基因的表达调控真核基因表达调控一般规律
真核生物基因表达的调控
4、DNA甲基化与基因组印迹 （1）基因组印迹：来源于父母本的一对等位基因
表达不同（如X染色体失活） （2）基因组印迹的机制--DNA高度甲基化
5、DNA甲基化与X染色体的失活 X染色体DNA序列高度甲基化，基因被关闭
（1）与X染色体的失活有关的序列：
AP2
??
结合蛋白 (protein binding)
AP2 AP1
? SP1
? TF IID +
RNApol
BLE basal level element MRE metal response element AP activator protein
应答元件的特点：
1. 具有与启动子、增强子同样的一般特性. 2. 与起始点的位置不固定（多在-200以内;单个功能充分,
非洲爪蟾的卵母细胞 rDNA的拷贝数目： 500份 2×106份，可装配1012个核糖体 当胚胎期开始，增加的rDNA便失去功能并逐渐消失
二、基因丢失
有的生物在个体发育的早期在体细胞中要丢 失部分染色体，而在生殖细胞中保持全部的 基因组。
小麦瘿蚊（染色丢失了32条，只保留8条）
马蛔虫
三、基因重排(gene rearrangement)
的下游起作用。 4、与它结合的转录因子是GCN4和GAL4，识别位
点为 ATGACTCAT。
（四）绝缘子(Insulator)
阻止激活或失活效应的元件
举例：
1、当绝缘子位于增强子和启动子间时，能阻止 增强子激活启动子作用。
2、当绝缘子位于一个活化基因和异染色质之间 时，它保护基因免受由异染色质扩展造成的失 活效应影响。
Constant
真核生物的基因表达调控
转录因子得结构
绝大多数转录因子至少具有以下三种不同得结构域得 一种: (1)DNA结合结构域,直接与顺式作用元件结合得转录因子 都具有此结构域。转录因子通常使用此结构域之中得 特殊α-螺旋与顺式作用元件内得大沟接触,通过螺旋上 得特殊氨基酸残基得侧链基团与大沟中得特殊碱基对 之间得次级健(主要就是氢键)相互识别而产生特异性。 许多转录因子在此结构域上富含碱性氨基酸,这可能有 利于她和DNA骨架上带负电荷得磷酸根发生作用; (2)效应器结构域,这就是转录因子调节转录效率(激活或阻 遏)、产生效应得结构域; (3)多聚化结构域,此结构域得存在使得转录因子之间能够 组装成二聚体或多聚体(同源或异源)。下面将集中介绍 前两种结构域,特别就是DNA结合结构域。
在转录水平上得基因表达调控
真核生物得蛋白质基因得转录除了启动子、RNA聚合酶II和基础 转录因子以外,还需要其她顺式作用元件和反式作用因子得参与。 参与基因表达调控得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;参与基因表达调控得反式作用因子也称为转录 因子,她们包括激活蛋白、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得表达,而阻遏蛋白与沉默子结合, 抑制基因得表达,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,究竟就是起何种作用取决于被调节得基因。辅激活 蛋白缺乏DNA结合位点,但她们能够通过蛋白质与蛋白质得相互作 用而行使功能,作用方式包括:招募其她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得活性;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得相互作 用而起作用,作用机理包括:掩盖激活蛋白得激活位点、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)得活性。
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。
现代分子生物学第八章
以后，照样可以产生有活性的mRN A; 另一些基因， 如SV40 T抗原基因，一旦除去内含子，成熟mRNA运 人细胞质基质的过程就完全被阻断。
