基因表达调控

普通生物学中的基因表达调控基因是生物体传递遗传信息的基本单位，而基因的表达调控则决定了生物体的发育、适应和功能。

在普通生物学中，基因的表达受到许多调控因素的影响，包括转录因子、表观遗传修饰和环境刺激等。

本文将探讨普通生物学中的基因表达调控。

一、转录因子调控基因表达转录因子是一类能够结合在DNA上的蛋白质，它们能够调控基因的转录过程。

转录因子的结合位点通常位于基因启动子区域，通过结合位点上的转录因子来激活或抑制基因的转录。

一个基因通常可以被多个转录因子调控，它们的结合和组合方式形成了基因表达的调控网络。

例如，在果蝇发育过程中，转录因子Bicoid通过结合在hare酮酸的位点上，激活一系列的下游基因的转录。

这些下游基因进一步调控胚胎的前后轴发育，形成不同的体节段。

二、表观遗传修饰影响基因表达除了转录因子，表观遗传修饰也是基因表达调控的重要一环。

表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的作用等。

这些修饰可以影响染色质的结构和紧密度，从而影响基因的可及性和转录活性。

在哺乳动物中，DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰形式。

DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶将甲基基团添加到DNA分子上，进而影响基因的转录活性。

DNA甲基化的模式可以在细胞分化中形成细胞记忆，决定细胞的特化命运。

三、环境刺激对基因表达的调控环境刺激是基因表达调控中一个重要的调控因素。

生物体需要通过调整基因表达来适应环境的变化。

例如，在植物的应答机制中，光照是一个重要的环境刺激。

光照可以激活特定的转录因子，进而影响植物的光合作用和生长发育。

光照调控基因表达的机制在植物学中被广泛研究，对于改良作物的耐旱性和光合效率具有重要意义。

四、基因表达调控的应用对基因表达调控的深入研究不仅可以帮助我们理解生物体的发育和适应机制，也为科学家们开发新的治疗方法和生物技术应用提供了理论基础。

在癌症治疗中，研究人员已经开始利用基因表达调控的方法来恢复被癌症细胞异常表达的基因。

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。

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。

第十三章基因表达调控一．基因表达是指基因转录及翻译的过程。

1.基因是负载特定遗传信息的DNA片段。

cDNA习惯上也称为基因，无内含子遗传学：遗传的基本单位，含有编码一种RNA（多数也指多肽）的信息单位；分子生物学：负载遗传信息的DNA片段。

结构包括：内含子、外显子和调控序列。

2.基因组是一个生物体的整套遗传信息；即一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。

3.基因表达是基因转录及翻译的过程；即在一定调控机制下，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产生RNA的过程。

二．基因表达具有时间特异性及空间特异性。

1.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。

2.多细胞生物从受精卵到个体，有不同的发育阶段。

在每一个阶段都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启和关闭，表现为与分化、发育阶段一致的时间性。

多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。

3.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。

4.基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性。

三.基因表达的方式及调节存在很大差异。

1.基因表达调控：细胞或生物体在接受环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制。

按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：组成性表达、诱导或阻遏表达。

2.基本（或组成性）表达：（只受RNA聚合酶和启动子相互影响，不受其他机制调节）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(housekeeping gene)。

