第十四章基因表达调控
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遗传学15第十四章基因表达的调控
赖
S
DNA
GTA CAT
mRNA密码子
GUA
氨基酸
缬
基因的微细结构
互补作用与互补测验(顺反测验)
假定有两个独立起源的隐性突变如a1与a2，它们具有类似的表型，如何判断它们是属于同一个基因的突变，还是分别属于两个基因的突变？即如何测知它们是等位基因？
需要建立一个双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用
PART 01
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基因的微细结构与性质
位置效应 遗传的最小结构单位 遗传的最小功能单位
(一)、位置效应
位置效应及意义： 基因在染色体上位置不同，对性状表现的作用(程度)也可能不同 染色体并非基因的简单容纳器，基因在染色体上的位置也对其功能具有重要影响 “念珠理论”的第一点(基因与染色体的关系)得到了发展 “念珠理论”的另一个内容是基因的结构不可分性(最小遗传结构单位)。不可分性最早遇到的挫折也是来自对果蝇的研究
根据基因的原初功能可以将基因分为：
(二)、基因的功能类型
根据基因的原初功能可以将基因分为： 1. 编码蛋白质的基因，即有翻译产物的基因 如结构蛋白、酶等结构基因和产生调节蛋白的调节基因 2. 没有翻译产物，不产生蛋白质的基因 转录产物RNA不翻译，如编码tRNA、rRNA 3. 不转录的DNA区段 如启动基因、操纵基因。启动基因是转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。操纵基因是阻遏蛋白、激活蛋白与DNA结合的部位
基因是遗传学中最基本的概念,然而基因的概念不是一成不变的,请概括地叙述对基因认识的演变过程,以及目前对基因本质的看法.
1866年,孟德尔在他的豌豆杂交试验中首次提出了遗传性状是由遗传因子控制.
普通遗传学第十四章 基因表达的调控
第一节 原核生物的基因调控
一、转录水平的调控
→原核生物基因表达的调控主要发生在 转录水平。
→当需要某一特定基因产物时，合成这 种mRNA。当不需要这种产物时， mRNA转录受到抑制。
1、乳糖操纵元模型
大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳 糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增 加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢酶 基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖 操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表 达的调控机制
转录效率更高
→在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp， 也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP 复合物，因此基因不表达。
乳糖操纵元的正调控
2、色氨酸操纵元
大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。
◆trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、
trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 5′端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和 衰减子（attenuator）。
❖ 负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的 调控。
❖ 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相 互作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结 合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序 列结合，激活基因起始转录。
原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中 则主要是正调控机制。
图 14-1 正调控和负调控
2、反义RNA调控
反义RNA可与目的基因的5’UTR（ untranslated region ）互补配对，配对的区域 通常也包括启动子的SD序列，使mRNA不能与 核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。
反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生 物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义 RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。
生物化学——基因表达调控
CCAAPP CAP CAP CAP
cAMP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
.
9
(3)阻遏蛋白与CAP的协调调节
低半乳糖时 (有阻遏蛋白)
高半乳糖时 (无阻遏蛋白)
葡萄糖浓度低 cAMP 浓度高
(有CAP)
葡萄糖浓度高 cAMP 浓度低
(无CAP)
RNA-pol
O
O
mRN
A
O
O
.
10
三、真核基因基因表达的调节
阻遏基因
DNA mRNA
I C Ppo O l
Z YA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
.
7
有乳糖存在时
DNA mRNA
I C pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
.