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8.1.3基因家族 • 真核细胞的DNA是单顺反子结构，很 • 少出现置于一个启动子控制之下的操纵子。 真核细胞中许多相关的基因常按功能成套 组合，被称为基因家族。 • 同一家族的成员有时紧密地排列在一起， 成为一个基因簇;但更多的时候，它们分散 在同一染色体的不同部位.甚至位于不同的 染色体上。具有各自不同的表达调控模式。
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• 选择性剪接：同一基因的转录产物由于不同的剪接方式形成不同 mRNA的过程。 • 选择性剪接的典刑例子：小鼠淀粉酶基因表达的组织特异性变化
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• 在小鼠肝和唾液腺这两种组织中，淀粉酶mRNA的编码 序列完全相同，但5‘端起始部分长度不同。 • 事实上,L外显子只是唾液腺淀粉酶基因中内含子序列的 一部分，将在mRNA成熟过程中被切除。 • 有实验证明，由S外显子起始的转录产物是由L外显子起 始转录产物的100倍以上。 • 由于一个基因的内含子成为另一个基因的外显子，形成 基因的差异表达，这是真核基因断裂结构的一个重要特 点。
现代分子生物学
指导老师：杨林松 演绎人：徐楸能
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8.1真核基因表达调控相关概念和一 般规律
•
• 8.1.1基因表达的基本概念 基因组： 一个细胞或病毒所携带的全部遗传 信息或整套基因。 基因：指能产生一条肽链或功能RNA所必需的 DNA片段。它包括编码区和其上下游区域。以 及在编码片段间(外显子)的间断切割序列（内 含子) 基因表达：基因经过转录、翻译，产生具有特 异生物学功能的蛋自质分子或RNA分子的过程。 基因表达调控：受内源及外源信号调控的这个 调控的过程。
基因表达与调控(下)真核基因表达调控一般规律
真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：
第一类是瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细 胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水 平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。
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，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部 进程。
根据基因调控在同一事件中发 生的先后次序又可分为：
7. 真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中逐步 分化形成各种组织和细胞类型。分化是不同基因表达的结 果。不同类型的细胞，功能不同，基因表达的情况也不一 样。某些基因仅特异地在某种细胞中表达，称为细胞特异 性或组织特异性表达，因而具有调控这种特异性表达的机 制。
8. 真核生物对外界环境条件变化的反应和原核生物十分不 同。同一群原核生物细胞处在相同的环境条件中，对环境 条件的变化会作出基本一致的反应；而真核生物常常只有 少部分细胞基因的表达直接受到环境条件变化的影响和调 控，其他大部分间接或不受影响。
组蛋白的作用
• 组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质，可与DNA链上 带负电荷的磷酸基相结合，从而封闭了DNA分子， 妨碍基因转录。活跃转录的染色质区段中H1水平 降低。
• 转录活跃的区域也 常缺乏核小体的结 构，并且对核酸酶 敏感度增加。
8 基因表达与调控（下）
——真核基因表达调控一般规律
• 真核生物（除酵母、藻类和原生动物等单细胞类 之外）主要由多细胞组成，每个细胞基因组中蕴 藏的遗传信息量及基因数量都大大高于原核生物。
• 人类细胞单倍体基因组有3×109bp，为大肠杆菌 总DNA的800倍，噬菌体的10万倍左右！
