู้
➢ 重组DNA操作一般步骤：
（1）获得目的基因； （2）重组DNA分子的构建； （3）转化或转染； （4）对转化子筛选和鉴定； （5）特定遗传性状的表达。
➢ 获得需要的目的基因常用的方法：
➢ 由于环境因素，或遗传因素，或环境与遗传因素 的相互作用等，都可能导致基因突变的发生，也 可能导致基因表达调控的失常。其结果便造成了 某些与基因相关的人类疾病的发生。
➢ 从分子水平来解释某些与基因表达相关的人类重 大疾病为基因诊断和治疗提供了依据。
癌症
➢ 癌症和心血管疾病成为威胁人类健康的两大恶魔。 ➢ 癌是细胞生长与分裂失控引起的疾病，其根源是体细
• 染色体数目的变异 –整倍体变异：多倍体，单倍体 –非整倍体变异：三体，缺体
• 染色体结构的变异 –缺失（deletion） –重复（duplication） –易位（translocation） –倒位（invertion）
《目的基因的表达》课件
目的基因表达的机制
目的基因的表达是通过转录和翻译的过程实现的，同时也受到转录因子和后转录修饰的调控。 ## 1. 转录与翻译的过程 基因的信息首先通过转录过程转化为RNA，然后通过翻译过程合成蛋白质。 ## 2. 转录因子的作用 转录因子能够结合到目的基因的启动子区域，调控基因的转录过程。 ## 3. 后转录修饰的作用 通过DNA甲基化、组蛋白修饰等方式对RNA和蛋白质进行修饰，影响目的基因的重要活动之一，对于理解生物体的发育和生理功能具有重要意义。 ## 目的基因表达的重要性 目的基因的表达对生物体的正常生理功能起到关键作用。 ## 目的基因表达的未来研究方向 未来的研究将更加深入地探究目的基因的调控机制和应用前景。
参考文献
1. 张三, 李四. (2020) 目的基因表达的研究进展. 《生物科学》, 10(2), 123-135.
目的基因表达与疾病
目的基因的异常表达常常与各种遗传疾病和环境疾病的发生和发展密切相关。 ## 1. 目的基因表达与遗传疾病 目的基因的突变或缺失会导致遗传疾病的发生。 ## 2. 目的基因表达与环境疾病 环境因素的影响可能改变目的基因的表达水平，导致环境疾病的发生。
目的基因表达的应用
目的基因的表达在生物技术和临床医学领域有着广泛的应用。 ## 1. 生物技术领域的应用 目的基因的表达与基因工程、转基因技术等密切相关。 ## 2. 临床医学领域的应用 目的基因的表达研究为疾病的诊断、治疗和预防提供了重要的理论基础。
2. 王五, 赵六. (2021) 目的基因的功能及表达调控机制. 《遗传学报》, 15(3), 456-467.
《目的基因的表达》PPT 课件
# 目的基因的表达
基因的表达是指基因中的信息在生物体内转化成蛋白质或RNA的过程。了解目 的基因的表达机制对于研究基因功能和理解生物发育过程具有重要意义。
基因的表达与调控
当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5种酶的 转录同时受到抑制；
在色氨酸供应不足时，发生转录。
色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控 色氨酸mRNA的转录。可以被最终合成产物所阻 遏的操纵元叫做可阻遏操纵元。
衰减作用的生物学意义
除trp操纵元外，许多负责氨基酸合成的操纵元 的表达均可受衰减作用的调控,如His操纵元、Phe 操纵元等。
诱导表达结构基因，为正调控。 a ra C
O2
O1 A ra C
CAP
C A P -c A M P
a ra B a ra A a ra D
m RNA
B
C
OC2
O
a ra C O1
O2
I
O1 CAP
C
AO
P
1
I O2
a ra B a ra A
C
ara B
a ra D
a ra A
a ra D
I
D
A ra C
O2
C B,A,D：结构基因。O 1
C
I
D
CAP
B
A
D
R
O
A
a ra C
O2
O1
I CAP
a ra B a ra A a ra D
A ra C
C A P -c A M P
R
O
I
A有ara时，AraC与I位点结合，CAP-I cAmp与CAP位点结合，
B
a ra C
O2
O1
CAP
a ra B a ra A a ra D
阿拉伯糖操纵元的组成
R
O
A
ara C O 2
O1
I CAP
基因的表达和调控PPT讲稿
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。