8
(2)CAP的正性调节 + + + + 转录
DNA I C P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
24
2. 乳糖操纵子的结构及其调节机制
控制区
信息区
DNA I C P O Z Y A
调控 序列
启动 序列
操纵 序列
CAP结合位点
编码基因 Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶
A：乙酰基转移酶 代谢产物基因激活蛋白(cataboli.te gene activator protie6n,CA
(1)阻遏蛋白的负性调节
第十四章 基因表达调控
(Regulation of Gene Expression)
1961年，法国科学家F. Jacob和J. Monod通过研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制， 提出了著名的操纵子学说，从而开创了基因表 达调控研究的新纪元。
生物化学》ppt课件14
(一)病毒癌基因(virus oncogene,v-onc)
1. 病毒癌基因是存在于病毒基因组中的癌基因，它 不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用， 但可以使细胞持续增殖。
2.病毒基因组结构
长末端 重复序列
正常的病毒基因
癌基因
LTR gag
pol
env src LTR
调节和 产生病毒 产生逆转录 产生病毒 产生酪氨酸 启动转录 核心蛋白 酶和整合酶 外膜蛋白 激酶
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
间、空间特异性表达。
转录激活因子
分为
转录抑制因子
(三)反式作用因子的结构
TF
DNA结合域 酸性激活域
(三) 癌基因的分类与功能
根据表达产物在细胞中的定位和功能分为：
1.蛋白激酶类 2.信息传递蛋白类 3.生长因子类 4.核内转录因子类
跨膜生长因子受体 膜结合的酪氨酸蛋白激酶 可溶性酪氨酸蛋白激酶 胞浆丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 非蛋白激酶受体
二、抑癌基因
(一)什么是抑癌基因？
抑癌基因又称肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene)或抗癌基因(anti-oncogene)，是指存在于正常细 胞内的一大类可抑制细胞生长并具有潜在抑癌作用的 基因。
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
遗传学第十四章基因表达的调控
（四）乳糖操纵子的正调控 大肠杆菌的葡萄糖效应
二、色氨酸操纵子中基因表达时的衰减作用 （一）色氨酸操纵子的结构
编码色氨酸合成相关的五个基因trpE,trpD, TrpC,TrpB,trpA；在这五个结构基因上游有启动 区和操纵基因（trpO）；在第一个结构基因trpE 和trpO之间，有一长达160bp的核苷酸序列，称为 前导序列（L），其中含一段衰减子（A）区段。
野生型乳糖操纵子（I+O+Z+Y+A+）的负调控 作用
◆ 细胞中没有乳糖时，阻遏物连到操纵基因上， 阻断转录，没有酶产生。
◆ 细胞中有乳糖时，乳糖与阻遏物连接，诱导转 录，产生相应的酶。
（三）建立乳糖操纵子模型的相关实验分析
1、相关突变体 （1）结构基因本身改变的突变体 Z+ : 能合成β-半乳糖苷酶 Z- : 不能合成β-半乳糖苷酶 （2）组成型突变体
小鼠前速激肽mRNA（preprotachykinin mRNA， PPTmRNA）的不同剪接
2、反式剪接
3、RNA编辑
（三）翻译水平的调控 卵母细胞中隐蔽mRNA的调控。P366
（四）翻译后调节 蛋白质剪接
（五）基因表达中的RNA调节 RNAi , miRNA
谢谢大家！
◇阻遏物单体。 ◇阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片
段。
阻遏物单体
阻遏物二聚体，连到两个21bp的操纵基因DNA片段
4、操纵基因（O）的确定 操纵基因序列的突变将导致阻遏物不能识别
和结合到该部位上。从而造成乳糖利用物质继续 合成。
如何识别突变体Oc和I- 。部分二倍体实验。
5、启动子 RNA聚合酶识别和结合部位： -10区： 序列特征 5’-TATGTT-3’ -35区： 序列特征 5’-TTTACA -3’
基因表达的调控
（一）、乳糖操纵子的结构
乳糖操纵子（lactose operon，lac ）的三个结构基因成簇排列，编码参与β-半乳糖苷（如乳糖）分解代谢所需的三种蛋白质：lacZ编码β-半乳糖苷酶，lacY编码β-半乳糖苷透性酶，lacA编码β-半乳糖苷转乙酰基酶。
lacI基因（调节基因）正好与结构基因相邻，但它不与结构基因属于同一转录单位，它有自己独立的转录单位，含有自己的启动子和终止子。
第十四章 基因表达的调控
原核生物和真核生物都能够根据周围环境(如温度、营养成分等)的变化，改变自己的代谢方式。而代谢方式的变化通常可以通过对基因表达过程的调控得以实现。
机体可以在基因表达过程的任何阶段进行调控，一般以转录水平上的调控为主。
转录水平调控；
RNA的转录后加工；
mRNA从核内向胞浆转运；
诱导
可诱导调节
A
B
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.