真核基因表达调控的最显著特征是能在特定 时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现 “预定”的、有序的、不可逆转的分化、发育过 程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范 围内保持正常功能。
分子生物学复习7-9
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的表达。
管家基因：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。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②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。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
真核生物基因表达调控的机制
真核生物基因表达调控的机制
真核生物基因表达调控的机制
真核生物中的基因表达调控是一个复杂而且受多种影响的过程，其机制也极为复杂，主要包括以下七个方面。
一、基因结构调控
基因的结构调控可以通过改变基因的翻译或者转录起始点，改变基因的拷贝数量，改变基因的外显子结构等，从而调节基因表达。
这种机制也称为“结构调控”。
二、编码序列调控
基因编码序列可以用来调节基因表达。
包括基因内部的种类多样性，基因突变等，都会影响基因编码序列，从而影响基因表达。
三、转录因子调控
转录因子可以调节基因转录的开始时间，结束时间，影响基因转录的效率，从而影响基因表达。
四、mRNA加工调控
当mRNA处于加工过程中，其加工过程也会受到调控，这种调控会影响mRNA的翻译效率，从而影响基因的表达。
五、mRNA翻译调控
翻译调控是一种比较常见的调控机制，它可通过影响mRNA的结构、翻译初始效率以及翻译开始时间来调节基因的表达。
六、蛋白质稳定性调控
蛋白质稳定性的调控是指通过改变蛋白质的稳定性，来影响基因
的表达。
七、基因激活与抑制
基因激活与抑制是指通过外界影响，改变激活因子或者抑制因子的表达，来影响基因表达。
以上就是真核生物基因表达调控的七个机制，同时，也是基因组学研究中需要重点关注的重要机制。
真核生物基因表达的调控
真核生物基因表达的调控一、生物基因表达的调控的共性首先，我们来看看在生物基因表达调控这一过程中体现的共性和一些基本模式。
1、作用范围。
生物体内的基因分为管家基因和奢侈基因。
管家基因始终表达，奢侈基因只在需要的时候表达，但二者的表达都受到调控。
可见，调控是普遍存在的现象。
2、调控方式。
基因表达有两种调控方式，即正调控与负调控，原核生物和真核生物都离不开这两种模式。
3、调控水平。
一种基因表达的调控可以在多种层面上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译后加工水平等。
然为节省能量起见，转录的起始阶段往往作为最佳调控位点。
二、真核生物基因表达调控的特点真核生物与原核细胞在结构上就有着诸多不同，这决定了二者在运行方面的迥异途径。
真核生物比原核生物复杂，转录与翻译不同时也不同地，基因组与染色体结构复杂，因而有着更为复杂的调控机制。
1、多层次。
真核生物的基因表达可发生在染色质水平、转录起始水平、转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。
2、无操纵子和衰减子。
3、大多数原核生物以负调控为主，而真核生物启动子以正调控为主。
4、个体发育复杂，而受环境影响较小。
真核生物多为多细胞生物，在生长发育过程中，不仅要随细胞内外环境的变化调节基因表达，还要随发育的不同阶段表达不同基因。
前者为短期调控，后者属长期调控。
从整体上看，不可逆的长期调控影响更深远。
三、真核生物基因表达调控的机制介于真核生物表达以多层次性为最主要特点，我们可以分别从它的几个水平着眼，剖析它的调控机制。
1、染色质水平。
真核生物基因组DNA以致密的染色质形式存在，发生在染色质水平的调控也称作转录前水平的调控，产生永久性DNA序列和染色质结构的变化，往往伴随细胞分化。
染色质水平的调控包括染色质丢失、基因扩增、基因重排、染色体DNA的修饰，等等。
a.基因丢失：丢失一段DNA或整条染色体的现象。
在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。