✓ 在正控诱导系统中，诱导 物的存在使激活蛋白处于活 性状态，转录进行。
✓ 在正控阻遏系统中，效应 物分子的存在使激活蛋白处 于非活性状态，转录不进行。
• 当基因转录使转录产物（RNA）到
不同长度时，核糖体会在对应的 DNA位置上；此时RNA可以形成 某种形式的二级结构；由此决定延 伸复合物的结合能力，从而决定基 因能否继续转录。
细菌的应急反应
• 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿－
－氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难 关，细菌会产生一个应急反应－－停止包括生 产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部 生物化学反应过程。
时被关闭。这种“开-关”(on-off)活性是通过调节转录来建立的。
即通过调节mRNA的合成来实现的
✓ 一个系统处于“off”状态时可能是本底水平的基因
表达，常常是每世代每个细胞合成1～2个mRNA分 子和极少量的蛋白质分子。必须明白所谓“关”实 际的意思是基因表达量特别低，或者无法检测。
5．1 原核基因表达调控总论
• 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸
(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两 种物质的诱导物是空载tRNA。
• 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基
酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转 移酶，使ppGpp大量合成。
• ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧
• 在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻
《目的基因的表达》PPT课件
3) 起始密码之后的一个核苷酸对mRNA与核糖体的结合也有 影响；直接位于起始密码子AUG左侧的密码三联体的碱基组成，同 样会对转译的效率发生影响。
例如β-半乳糖苷酶的转译，当AUG左侧的密码三联体为 UAU或CUU时，其转译最为有效；而如果是UUC，UCA或AGG， 那么它的转译水平将下降20倍。
Roberts等(1979)构建了一系列重组质粒，各种质粒之间的 区别仅在于启动子和结构基因cro之间的距离不同。将这些不同的 重组质粒转化大肠杆菌后，发现cro蛋白质的水平在重组质粒间相 差悬殊，最高值比最低值大2000倍。
启动子有强弱之分，强启动子指导产生较多量的mRNA，弱启动子指 导下转录合成的mRNA很少。启动子的强度主要决定于启动子的结构。
克隆基因末端的转录终止区的存在，可避免以下几种不利现象：
①若干非必须的转录本的合成，会使细胞消耗巨大的能量用于制造大 量非必须的蛋白质；
②在转录本上有可能形成一些不期望其出现的二级结构，从而降低了 转译的效率；
③偶然会出现启动子阻塞现象，即克隆基因启动子所开始的转录干扰 另一个必要的基因或调节基因的转译。
第八章 目的基因的表达
第一节 基因工程中的基因表达
一、制约目的基因表达的因素 二、阅读框架 三、启动子的影响 四、终止子的影响 五、翻译过程对表达的影响
不论基因工程的研究目的如何，最终均涉及到目的基因的表达问 题。
绝大多数的基因工程研究是以获得基因表达产物为目标。在构建重 组体DNA分子和选择宿主细胞时，还须考虑外源基因表达的问题。
5) 基因末端的转录终止区的影响。 外源末端除要安装好的启动子，还要注意终止区的设置。
第二节 大肠杆菌原核表达体系
一、大肠杆菌表达系统的特点 二、大肠杆菌表达融合蛋白 三、大肠杆菌细胞包含体 四、提高克隆基因在大肠杆菌表达效率的途径
基因的表达与调控
研究意义：理解基因表达调控的复杂性和多样性
与基因表达的关系：表观遗传学调控基因表达，影响生物性状和疾病发生
DNA甲基化与基因表达
DNA甲基化：一种表观遗传修饰，影响基因表达
甲基化影响：抑制基因转录，降低基因表达水平
甲基化位点：CpG岛、启动子、增强子等
组蛋白修饰与基因表达
组蛋白修饰：包括甲基化、乙酰化、磷酸化等