一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来开启的状态转变为关闭状态，基因的表达被阻遏
可阻遏调节
+ + + + 转录
无葡萄糖，cAMP浓度高时
有葡萄糖，cAMP浓度低时
CAP的正调控
可诱导的正调控
可诱导的负调控
可阻遏的正调控
可阻遏的负调控
（二）色氨酸操纵子
高色氨酸时
低色氨酸时
RNA聚合酶 终止转录
核糖体 覆盖1-2区
5`
2
1
4
3
1
2
4
3
5`
RNA聚合酶 继续转录
3-4茎-环 结构形成
核糖体停止于1区
普通遗传学第十四章 基因表达的调控
第二节 真核生物的基因调控
一、 DNA水平的调控 二、染色质水平调控 三、转录水平的调控 四、翻译水平的调控
一 DNA水平的调控
1、基因丢失 2、基因扩增 3、基因重排 4、DNA甲基化
一、DNA水平的调控 1、基因丢失
某些原生动物，如线虫、昆虫和甲克类动 物在个体发育过程中，许多体细胞经常丢掉 整个或者部分染色体，只有将要分化形成生 殖细胞的细胞中保留全部染色体。
3、基因重排
基因重排：DNA分子核苷酸序列的重新排 列。重排不仅可以形成新的基因，还可以调 节基因表达。基因组中的DNA序列重排并 不是一种普遍方式，但它是一些基因调控的 重要机制。
① 酵母交配型转换 →a 这种交配型转换的基础是遗传物质的重排。 控制交配型的MAT(mating-type)基因位于酵母菌 第3染色体上，MATa和MAT互为等位基因。
第一节 原核生物的基因调控 一、转录水平的调控 二、翻译水平的调控
二、翻译水平的调控
1、反馈调控机制
如果某种蛋白质过量积累，将与其自身的 mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点 通常包括mRNA 5’端非翻译区，也包括启动子 区域的 Shine-Dalgarno (SD) (AGGAGGU) 序 列。
（二）组蛋白质修饰和非组蛋的作用
组蛋白可被修饰，修饰可改变其与DNA的接 合能力。若被组蛋白覆盖的基因要表达，那么 组蛋白必须被修饰，使其和DNA的结合由紧 变松，这样DNA链才能和RNA聚合酶或调节 蛋白相互作用。因此组蛋白的作用本质上是真 核基因调节的负控制因子，即它们是基因表达 的抑制物。 非组蛋白打开特异基因的分子，具有组织特异 性，在基因表达的调节、细胞分化的控制以及 生物的发育中起着很重要的作用。
免疫球蛋白的多样性
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
第14章 原核生物基因表达调控
第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。
难点：色氨酸操纵子的衰减作用。
第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。
二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。
结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。
调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。
其产物通常是DNA结合蛋白。
调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。
三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。
在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。
这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。
根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。
第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。
细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。
一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。
二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。
四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。
普通遗传学第十四章 基因表达的调控
转录效率更高
→在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp， 也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP 复合物，因此基因不表达。
乳糖操纵元的正调控
2、色氨酸操纵元
大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。
◆trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、
trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 5′端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和 衰减子（attenuator）。