某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。
真核生物基因表达调控
真核生物基因表达调控
真核生物基因表达调控
顺式作用元件
真核生物基因表达调控
反式作用因子
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感谢您的莅临
著特征是能在 特定时间和特定细胞 中激活特定的基因， 从而实现"预定"的、 有序的、不可逆转的 分化、发育过程，并 使生物的组织和器官 在一定环境条件范围 内保持正常功能
真核生物基因表达调控
真核生物基因表达调控的特点如下
①基因表达有转录水平和转录后的调控，且以转录水平调控为主 ②在结构基因上游和下游甚至内部存在多种调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控 成分结合而调控基因的转录 ③真核生物基因表达调控的环节多：转录与翻译间隔进行，个体发育复杂，具有调控基 因特异性表达的机制 ④真核生物活性染色体结构的变化对基因表达具有调控作用：DNA拓扑结构变化、DNA碱 基修饰变化、组蛋白变化等都具有调控作用 ⑤具有细胞特异性或组织特异性：在生长发育过程中，随着细胞需求的不断改变，各种 基因变得有活性或沉寂 ⑥正性调节占主导，且一个真核生物基因通常有多个调控序列，需要有多个激活物
真核生物基因表 达调控
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基因表达调控
2
真核生物基因表达调控的特点
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转录水平的调控
真核生物基因表达调控
基因表达调控
基因表达(gene expression)是基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋 白质分子或RNA分子的过程。表达调控(gene regulation)是基因表达时受到内源及外 源信号调控的过程。基因表达调控大多数是对基因的转录和翻译速率的调节，从而导 致其编码产物的水平发生变化，进而影响其功能
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
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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。
分子生物学考试大纲
第一部分课程性质与目标一、课程性质和特点《分子生物学》课程是我省高等教育自学考试生物工程专业（独立本科段）的一门重要的专业必修课程，通过本课程的学习要求学生熟知核酸（尤其是DNA）的基本生物化学特性，生物信息的储存、传递与表达过程，特别是基因的一般结构与生物功能，基因表达的调控原理。
掌握分子克隆与DNA重组的基本技术与原理，了解现代分子生物学基本研究方法，了解基因治疗与人类基因组计划、克隆技术的新成果和新进展。
激发学生对生命本质探索的热情，培养具备生命科学的基本知识和较系统的生物技术及其产业化的科学原理和工艺技术过程的基本理论和基本技能，能在生物产业领域的公司、工厂等企业单位从事生物工程及其高新技术产品生产、开发研究和企业经营管理工作的高级应用人才。
本课程在内容上共分十章，第一章介绍了分子生物学研究的主要内容及发展简况。
第二章是染色质、染色体、基因和基因组，重点介绍了遗传物质的分子结构、性质和功能，重点介绍了核酸的结构、功能、变性、复性和杂交等基本概念，也介绍了病毒核酸的相关知识和反义技术特点。
染色质和染色体的形态、组成和功能，基因的概念、功能和基本特征，基因组的概念、结构特点及有关基因组研究中基本理论和内容。
DNA的复制、突变、损伤和修复，主要介绍了DNA复制的过程、基因突变损伤和修复功能转座子结构特征和转座机制、以及遗传重组的机制。
第三、四章主要从动态角度探讨了遗传物质的运动的基本规律。
第三章是转录，重点介绍了转录的基本原理、转录过程及转录后加工过程和机制。
第四章是蛋白质的翻译，内容包括遗传密码、蛋白质合成、蛋白质的运转及蛋白质合成后的折叠和修饰加工，最后从应用的角度介绍了功能蛋白质研究的最新进展。