农业育种改良
抗病抗虫：通过基因修饰提高作物的抗病抗虫能力
基因编辑技术：CRISPR-Cas9、TALEN等
基因修饰：增加或减少特定基因的表达
提高产量：通过基因修饰提高作物的产量和品质
基因表达与表观遗传学
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表观遗传学概述
概念：研究基因表达调控的非遗传学机制
主要研究内容：DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA干扰等
基因表达调控与生物进化的机制研究
基因表达调控与物种适应性
生物技术应用
基因工程：通过基因编辑技术，改造生物的基因，实现定向改造和优化
细胞工程：通过细胞培养和改造技术，实现细胞的定向分化和功能改造
蛋白质工程：通过蛋白质结构和功能研究，实现蛋白质的定向设计和改造
生物制药：通过生物技术和药物研发，实现新型药物的研发和生产
翻译后水平调控的意义：通过调控翻译后的蛋白质水平，可以控制细胞内蛋白质的种类和数量，从而影响细胞的生理功能。
翻译后水平调控的研究进展：近年来，科学家们在翻译后水平调控方面取得了很多重要的发现，为理解基因表达的调控机制提供了新的视角。
基因表达的调控元件
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启动子
定义：基因表达调控元件的一种，位于基因起始位点的DNA序列
绝缘子
绝缘子的作用：在基因表达调控中，绝缘子可以阻止增强子与启动子之间的相互作用，从而影响基因的表达。
基因工程PPT课件 第八章 基因的表达与调控-真核基因表达调控模式
第二类是发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的 精髓部分，决定了真核细胞生长、分化、发育的进程。
❖ 根据基因调控发生的先后次序，又可分为：
转录水平调控
转录后水平调控（RNA加工成熟过程的调控，翻译水平 的调控，蛋白质加工水平的调控）。
4.2. DNA甲基化抑制基因转录机制
❖ 对于弱启动子来说，稀少的甲基化就能使其完全失去转录 活性。当这一类启动子被增强时（带有增强子），即使不 去甲基化也可以恢复 其转录活性。若进一 步提高甲基化密度， 即使增强后的启动子 仍无转录活性。
2020/4/3
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第一节 真核生物的基因结构与转录活性
4.2. DNA甲基化抑制基因转录机制
❖ 在个体发育过程中，DNA会发生规律性变化，从而控制基 因表达和生物的发育。
❖ DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括基 因丢失、扩增、重排和移位等。这与转录和翻译水平的调 控是不同的，这种调控使基因组发生了改变。
❖ 成熟红细胞能产生大量的可翻译成熟珠蛋白的mRNA，它 的前体细胞是不产生珠蛋白的。这种变化是由于基因本身 或者是基因的拷贝数发生了永久性变化所调控的。
2020/4/3
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第一节 真核生物的基因结构与转录活性
1.3. 发育调控的复 杂多基因家族
❖ 血红蛋白是所有动物 体内输送分子氧的主 要 载 体 ， 由 2α2β 组 成的四聚体加上一个 血红素辅基（结合铁 原子）后形成功能性 血红蛋白。在生物个 体发育的不同阶段出 现几种不同形式的α 和β亚基。
❖ X 染 色 体 的 Xq13.3 区 段 有 一 个 X 失 活 中 心 （ X-inaction center，Xic），X-失活从Xic区段开始启动，然后扩展到 整条染色体。
基因的表达与调控
基因的表达与调控基因是生物体内遗传信息的基本单位，能够影响个体的生长发育、形态特征和功能活动。
基因表达与调控是指基因在细胞内转录和翻译过程中的调节机制。
通过对基因的表达与调控的深入研究，我们可以更好地理解生物体的发育过程、疾病的发生机制以及其他重要生物学现象。
一、基因表达的过程基因表达是指基因中的遗传信息转录成RNA分子并进一步翻译成蛋白质的过程。
在这个过程中，涉及到DNA的转录、RNA的加工修饰和翻译等多个环节。
1. DNA的转录DNA转录是指在细胞核内的DNA模板上合成RNA的过程。
这一过程主要通过RNA聚合酶酶对DNA进行识别并复制。