如卵清蛋白基因与鸡卵巢的细胞核基质结合， 而不与鸡肝脏核基质结合。
第二节 真核生物的基因调控
一、 DNA水平的调控 二、染色质水平调控 三、转录水平的调控
三 转录水平的调控
（一） 顺式作用元件 （二） 反式作用因子
（一） 顺式作用元件
1 启动子与转录因子 2 增强子
1 启动子与转录因子
◆启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合位点， 位于受其调控的基因上游某一固定位置，紧邻 转录起始点，是基因的一部分。
◆trp R编码一种无辅基阻遏物，形成无辅基阻 遏物——色氨酸复合物后，才能与操纵子结合。 色氨酸称为辅阻遏物。
◆细胞中的色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三 维空间结构发生改变，不能与操纵子结合，进 行转录。
◆细胞中的色氨酸浓度较高时，色氨酸分子可 与无辅基阻遏物结合，成为有活性的阻遏物， 结合在操纵子区域，阻止转录。
第二节 真核生物的基因调控
真核生物基因调控远比原核生物复杂： 1）高等真核生物的基因组远比细菌的基
因组大得多 2）很多重复序列与调控作用有关 3）染色质结构的变化可以调控基因表达 4）存在同一染色体上不同基因间的调控
，也存在不同染色体之间的基因调控
调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修饰， 翻译水平和翻译后修饰等多种层次。多数基因表 达调控发生在转录水平。
→在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp， 也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP 复合物，因此基因不表达。
乳糖操纵元的正调控
2、色氨酸操纵元
大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。
◆trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、
trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 5′端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和 衰减子（attenuator）。
如卵清蛋白基因与鸡卵巢的细胞核基质结合， 而不与鸡肝脏核基质结合。
第二节 真核生物的基因调控
一、 DNA水平的调控 二、染色质水平调控 三、转录水平的调控
三 转录水平的调控
（一） 顺式作用元件 （二） 反式作用因子
（一） 顺式作用元件
1 启动子与转录因子 2 增强子
1 启动子与转录因子
◆启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合位点， 位于受其调控的基因上游某一固定位置，紧邻 转录起始点，是基因的一部分。
◆trp R编码一种无辅基阻遏物，形成无辅基阻 遏物——色氨酸复合物后，才能与操纵子结合。 色氨酸称为辅阻遏物。
◆细胞中的色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三 维空间结构发生改变，不能与操纵子结合，进 行转录。
◆细胞中的色氨酸浓度较高时，色氨酸分子可 与无辅基阻遏物结合，成为有活性的阻遏物， 结合在操纵子区域，阻止转录。
第二节 真核生物的基因调控
真核生物基因调控远比原核生物复杂： 1）高等真核生物的基因组远比细菌的基
因组大得多 2）很多重复序列与调控作用有关 3）染色质结构的变化可以调控基因表达 4）存在同一染色体上不同基因间的调控
，也存在不同染色体之间的基因调控
调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修饰， 翻译水平和翻译后修饰等多种层次。多数基因表 达调控发生在转录水平。
原核与真核生物基因表达的特点乳糖操纵子的结构`调节机制
（二）诱导和阻遏表达
某些基因的表达水平随外环境信号变化 呈现升高或降低的现象。表达升高的为诱导 ，表达降低的为阻遏。
环境信号 诱导 阻遏
表达增强
协调表达
表达减弱
四、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖 外环境不断变化 机体相应的适应性应答 生物体适应变化着的环境、维持正常生长 （二）维持个体发育与分化
3 DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用
4 RNA聚合酶
1 特异的DNA序列
原核生物：启动序列、操纵序列、调节序列
-35区
TTGACA
-10区
TATAAT
转录起始
真核生物：
B A
RNA聚合酶 转录起始
顺式作用元件（在编码基因的一侧） （可影响自身基因表达活性的DNA序列）
转录起始 A
顺式作用元件（在编码基因的两侧） B
2 调节蛋白
原核生物：
特异因子
CAP 启动序列
RNA聚合酶
操纵区
转录起始
激活蛋白
阻遏蛋白
特异因子 决定RNA聚合酶对启动区的识别和结合力 阻遏蛋白 与操纵区结合，阻遏基因转录 激活蛋白 促进RNA聚合酶与启动区结合，增强酶活性
真核生物：转录因子
反式作用
转录起始点
P
顺式作用
3 DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用
O
Z
高半乳糖、低葡萄糖
Y A
RNA聚合酶