第五章介绍了分子生物学目前常用的基本研究方法。
第六、七章是基因表达的调控，分别从原核生物和真核生物两方面介绍了基因表达在转录和翻译水平上调控的机制。
第八章主要介绍了一些人类疾病的分子机制，以及基因治疗的概念。
真核基因表达调控
• Fields建立了一个双杂交系统;DB与X蛋白融合 ;AD与Y蛋白融合;如果X Y之间形成蛋白蛋白复合 物;使GAL4两个结构域重新构成;启动特异基因序 列的转录
• 该实验的结果表明由X和Y相互作用使得AD和BD 在空间上接近;激活了报告基因LacZ的转录 一般 地;将DBX的融合蛋白称作诱饵bait;X往往是已知 蛋白;ADY称作猎物prey;能显示诱饵和猎物相互作 用的基因称报告基因;通过对报告基因的检测;反过 来可判断诱饵和猎物之间是否存在相互作用
种细胞中;在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质 ;如着丝粒;端粒;核仁形成区等 • 兼性异染色质facultative heterochromatin指在某些特 定的细胞中;或在一定的发育时期和生理条件下凝聚; 由常染色质变成异染色质;这本身也是真核生物的一种 表达调控的途经
莱昂假说Lyon hypothesis
基因家族gene family
基因家族gene family：真核细胞中许多相 关的基因常按功能成套组合;被称为基因 家族
假基因
• 假基因pseudogene具有与功能基因相似的序列; 但由于有许多突变以致失去了原有的功能;所以假 基因是没有功能的基因;常用ψ表示
• 是基因组中因突变而失活的基因;无蛋白质产物 一 般是启动子出现问题
沉默子silencer
• 沉默子是可降低基因启动子转录活性的一 段DNA顺式元件 与增强子作用相反 沉默 子的DNA序列被调控蛋白结合后阻断了转录 起始复合物的形成或活化;使基因表达活性 关闭
绝缘子insulator
• 绝缘子insulator长约几百个核苷酸对;是通 常位于启动子同正调控元件增强子或负调控 因子为异染色质之间的一种调控序列 绝缘子 本身对基因的表达既没有正效应;也没有负效 应;其作用只是不让其他调控元件对基因的活 化效应或失活效应发生作用
真核生物基因表达调控的特点及主要调控环节
真核生物基因表达调控的特点及主要调控环节真核生物基因表达调控是一个复杂而精密的系统，涉及到多种调控机制和调控环节。
通过这些调控机制和环节，真核生物能够在不同的细胞类型和不同的发育阶段中表达特定的基因，从而实现细胞功能的多样化和分化。
下面我们将详细介绍真核生物基因表达调控的特点以及主要调控环节。
首先，真核生物基因表达调控具有高度的精细性和特异性。
在真核生物细胞中，每个细胞都包含着相同的基因组，但不同细胞类型和组织会表达不同的基因。
这种差异性主要是通过转录调控来实现的，即通过对特定基因的转录进行调控，使得只有需要的基因在特定的时间和空间表达。
这种精细性和特异性的调控是真核生物细胞功能多样化和分化的重要基础。
其次，真核生物基因表达调控涉及多种调控机制和调控因子。
在真核生物细胞中，基因表达的调控是一个复杂的过程，需要多种调控机制和调控因子的参与。
其中，转录因子是最为重要的调控因子之一，它们可以结合到基因的启动子区域，促进或抑制该基因的转录。
此外，还有一些非编码RNA、表观遗传学修饰等调控机制也在基因表达调控中扮演着重要角色。
这些调控机制和调控因子相互作用，共同调控着基因的表达。
另外，真核生物基因表达调控还存在着复杂的信号传导网络。
在细胞内部，存在着多种信号通路和信号分子，它们可以感知外界环境的变化，并将这些信息传递给细胞核，从而影响基因的表达。
这些信号传导网络可以通过激活或抑制转录因子的活性，改变基因的表达水平。
通过这种方式，细胞可以根据外界环境的变化做出相应的调整，保持内部稳态。
综上所述，真核生物基因表达调控具有高度的精细性和特异性，涉及多种调控机制和调控因子，以及复杂的信号传导网络。
这些特点和调控环节共同构成了真核生物基因表达调控系统的核心。
通过深入研究这些调控机制和调控环节，可以更好地理解细胞功能的多样化和分化过程，为疾病的治疗和生命科学研究提供重要的理论基础。
真核基因表达调控
子遗传学的奠基石。
Gregor Mendel (1822-1884).