在DNA的编码区域上，RNA聚合酶按照一定的序列将DNA转录成RNA。
这种RNA 称为信使RNA（mRNA），它携带着基因的信息，将参与到后续的翻译过程中。
2. RNA的加工修饰转录得到的初级RNA（pre-mRNA）需要进行加工修饰，以生成成熟的mRNA。
这个过程包括去除非编码区域（外显子）和连接编码区域（内含子）等步骤，最终形成成熟的mRNA分子。
这些修饰过程有助于提高基因表达的效率和准确性。
3. RNA的翻译mRNA在细胞质中通过核糖体与tRNA和氨基酸配合，进行翻译成蛋白质。
这个过程涉及到密码子与氨基酸的配对，根据规定的遗传密码表将RNA翻译成蛋白质的氨基酸序列。
二、基因表达的调控基因的表达需要在不同时间和空间上进行精确的调控，以满足细胞和生物体在各种环境中的需求。
基因调控主要通过转录调控和转录后调控两个层面实现。
1. 转录调控转录调控是指在基因转录过程中，通过调控转录起始和速率来控制基因表达水平的过程。
这一过程涉及到启动子、转录因子和染色质结构等多个因素的调控。
- 启动子区域：启动子是转录起始的信号区域，细胞通过启动子的甲基化、乙酰化和甲基化等修饰方式调控基因的转录起始。
- 转录因子：转录因子是参与基因转录的蛋白质，它们能与启动子和调控区域结合，促进或抑制基因的转录活性。
第8讲目基因表达与调控
第8讲目基因表达与调控
原核生物启动子序列特征 示意图
（The prokaryotic promoter）
5’
-35
-10
CAT
3’
TTGACA 16-19 bp TATAAT 5-9 bp
T82T84G78A65C54A45
T80A95T45A60A50T96 Transcriptional
ห้องสมุดไป่ตู้第8讲目基因表达与调控
8.2.1.3 启动子与转录启动
大肠杆菌RNA聚合酶的亚基成分
亚基 基因 氨基酸含量 数量 分子量（kD）
主要功能
α rpoA
329
2
37
与调节序列结合
β rpoB
1342
1
151
形成磷酸二酯键
β′ rpoC
1407
1
σ70 rpoD
613
1
155
与 DNA 模板结合
识别一般启动子，并
8.3.1 大肠杆菌基因表达系统（重点） 8.3.2 芽孢杆菌表达系统（了解） 8.3.3 链霉菌表达系统（了解） 8.3.4 蓝藻表达系统（了解） 8.3.5 酵母表达系统（自学） 8.3.6 哺乳动物细胞基因表达系统（自学） 8.3.7 植物细胞基因表达系统（自学） • 8.4 基因表达产物的检测与分离纯化 • 8.5 基因工程的争论和安全措施
启动子的特征
• 序列特异性 • 方向性 • 位置特性 • 种属特异性
第8讲目基因表达与调控
8.2.1.1 原核生物的启动子
• 转录起始位点：多数细菌启动子转录起始区的序列 为CAT，转录从第二个碱基起始，该碱基为嘌呤碱 基（A/G）。
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8.2.2 增强子
• 增强子（enhancer）：是能够增强启动子转录活 性的DNA顺式作用序列，又称强化子。
增强子的特性： • • • • • 双向性。 重复序列。 增强子行使功能与所处的位臵无关。 特异性。 增强子不仅与同源基因相连时有调控功能，与 异源基因相连时也有功能。
8.2.3 终止子
8.1 基因表达的机制
• 8.1.1 外源基因的起始转录
• 外源基因转录起始的速率是基因表达的关键（限速）环节。 • 选择恰当的启动子（例如，可调控的启动子）和相关的调控序列， 是构建一个高效表达系统的首要问题。
诱导型启动子： 如lac、trp、λPR、 λPL、 tac等的启动子
原核生物启动子
组成型启动子： 如T7噬菌体的启动子
亚基 α β β ′ σ
70
基因 rpoA rpoB rpoC rpoD
氨基酸含量 329 1342 1407 613
数量 分子量（kD） 2 1 1 1 37 151 155 70
主要功能 与调节序列结合 形成磷酸二酯键 与 DNA 模板结合 识别一般启动子，并 启动合成
RNA聚合酶：核心酶(α2ββ’)＋σ亚基＝全酶( α2ββ’σ)
真核生物启动子较复杂，可分为：诱导型、组成型和特异 性启动子等类型
8.1.2 mRNA的延伸与稳定
• 外源基因起始转录后，保持mRNA的有效延伸、 终止及稳定存在是外源基因有效表达的关键。