I
P
O
高葡萄糖、低半乳糖
Z Y A
阻遏蛋白 I P O 高葡萄糖、高半乳糖
Z Y A
（一）转录衰减
三、其他转录调节机制
(色氨酸水平低时)
细胞生物学 第十四章
mRNA稳定性的调控
◆mRNA的寿命与它的多聚(A)尾巴长度有关 ◆哺乳动物细胞内mRNA的降解途径说明一旦多聚(A) 尾巴减少到一定长度，mRNA会迅速降解 ◆3’UTR（非翻译区）的核苷酸顺序的不同似乎在多聚 (A)尾巴变短时扮演一个与降解速率有关的角色
几种生物的细胞数目与类型
物种 团藻 海绵 水螅 涡虫 人
· 造血干细胞
· 单能干细胞（monopotential cell）又称定向干细 胞，是仅具有分化形成某一种类型能力的细胞。
第二节 癌细胞(Cancer cell)
●癌细胞的基本特征 ●致癌因素
●癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果
●癌症的治疗
●肿瘤标志物
一．癌细胞的基本特征
癌症是一种严重威胁人类生命安全的疾病。动物体内 细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞(tumor cell)。具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤（malignancy）。 上皮组织的恶性肿瘤称癌。
基因表达阻遏
◆DNA甲基化（DNA methylation）与基因 表达阻遏有关 ◆基因组印记（genomic imprinting） 是说明甲基化作用在基因表达中具有 重要意义的最好例证，也是哺乳动物 所特有的现象
二．加工水平的调控
●选择性拼接是一种广泛存在的RNA加工机制， 通过这种方式，一个基因能编码两个或多个 相关的蛋白质 ◆组成型拼接(constitutive splicing), 一个基因只产生一种成熟的mRNA，一般 也只产生一种蛋白质产物 ◆可调控的选择性拼接产生不同的成熟mRNA， 翻译产生不同的蛋白质,如纤粘蛋白 (fibronectin）的合成 ◆某一特定的外显子是否被包括在成熟mRNA 内，主要取决于它的3’和5’端拼接位点是 否被拼接机器选择为切割位点
第十四章基因表达调控RegulationofGeneExpression
第十四章 基因表达调控
Chapter 14 Regulation of
Gene Expression
通过基因表达，DNA中的遗传信 息即可用以决定细胞的表型和生 物形状。但是，基因的表达随着 组织细胞及个体发育的阶段的不 同，随着内外环境的变化的不同， 而表现为不同的基因的表达。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
原核生物中的反式作用因子主 要分为特异因子、激活蛋白和 阻遏蛋白；
而真核生物中的反式作用因子 通常称为转录因子。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
3．顺式作用元件与反式作用因子 之间的相互作用：
RegulationofGeneExpression
（二）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。
（二）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。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
二、基因表达的时间性及空间性
（一）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。
Chapter 14 Regulation of
Gene Expression
通过基因表达，DNA中的遗传信 息即可用以决定细胞的表型和生 物形状。但是，基因的表达随着 组织细胞及个体发育的阶段的不 同，随着内外环境的变化的不同， 而表现为不同的基因的表达。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
原核生物中的反式作用因子主 要分为特异因子、激活蛋白和 阻遏蛋白；
而真核生物中的反式作用因子 通常称为转录因子。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
3．顺式作用元件与反式作用因子 之间的相互作用：
RegulationofGeneExpression
（二）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。
（二）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。
第十四章基因表达调控 RegulationofGeneExpression
二、基因表达的时间性及空间性
（一）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。
第十四章细胞分化与基因表达调控
第⼗四章细胞分化与基因表达调控第⼗四章细胞分化与基因表达调控⼀、填空题：1、癌细胞内染⾊质，染⾊体的和发⽣改变，细胞核，核仁，核质，癌细胞群分裂相，细胞形态是呈和形。
细胞膜表⾯出现和。
2、在个体发育过程中，通常是通过来增加细胞的数⽬，通过来增加细胞的类型。
3、细胞分化的关键在于特异性的合成，实质是在时间和空间上的差异表达。
4、从⼀种类型的分化细胞转变成另⼀种类型的分化细胞，往往要经历和的过程。