The Father of Genetics
在孟德尔遗传学基础上， Morgan 又提出了 基因学说。 1910年，Morgan和他的助手们发现了第一只 白眼雄果蝇，称为突变型。正常情况下，果蝇
都是红眼的，称为野生型。Morgan将白眼雄果
Actually, they had. That morning, Watson and
Crick
had
figured
out
the
structure
of
deoxyribonucleic acid, DNA. And that structure —
a "double helix" that can "unzip" to make copies
控制遗传信息流动的基本机制——RNA干扰 方面的杰出贡献而获得诺贝尔生理医学奖。
1928 年，英国科学家 Griffith 等人发现，具有
光滑外表的S型肺炎链球菌能使小鼠发病，具有 粗糙外表的R型细菌没有致病力。荚膜多糖能保
护细菌免受动物白细胞的攻击。
美国著名的微生物学家 Avery首先用实验证明 基因就是DNA分子。他将光滑型致病菌（S型） 烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细 菌自然丧失了致病能力。
• 1993 年，美国科学家 Roberts 和 Sharp 因发
现 断 裂 基 因 （ introns ） 而 获 得 Nobel 奖 ； Mullis 由 于 发 明 PCR 方 法 而 与 加 拿 大 学 者 Smith （ 第 一 个 设 计 基 因 定 点 突 变 ） 共 享 Nobel化学奖。
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。
分子生物学-真核生物基因表达调控
3 基因重排与交换
将一个基因从远离启动子的地方移到距它很
Hale Waihona Puke 近的位点从而启动转录，这种方式称为基因 重排。
通过基因重排调节基因活性的典型例子是免
疫球蛋白和T-细胞受体基因的表达。
V、C和J基因片段在胚胎细胞中相隔较远。编码产生免疫球蛋白的细胞发 育分化时，通过染色体内DNA重组把4个相隔较远的基因片段连接在一起， 从而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因。
发育早期：只有一个着丝点行使功能，
从头合成型甲基转移酶：催化未甲基化的CpG成 为mCpG
基因丢失
在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基
因而去除这些基因的活性。某些原生动物、 线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许 多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体， 只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直 保留着整套的染色体。
一．
基因丢失： 在细胞分化过程中，某些原生动物、线虫 、昆虫等体细胞通过丢失某些基因而除去 这些基因的活性。 马蛔虫：只有一对染色体，染色体上有许 多着丝点。
假基因
是基因组中因突变而失活的基因，无蛋白质产
物。
一般是启动子出现问题。
8.2 DNA水平的基因表达调控
1染色质水平的调节：“开放”型活性染色质
（activechromatin）结构对转录的影响
2基因扩增
3基因重排与交换
4
DNA甲基化与基因活性的调控
1 染色质状态对基因表达的调控
能相关的基因，这些基因成套组合称为基因家族。 如：编码组蛋白、免疫球蛋白和血红蛋白的基因都 属于基因家族 同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为 一个基因簇(gene cluster) 。
1、简单多基因家族
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4.1 真核基因转录前的调控 4.1.1 染色质结构的改变
• 松开分散的染色质结构，基因可以转录； 聚缩的染色质结构，基因转录受抑制；
• DNase I 超敏感位点、核基质结合区 MAR促进转录。
• 染色质纤维折叠压缩程度： • DNA的拓扑结构： • 组蛋白的结构状态：
RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋促进转录。
1 真核基因组的复杂性
• 从上述可见真核基因组比原核基因组复杂得多，至今人类对真核基因组的认识还很有限，即使现在 国际上制订的人基因组研究计划（human gene project）测出了人基因组3×109bp的DNA序 列。
•