• 涉及两个问题： 1、要防止因转录物内的衰减和非特异性终止而诱发 的 mRNA转录的提前终止；
2、要存在正常的转录终止序列以防止产生不必要的 转录产物，使mRNA的长度限制在一定的范围内， 从而增加外源基因表达的稳定性。
本章主要内容
• 8.1 基因表达的机制 • 8.2 基因表达的调控元件 • 8.3 外源基因表达系统 8.3.1 大肠杆菌基因表达系统（重点） 8.3.2 芽孢杆菌表达系统（了解） 8.3.3 链霉菌表达系统（了解） 8.3.4 蓝藻表达系统（了解） 8.3.5 酵母表达系统（自学） 8.3.6 哺乳动物细胞基因表达系统（自学） 8.3.7 植物细胞基因表达系统（自学） • 8.4 基因表达产物的检测与分离纯化 • 8.5 基因工程的争论和安全措施
复制水平的调节
• 直接抑制——反义RNA与引物RNA前体互补，使得引物 RNA无法与DNA模板结合，进而抑制DNA复制的频率。 • 间接抑制——反义RNA通过阻断复制激活蛋白因子的合成 而间接抑制DNA的复制。
• 本征终止子：不需要其他蛋白辅助因子便可在特 殊的RNA结构区内实现终止作用。 • 依赖终止信号的终止子：要依赖专一的蛋白质辅 助因子。
①本征终止子
特征
• 发夹结构(茎环结构)：延缓RNA聚合酶的运动， 不终止RNA的合成，但为转录终止创造条件。 • 寡聚U组成的尾部：转录的终止信号。
两大特征
②依赖型终止子
启动子的特征
8.2.1.1 原核生物的启动子
• 转录起始位点：多数细菌启动子转录起始区的序列 为CAT，转录从第二个碱基起始，该碱基为嘌呤碱 基（A/G）。 • Pribnow框：－10bp处的TATA区（－10序列区）
• Sextama框：－35bp处的TTGACA区（－35区） • 间隔区：内部无明显的保守性，其序列长度比碱基 组成对启动子的功能更重要。
8.2.6 反义子
• 反义RNA（antisence RNA）：同某种天然 mRNA反向互补的RNA分子称为反义RNA，它是 由双链DNA中的无意义链转录产生的，可以用来 阻止被其转化的细胞中存在的与之互补mRNA的 转译活性。（antisence techology）。 • 反义子：编码反义RNA的DNA称为反义子。 • 反义子在DNA的复制、转录和翻译三个水平对基 因的表达起调节作用，其中以对蛋白质合成的抑 制最为普遍。
辅助区
Ⅲ型启动子
• 内启动子：位于转录起始位点的下游，如 tRNA 和 5SRNA 的启动子。
• 外启动子：位于转录起始位点的上游，缺乏相应的 内部序列。例如：脊椎动物U6核小RNA和 7SKRNA启动子，结构类似于真核生物Ⅱ型启动子。
8.2.1.3 启动子与转录启动
大肠杆菌RNA聚合酶的亚基成分
目的基因的表达与调控
基因重组的主要目的是要使目的基因在某一细胞中 能得到高效表达，即产生人们所需要的高产的目的 • 基因工程技术的核心是基因表达技术。 基因产物，如蛋白质、多肽类生物药物。 • 基因表达是指结构基因在调控序列的作用下转录 成mRNA，经加工后在核糖体的协助下又转译出 相应的基因产物——蛋白质，再在受体细胞环境 中经修饰而显示出相应的功能。
聚合酶在体外温浴一段时间，让RNA聚合酶 与特异启动子序列结合。而后选择合适的限 制性内切酶或外切酶消化重组质粒，以未加 RNA聚合酶的DNA作对照。琼脂糖电泳分析酶 切消化产物，被钝化的酶切位点或片段位于 RNA酶保护区域内，即RNA聚合酶的结合位点， 该位点可能含有启动子序列。进一步将该片 段克隆到启动子探针质粒上，分析和检测启 动子的转录活性。
σ factor:
8.2.1.4 启动子的分离
• 随机克隆法 待分离启动子的DNA分子酶切后，连
接到含有 缺启动子的报告基因的载 体上，挑选阳性克隆子后进一步分析 获得的含有启动子的片段。 • 聚合酶保护法 根据RNA聚合法 • PCR 扩增法
• 终止位点上游50～90bp区域，是ρ因子的识别位点。 ρ因 子依赖型终止子也能形成茎环结构，但茎环的GC含量较 低，因此RNA聚合酶在此移动的速度减慢，但停留时间较 短，并且茎环结构的下游没有寡聚U结构，RNA聚合酶只 能在ρ因子的协助下才能有效终止转录。
• ρ因子是一个相对分子量为2.0×105的六聚体蛋白质分子， 它能水解各种核苷三磷酸，实际上是一种NTP酶。由于它 催化NTP的水解， ρ因子能促使新生的RNA链从三元转录 复合物中解离出来，从而终止转录。
• 从基因到有功能的产物这整个转录、转译及所有 的加工过程就是基因表达的过程，它是在一系列 酶和调控序列的共同作用下完成的。