5、根据分化阶段的不同，⼲细胞分为和；按分化潜能的⼤⼩，可将⼲细胞分为、和三种。
6、Dolly⽺的诞⽣，说明⾼度分化的哺乳动物的也具有发育全能性，它不仅显⽰⾼等动物细胞的分化复杂性，⽽且也说明卵细胞的对细胞分化的重要作⽤。
7、基因与基因的突变，使细胞增殖失控，形成肿瘤细胞。
8、细胞分化是基因的结果，细胞内与分化有关的基因按其功能分为和两类。
9、编码免疫球蛋⽩的基因是基因，编码rRNA的基因是基因。
10、癌症与遗传病不同之处在于，癌症主要是的DNA的突变，不是的DNA的突变。
⼆、选择题：1、同源细胞逐渐变为结构和功能及⽣化特征上相异细胞的过程是（）A.增殖B.分裂C.分化D.发育E.衰⽼2、从分⼦⽔平看，细胞分化的实质是（）A.特异性蛋⽩质的合成B.基本蛋⽩质的合成C.结构蛋⽩质的合成D.酶蛋⽩质的合成E.以上都不是3、维持细胞最低限度的基因是（）A.奢侈基因B.结构基因C.调节基因D.管家基因E.以上都不是4、⽣物体的细胞中，全能性最⾼的细胞是（）A.体细胞B.⽣殖细胞C.⼲细胞D.受精卵E.上⽪细胞5、关于细胞分化的叙述,错误的是（）A.分化是因为遗传物质丢失B.分化是因为基因扩增C.分化是因为基因重组D.分化是转录⽔平的控制E.分化是翻译⽔平的控制6、细胞分化过程中，不能激活基因进⾏选择性表达的因素是（）A.DNAB.RNAC.组蛋⽩D.酶蛋⽩E.⾮组蛋⽩7、细胞分化的实质是（）A、基因选择性表达B、基因选择性丢失C、基因突变D、基因扩增8、关于肿瘤细胞的增殖特征，下列说法不正确的是（）。
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第十四章 基因表达的调控
• 原核生物和真核生物都能够根据周围环境 (如温度、营养成分等)的变化，改变自己的 代谢方式。而代谢方式的变化通常可以通 过对基因表达过程的调控得以实现。
• 机体可以在基因表达过程的任何阶段进行 调控，一般以转录水平上的调控为主。
第十四章基因表达调控
DNA水平 RNA水平 蛋白质水平
负调控 negative regulation
•在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入 某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控 制系统就叫做负控系统 。 •其调节蛋白质叫做阻遏蛋白 •两种类型：负控诱导和负控阻遏
第十四章基因表达调控
正调控 positive regulation
•在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入 某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控 制系统就叫做正控系统。 •其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白) •两种类型:正控诱导和正控阻遏系统
第十四章基因表达调控
5. 转录因子
• 转录因子（transcription factor ）是转录起始 过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。转 录因子是参与正调控的反式作用因子，在 无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。
• 转录因子通常识别位于基因上游启动子附 近的顺式作用元件。
第十四章基因表达调控
• 调节基因（regulator gene）仅指参与其他基 因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特 定位点结合而控制受调节基因的转录是基 因表达调控的关键。
第十四章基因表达调控
3. 启动子和终止子
• 位于转录单位开始和结束位置上的DNA序 列，称为启动子（promoter）和终止子 （terminator）。两者都是典型的顺式作用 元件，能受同一类反式作用因子RNA聚合 酶的识别。
• 原核生物许多功能相关的结构基因，特别 是编码同一代谢途径的酶的基因，一般成 簇排列，能受单一启动子的共同控制，结 果是整簇基因或者都表达或者都不表达。
第十四章基因表达调控
• 1961年，Jacob和Monod提出了细菌基因表达 调控的模型——操纵子学说，解释了原核生 物的基因表达在转录水平上是如何调控的。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
• lacI基因（调节基因）正好与结构基因相邻， 但它不与结构基因属于同一转录单位，它 有自己独立的转录单位，含有自己的启动 子和终止子。
• lacI编码可扩散的产物，理论上它不必位于 结构基因附近。将lacI基因转移到其他任何 地方都能很好地发挥作用，因此lacI的表达 产物属于反式作用因子。
• 操纵子（operon）就是由操纵基因（operator） 以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位。 操纵子还包括一个结合RNA聚合酶的启动子。
第十四章基因表达调控
• 操纵基因是位于操纵子前端部分的顺式控 制元件，它能和阻抑蛋白结合，控制结构 基因的转录。阻遏蛋白是调节基因的表达 产物，是参与操纵子调节的反式作用因子。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
（一）、乳糖操纵子的结构