但是要搞清楚人全部基因的功能及其相互关系、特别是要明了基因表达调控的全部规律，还需要
• 基因扩增发生在异常的细胞中。如，人类癌细胞中的许多致癌基因大量扩增后高效表达，导致细胞生长 失控。
• 有些基因在进化过程中就已经扩增了许多倍。如，植物中普遍存在多倍性，即基因组拷贝数的增加。 • 基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因过程。
PBL教学法？
• 真核基因表达调控的特点? ？复杂性
2 真核基因表达调控的特点
• 真核基因表达调控的环节更多 • 真核基因的转录与染色质的结构变化相关 • 真核生物基因组的非编码序列的存在与基因表达调控密切相关 • 真核基因表达以正调控为主
2 真核基因表达调控的特点
2.4 真核基因表达以正（性）调控为主
• 真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传成分（如线粒体DNA 等），这就增加了基因表达调控的层次和复杂性。
• 真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得多。 细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵子的基因表达调控的单元，共同开启或关闭；真核生物结构 基因的mRNA是单顺反子，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。
4.1.2.2 基因扩增（gene amplification）
•基因扩增前，600个rDNA基因以串联方式排列(a)。 •在发生扩增的3周时间里，形成大量小环及复制滚环， 以增加基因拷贝数目(b) 。 •目前对这种基因扩增的机制并不清楚。
4.1.2.2 基因扩增（gene amplification）
1.分析细胞表面标志，2.分析细胞内抗原物质，3. 分析细胞受体，4.分析细胞的DNA、RNA含 量，5.分析免疫细胞的功能
• 真核生物基因组至少包括两类遗传信息： • 第一类是三联体密码所编码的蛋白质的基因信息，其遗传信息的传递包括基因转录和蛋白质合成过程，例如
现在已经知道由于存在真核生物基因的不连续性，转录后的剪接、特别是可变剪接、RNA编辑等，可导致 DNA序列与蛋白质氨基酸序列的不完全对应关系； • 而第二类遗传信息则指非编码蛋白质序列能调节基因选择性表达的遗传信息。已经知道，蛋白质基因只占整 个真核生物基因组序列的较少部分，因此基因组中大部分DNA是用来编码第二类遗传信息的。
• 转录前的调控
• 染色质结构改变 • DNA序列改变
4.1 真核基因转录前的调控
4.1.1 染色质结构的改变
• 染色质结构是决定RNA聚合酶能否有效行使转录功 能的关键。
• 染色质结构
• 染色质纤维折叠压缩程度 • DNA的拓扑结构 • 组蛋白的结构状态
4.1 染色质结构的改变
1) 染色质纤维折叠压缩程度对基因表达调控的影响
负超螺旋
RNA-pol
转录方向 正超螺旋
4.1 真核基因转录前的调控
4.1.1 染色质结构的改变
• 染色质纤维折叠压缩程度 • DNA的拓扑结构 • 组蛋白的结构状态
4.1 染色质结构的改变
3) 组蛋白的结构状态对基因表达调控的影响
• 早期体外实验观察到组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录，去除组蛋基因又能够转录。 • 组蛋白带正电荷，与DNA结合，遮蔽了DNA分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的
目前所知的真核生物基因表达调控的特点？
• 1、RNA聚合酶不同； • 2、多层次，不存在超基因式操纵子结构； • 3、个体发育复杂：基因表达的时间性和空间性；时间性：个体发育的不同阶段，基因表达的
种类和数量是不同的；空间性：在不同组织和器官中，基因表达的种类和数量是不同的； • 4、活性染色体结构变化：对核酸酶敏感 、DNA拓扑结构变化 、DNA碱基修饰变化 、组蛋
• 原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多。哺乳动物基因组中则存在大量重复序 列(repetitive sequences)。
1 真核基因组的复杂性
• 原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码的基因绝大多数是不 连续的，增加了真核基因表达调控的环节。
白变化； • 5、正性调节占主导； • 6、转录与翻译间隔进行，转录和翻译分开进行； • 7、转录后修饰、加工，初级转录产物要经过转录后加工修饰。
PBL教学法？
• 真核基因表达调控的类型? • 根据表达调控性质分类 • 按表达调控发生的先后次序分类