基因表达在原核生物与真核生物中的差别
• • 目前已构建出多种基因表达系统，包括原核生物表达系统 原核生物基因表达以操纵子的形式进行; 和真核生物表达系统，不同的表达系统具有各自的特点。 操纵子的调节基因与 RNA聚合酶作用，结构基因开始转录 成mRNA，同时， mRNA立即与核糖体结合转译出相应的 多肽或蛋白质，转录与转译近乎同时完成，mRNA随之被 水解掉。 • 真核生物基因表达系统中，转录在核内进行，生成hnRNA， 核内加工：剪接内含子和外显子，修饰5’和3’末端后形成 成熟mRNA。而后在细胞浆中的核糖体上转译成多肽或蛋 白质，再经过加工、糖化、形成高级结构。
8.2.4 衰减子
• 衰减子（attenuator）：是位于mRNA分子前导序列 中的一段控制蛋白质合成起始速率的调节区，亦即 发生弱化作用的转录终止信号序列，又称弱化子。 • 衰减子最先发现于大肠杆菌色氨酸（trp）操纵子中。
大肠杆菌色氨酸（trp）操纵子中衰减子的作用
• trp前导区的4个片段（1、2、3、4）能以两种不同的方式进 行碱基配对，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3配对。 • 在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，所以前导肽的 翻译对tRNATrp的浓度很敏感。当培养基中trp浓度很低时， 负载有trp的tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻trp密码 子的速度就很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区 （或停留在两个相邻的trp 密码子处），这时前导区结构是23配对，不形成3-4配对的终止结构，所以转录可继续进行， 直到trp操纵子中的结构基因全部转录。而当trp浓度高时，核 糖体可顺利通过两个相邻的trp密码子，在4区被转录之前， 核糖体就到达2区，这样使2-3不能配对，3-4区可自由配对形 成茎－环状终止子结构，终止转录。所以，弱化子对RNA聚 合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位臵。
• 在RNA合成起始以 后，ρ因子即附着在 新生的RNA链上， 靠ATP水解产生的 能量，沿着5’ -3’ 方向朝RNA聚合酶 移动，到达RNA的3’ －OH端后取代了暂 停在终止位点上的 RNA聚合酶，并从 模板和酶上释放 RNA，完成转录过 程。 • 终止过程需要消耗 能量，所以，ρ因子 有终止转录和核苷 三磷酸酶两种功能。
（The sequence of DNA needed for RNA polymerase to bind to the template and accomplish the initiation reaction）
8.2.1.1 真核生物的启动子
Ⅰ型：rRNA 基因启动子 Ⅱ型：mRNA 基因启动子 Ⅲ型：tRNA 基因启动子
8.2.5 绝缘子
绝缘子（insulator）： • 既是基因表达的调控元件，也是一种边界元件； • 它能阻止邻近的调控元件对其所界定基因的启动 子起增强或抑制作用； • 绝缘子抑制增强子的功能是有极性的。它只能抑 制处于绝缘子所在边界另一侧的增强子的作用， 而对处于同一结构域的增强子没有抑制作用； • 绝缘子对基因表达的调控是一个非常复杂的过程， 它是通过细胞内特定的蛋白质因子相互作用而产 生调控效应的。
原核生物启动子序列特征 示意图
（The prokaryotic promoter） 5’ -35 -10 16-19 bp
CAT
3’
TTGACA T82T84G78A65C54A45
TATAAT 5-9 bp
start site
T80A95T45A60A50T96 Transcriptional
RNA聚合酶结合和起始转录的序列
8.1.3 外源ห้องสมุดไป่ตู้因mRNA的有效翻译
• 外源基因mRNA有效翻译必须考虑的基本原则：
• AUG(ATG)是首选的起始密码子。 • SD序列为与核糖体16S rRNA互补结合的位点，该 序列至少含有AGGAGG序列中的4个碱基。 • SD序列与翻译起始密码子之间的距离为3～9个碱 基。 • 在翻译起始区周围序列不易形成明显的二级结构。