• 乳糖操纵子（lactose operon，lac ）的三个 结构基因成簇排列，编码参与β-半乳糖苷 （如乳糖）分解代谢所需的三种蛋白质： lacZ编码β-半乳糖苷酶，lacY编码β-半乳糖 苷透性酶，lacA编码β-半乳糖苷转乙酰基酶。
• 原核生物操纵子中的全部结构基因从同一 个启动子开始转录成单个mRNA分子。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
1.反式作用因子与顺式作用元件
• 基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场 所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为 反式作用（trans-acting），此基因表达产物 被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。
• 反式作用因子通常为的蛋白质或RNA，其 特征为可以从合成地扩散到目标场所发挥 作用。
第十四章基因表达调控
• 顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不转 变为任何其他形式的DNA序列，它只在原 位发挥DNA序列的作用，仅影响与其物理 上相连的DNA序列的活性。
第十四章基因表达调控
• 顺式作用元件（cis-acting factor）是指 对基因表达有调节活性的DNA序列， 其活性只影响与其自身同处在一个 DNA分子上的基因。顺式作用元件通 常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或 内含子中。
第十四章基因表达调控
• lacI基因的表达产物称为乳糖操纵子阻遏蛋 白（lac repressor）。它的功能是阻止结构 基因的表达。因此，乳糖操纵子的调控属 于负调控。
• 阻遏蛋白与lacZYA基因簇开始处的操纵基因 （O lac）结合，阻止RNA聚合酶在启动子的 转录起始而发挥作用。
第十四章基因表达调控
基因活性的调控主要通过反式作用因子 （通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常 在DNA上）相互作用而实现。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
2. 结构基因和调节基因
• 结构基因（structural gene）是编码蛋白质或 RNA的任何基因。结构基因编码大量的功 能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的结 构蛋白和酶等。
基因丢失； 基因重排；
基因扩增 甲基化修饰；
染色质的结构状态
转录水平调控； RNA的转录后加工； mRNA从核内向胞浆转运； mRNA稳定性
翻译过程； 翻译后加工； 第十四章蛋基白因表质达调的控稳定性
第一节 原核生物的基因表达调控
一、 转录水平的调控－操纵子
• 原核生物的基因调控可以发生在转录和翻 译等不同阶段，但也是以转录水平为主。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
4.操纵基因和阻抑蛋白
• 操纵基因（operator）是与启动子相邻的 顺式作用位点，是阻遏蛋白的靶点。阻遏 蛋白（repressor）是调节基因的产物，与 操纵基因的结合可以阻止受调节基因的表 达。
• 当阻遏蛋白与操纵基因结合时，就会阻止 RNA聚合酶启动转录，基因的表达就被关 闭。在无阻抑蛋白时，RNA聚合酶可以识 别受调节基因的启动子，使这种基因得到 表达。
• 原核生物和真核生物都能够根据周围环境 (如温度、营养成分等)的变化，改变自己的 代谢方式。而代谢方式的变化通常可以通 过对基因表达过程的调控得以实现。
• 机体可以在基因表达过程的任何阶段进行 调控，一般以转录水平上的调控为主。
第十四章基因表达调控
DNA水平 RNA水平 蛋白质水平
负调控 negative regulation
•在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入 某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控 制系统就叫做负控系统 。 •其调节蛋白质叫做阻遏蛋白 •两种类型：负控诱导和负控阻遏
第十四章基因表达调控
正调控 positive regulation
•在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入 某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控 制系统就叫做正控系统。 •其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白) •两种类型:正控诱导和正控阻遏系统
第十四章基因表达调控
5. 转录因子
• 转录因子（transcription factor ）是转录起始 过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。转 录因子是参与正调控的反式作用因子，在 无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。
• 转录因子通常识别位于基因上游启动子附 近的顺式作用元件。
第十四章基因表达调控
• 调节基因（regulator gene）仅指参与其他基 因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特 定位点结合而控制受调节基因的转录是基 因表达调控的关键。