3 真核基因表达调控的类型
3.1 根据表达调控性质为两大类: • 第一类：瞬时调控或称可逆性调控，包括某种底物或激素水平的升降，酶活性和浓度的调节 。 • 第二类：发育调控或称不可逆调控，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。
4.1.2.1 基因丢失（gene elimination） 马蛔虫受精卵细胞
4.1 真核基因转录前的调控 4.1.2 DNA序列改变
• 基因丢失 • 基因扩增 • 基因重排 • 基因封闭 • 基因修饰
4.1.2 DNA序列改变
4.1.2.2 基因扩增（gene amplification）
◆指细胞内特定基因拷贝数专一性大量增加的现象。 ➢它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控方式。 ➢两栖动物如蟾蜍的卵母细胞是正常体细胞的100万倍，需要合成大量蛋白质，所以需要大量核糖体。 ➢核糖体含有rRNA分子，在卵母细胞发育中，rRNA基因数目临时增加了4000倍。卵母细胞的前体含有约600 个编码18S r RNA和28S rRNA的DNA。在基因扩增后，rRNA基因拷贝数高达2×106，形成1012个核糖体。
2 真核基因表达调控的特点
2.1 真核基因表达调控的环节更多
• 如前所述：基因表达是基因经过转录、翻译、产生有生物活性的蛋白质的整个过程。同原核生物一样， 转录依然是真核生物基因表达调控的主要环节。
• 但真核基因转录发生在细胞核（线粒体基因的转录在线粒体内），翻译则多在胞浆，两个过程是分开的， 因此其调控增加了更多的环节和复杂性，转录后的调控占有了更多的分量。
4.1 染色质结构的改变
1) 染色质纤维折叠压缩程度对基因表达调控的影响
• 真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的。 • 活性染色质：
具有转录活性的染色质。 • 非活性染色质：
指不具有转录活性的染色质。
活性染色质的重要特点
➢活性染色质上具有一个或数个DNase I 超敏感位点 ➢活性染色质上具有核基质结合区（ matrix attachment region ，MAR）
经历很长期艰巨的研究过程。
1 真核基因组的复杂性 真核生物和原核生物基因表达的对比
1 真核基因组的复杂性
• 真核基因组比原核基因组大得多 大肠杆菌基因组约4×106bp，哺乳类基因组在109bp数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基因， 人则约有3～5万个基因。
• 原核基因组的大部分序列都为基因编码；而哺乳类基因组中仅约10%的序列是编码蛋白质或rRNA、tRNA 等的基因，其余约90%是非编码序列。
• 常染色质：细胞分裂间期，染色体的大部分松开分散在核内。松散染色质中的基因可以转录。 • 异染色质：在细胞分裂期，染色体纤维折叠压缩程度较高。其基因转录受抑制。 • 原本在常染色质中表达的基因如移到异染色质内，转录也会受抑制。
松开分散的染色质结构，基因转录 聚缩的染色质结构，基因转录受抑制
果蝇多线染色体3H尿嘧啶标记物的放射自显影检测图
3.2 按调控发生的先后次序可分为：
转录前调控 转录水平调控 转录后调控 翻译水平调控 翻译后调控
PBL教学法？
• 影响原核生物表达调控的环节?
1 真核基因转录前的调控 2 真核基因转录水平的调控 3真核基因转录后水平的调控 4 翻译水平的调控 • 各环节是如何发挥调控作用的？ 5 翻译后水平的调控
4.1.2 DNA序列改变
4.1.2.1 基因丢失（gene elimination）
• 在胚胎发生时，已决定了一些细胞将要发育为种细胞，为了保持物种在遗传上的稳定性，而保留完整 的基因组，不会被削减掉。
• 但对于发育成体细胞的来说，它们只需保存生活必须的基因，其它无关基因可以削减去除。 • 通过染色体丢失，丢失某些基因而除去这些基因的活性的现象称为基因丢失。
基因的表达调控真核基因表达调 控一般规律
PBL教学法？
• 真核基因组的复杂性? • 大、非编码序列、重复序列、染色质、调控的层次和环节复杂、协调表达复杂
• 即使现在国际人基因组研究计划（human gene project）测出了人基因组3×109bp的DNA序列。 • 但是要搞清楚人全部基因的功能及其相互关系、特别是要明了基因表达调控的全部规律，还需要
非特异性阻遏蛋白的作用，阻遏转录。
本章主要内容
1 真核基因转录前的调控 2 真核基因转录水平的调控 3真核基因转录后水平的调控 4 翻译水平的调控 5 翻译后水平的调控
• 染色质结构改变 • DNA序列改变
4.1 真核基因转录前的调控 4.1.2 DNA序列改变
• 基因丢失 • 基因扩增 • 基因重排 • 基因封闭 • 基因修饰