无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。

区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达。

3.诱导和阻遏表达（适应性表达）：（除受RNA聚合酶和启动子相互影响，还受其他机制调节）与管家基因不同，大多数基因表达受环境信号影响。

基因表达与调控基因是生物体内蛋白质合成的基本单位，而基因表达与调控则是指基因在不同细胞类型和生理状态下的活性水平调节。

通过基因表达与调控，细胞能够在不同环境中正确地产生所需的蛋白质，从而维持生命的正常功能。

本文将从基因表达、基因调控以及相关机制等方面进行论述。

一、基因表达基因表达是指基因通过转录和翻译过程转化为蛋白质的过程。

基因表达分为几个步骤，包括转录和翻译。

转录是指DNA分子通过酶的作用，在细胞核内转录成RNA分子的过程。

翻译是指RNA通过核糖体和tRNA的配合作用，在细胞质中合成蛋白质的过程。

基因表达的过程中，遵循了中心法则，即DNA→RNA→蛋白质。

二、基因调控基因调控是指通过调节基因的表达水平来控制细胞功能和生物体发育的过程。

基因调控的作用机制很多，包括转录水平的调控、RNA后转录调控以及转译后调控等。

转录调控是指通过控制转录过程中的启动子、转录因子和蛋白质复合体等因素的结合，来调节基因表达。

RNA后转录调控是指通过不同的RNA分子、非编码RNA以及miRNA 等调控因子，对RNA分子进行修饰和降解的过程。

转译后调控是指通过对已合成的蛋白质进行修饰、分解和定位等方式调节基因表达。

三、基因表达与调控的相关机制1. DNA甲基化DNA甲基化是指DNA分子中的一些Cytosine碱基通过甲基化酶的作用而被甲基基团修饰的过程。

DNA甲基化可以影响基因的表达，通常甲基化的基因会出现表达静默的现象，从而达到对基因的调控效果。

2. 转录因子转录因子是指能够与DNA特定区域结合，调控基因表达的蛋白质。

转录因子可以通过结合启动子区域，影响RNA聚合酶与DNA结合的能力，从而调控基因的转录过程。

转录因子的表达量和活性水平可以受到其他调控因素的影响，从而进一步调节基因的表达。

3. miRNAmiRNA（microRNA）是一种短链非编码RNA分子，具有调节基因表达的功能。

miRNA可以与靶基因的mRNA结合，通过抑制其翻译或降解来影响基因的表达水平。

第十七章基因表达调控第十七章基因表达调控一、目的和要求掌握基因表达调控的基本原理。

掌握原核生物转录调控的操纵子模式：掌握操纵子概念、掌握细菌的乳糖操纵子的作用机制。

了解其它的调控方式。

掌握真核生物基因表达调控的特点，了解基因表达的时空性及表达方式，掌握原核生物与真核生物基因表达调控异同点。

了解真核生物复杂的转录后调控。

了解翻译水平的调控。

二、重点和难点重点：1. 掌握基因、基因组、基因表达的概念。

熟悉基因表达的时间性和空间性。

熟悉基因表达的方式及其基本概念。

掌握基因表达调控的生物学意义。

2. 熟悉基因表达调控的多层次和复杂性。

掌握顺式作用元件和反式作用因子的概念。

了解基因转录激活调节的基本要素。

3. 掌握原核基因转录调节的三个特点。

掌握操纵子的定义、结构组成及各部分功能。

熟悉乳糖操纵子的作用机制。

熟悉阻遏蛋白的负性调节、CAP的正性调节及协调调节。

熟悉原核生物的转录终止调节的两种终止方式。

了解转录衰减机制调节。

了解翻译水平的调节方式。

4. 熟悉真核基因表达调控的特点。

掌握顺式作用元件分类。

掌握转录因子分类，了解转录因子的结构。

了解mRNA转录激活及其调节。

5. 了解hnRNA加工成熟的调节和mRNA运输、胞浆内稳定性的调节。

了解翻译起始因子（eIF）活性的调节和RNA结合蛋白对翻译起始的调节。

难点：1. 转录衰减的机制2. 真核细胞转录后及翻译水平的调控。

三、讲授内容及要点1. 基因表达调控基本概念与原理：基因表达的特点，基因表达的方式。

基因表达调控的基本原理，基因转录激活调节基本要素。

2. 原核基因表达调控：原核基因转录调控的特点，操纵子，原核生物的转录起始调控，翻译水平的调控方式。

3. 真核基因表达调控：真核基因表达调控的特点，RNA pol Ⅱ转录起始的调控，转录后调控，翻译调控。

四、英文词汇gene expression 基因表达operon 操纵子induction 诱导repression 阻遏constitutive expression 组成性表达house keeping gene 管家基因operator 操纵序列heat shock protein，HSP 热休克蛋白catabolite gene activator protein，CAP 分解代谢物基因活化蛋白enhancer 增强子lac operon 乳糖操纵子attenuation 转录衰减attenuator 衰减子silencer 沉默子DNA binding domain DNA结合域zinc finger 锌指leucine zipper 亮氨酸拉链五、思考题1. 原核生物基因表达调控的基本原理。

❖基因表达（gene expression）是指将来自基因的遗传信息合成功能性基因产物的过程。

基因表达产物通常是蛋白质，但是非蛋白质编码基因如转移RNA（tRNA）或小核RNA（snRNA）基因的表达产物是功能性RNA。

基因表达可以通过对其中的几个步骤，包括转录，RNA剪接，翻译和翻译后修饰，进行调控来实现对基因表达的调控。

基因调控赋予细胞对结构和功能的控制，基因调控是细胞分化、形态发生以及任何生物的多功能性和适应性的基础。

基因调控也可以作为进化改变的底物，因为控制基因表达的时间、位置和量可以对基因在细胞或多细胞生物中的功能（作用）产生深远的影响。

➢转录原核生物的转录是通过单一类型的RNA聚合酶进行的，需要一个称为Pribnow盒的DNA序列以及sigma因子（σ因子）以开始转录。

原核蛋白编码基因的转录产生的是可以翻译成蛋白质的信使RNA（mRNA）真核生物的转录由三种类型的RNA聚合酶进行，每种RNA聚合酶需要一种称为启动子的特殊DNA序列和一组DNA结合蛋白（转录因子）来启动该过程。

RNA聚合酶I负责核糖体RNA（rRNA）基因的转录。

RNA聚合酶II（Pol II）转录所有蛋白质编码基因以及一些非编码RNA加工：RNA（例如snRNA，snoRNA 或长非编码RNA）。

RNA聚合酶III转录5S rRNA，转移RNA（tRNA）基因和一些小的非编码RNA（例如7SK）。

当聚合酶遇到称为终止子的序列时，转录结束。

真核基因的转录会产生RNA的初级转录本（pre-mRNA），必须经过一系列加工才能成为成熟RNA（mRNA）。

RNA的加工包括5端加帽、3端多腺苷酸化和RNA剪接。

RNA加工可能是真核生物细胞核带来的进化优势。

➢RNA的成熟多数生物体中的非编码基因（ncRNA）被转录为需要进一步加工的前体。

核糖体RNA（rRNA）通常被转录为含有一个或多个rRNA的前体rRNA，前体rRNA后来在特定位点被大约150种不同的snoRNA切割和修饰。

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。