第十四章基因表达调控
3. 启动子和终止子
• 位于转录单位开始和结束位置上的DNA序 列，称为启动子（promoter）和终止子 （terminator）。两者都是典型的顺式作用 元件，能受同一类反式作用因子RNA聚合 酶的识别。
• 原核生物许多功能相关的结构基因，特别 是编码同一代谢途径的酶的基因，一般成 簇排列，能受单一启动子的共同控制，结 果是整簇基因或者都表达或者都不表达。
第十四章基因表达调控
• 1961年，Jacob和Monod提出了细菌基因表达 调控的模型——操纵子学说，解释了原核生 物的基因表达在转录水平上是如何调控的。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
• lacI基因（调节基因）正好与结构基因相邻， 但它不与结构基因属于同一转录单位，它 有自己独立的转录单位，含有自己的启动 子和终止子。
• lacI编码可扩散的产物，理论上它不必位于 结构基因附近。将lacI基因转移到其他任何 地方都能很好地发挥作用，因此lacI的表达 产物属于反式作用因子。
• 操纵子（operon）就是由操纵基因（operator） 以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位。 操纵子还包括一个结合RNA聚合酶的启动子。
第十四章基因表达调控
• 操纵基因是位于操纵子前端部分的顺式控 制元件，它能和阻抑蛋白结合，控制结构 基因的转录。阻遏蛋白是调节基因的表达 产物，是参与操纵子调节的反式作用因子。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
（一）、乳糖操纵子的结构
• 乳糖操纵子（lactose operon，lac ）的三个 结构基因成簇排列，编码参与β-半乳糖苷 （如乳糖）分解代谢所需的三种蛋白质： lacZ编码β-半乳糖苷酶，lacY编码β-半乳糖 苷透性酶，lacA编码β-半乳糖苷转乙酰基酶。
• 原核生物操纵子中的全部结构基因从同一 个启动子开始转录成单个mRNA分子。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
1.反式作用因子与顺式作用元件
• 基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场 所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为 反式作用（trans-acting），此基因表达产物 被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。
• 反式作用因子通常为的蛋白质或RNA，其 特征为可以从合成地扩散到目标场所发挥 作用。
第十四章基因表达调控
• 顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不转 变为任何其他形式的DNA序列，它只在原 位发挥DNA序列的作用，仅影响与其物理 上相连的DNA序列的活性。
第十四章基因表达调控
• 顺式作用元件（cis-acting factor）是指 对基因表达有调节活性的DNA序列， 其活性只影响与其自身同处在一个 DNA分子上的基因。顺式作用元件通 常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或 内含子中。
第十四章基因表达调控
• lacI基因的表达产物称为乳糖操纵子阻遏蛋 白（lac repressor）。它的功能是阻止结构 基因的表达。因此，乳糖操纵子的调控属 于负调控。
• 阻遏蛋白与lacZYA基因簇开始处的操纵基因 （O lac）结合，阻止RNA聚合酶在启动子的 转录起始而发挥作用。
第十四章基因表达调控
基因活性的调控主要通过反式作用因子 （通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常 在DNA上）相互作用而实现。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
2. 结构基因和调节基因
• 结构基因（structural gene）是编码蛋白质或 RNA的任何基因。结构基因编码大量的功 能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的结 构蛋白和酶等。
基因丢失； 基因重排；
基因扩增 甲基化修饰；
染色质的结构状态
转录水平调控； RNA的转录后加工； mRNA从核内向胞浆转运； mRNA稳定性
翻译过程； 翻译后加工； 第十四章蛋基白因表质达调的控稳定性
第一节 原核生物的基因表达调控
一、 转录水平的调控－操纵子
• 原核生物的基因调控可以发生在转录和翻 译等不同阶段，但也是以转录水平为主。
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
第十四章基因表达调控
4.操纵基因和阻抑蛋白
• 操纵基因（operator）是与启动子相邻的 顺式作用位点，是阻遏蛋白的靶点。阻遏 蛋白（repressor）是调节基因的产物，与 操纵基因的结合可以阻止受调节基因的表 达。
• 当阻遏蛋白与操纵基因结合时，就会阻止 RNA聚合酶启动转录，基因的表达就被关 闭。在无阻抑蛋白时，RNA聚合酶可以识 别受调节基因的启动子，使这种基因得到 表达。