第十四章基因表达与调控

第十四章细胞分化与基因表达调控一、细胞分化(一)细胞分化的基本概念1．细胞分化在个体发育中,由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化(cell differentiation)。

细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。

细胞分化是基因选择性表达的结果。

2．当家基因与组织特异性基因当家基因(house-keeping genes)是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的。

组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因(luxury genes)，是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能。

3．组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控(combinational control)概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化的调控机制。

即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调节完成的。

生物学作用：一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仪可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成(如眼的发育)。

4．分化启动机制靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。

单细胞有机体的细胞分化与多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。

多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。

5．转分化与再生转分化(transdifferentiation)：一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化。

转分化经历去分化(dedifferentiation)和再分化的过程。

再生(regeneration)：生物界普遍存在再生现象，再生是指生物体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。

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。

基因表达与调控研究基因表达是指基因转录和翻译过程中，DNA序列转变为蛋白质的过程。

它涉及一系列复杂的调控机制，确保基因在特定的细胞类型和时期以适当的水平进行表达。

研究基因表达和调控的机制对于我们理解生物的功能和疾病的发生机理至关重要。

一、基因表达的调控层次基因表达的调控可以发生在多个层次，包括染色质结构、转录、RNA加工和翻译等。

1. 染色质结构调控染色质结构调控是指通过改变染色质的构象和可及性来影响基因的表达。

DNA在染色质中以染色质纤维为单位进行组织和紧密包装，形成紧密结构或松弛结构。

这种结构的变化可以通过染色质修饰、染色质重塑和组蛋白改变等方式进行调控。

2. 转录调控转录是指在DNA模板上通过RNA聚合酶的作用产生RNA分子的过程。

转录的调控可以通过转录因子和转录核酸酶结合来实现。

转录因子是一类具有转录激活或抑制作用的蛋白质，它们通过与DNA的特定序列结合来影响RNA聚合酶的选择性结合和转录活性。

3. RNA加工调控在转录过程中，RNA分子会经历剪接、修饰和核糖体加工等过程，这些过程可以对RNA的功能和稳定性产生重要影响。

RNA剪接是指将转录前体mRNA中的内含子切除，并将外显子连接成连续的序列。

RNA修饰则包括转录启动和终止的加工修饰，如capping和polyadenylation等。

核糖体加工是指在翻译之前将转录RNA转化为成熟的mRNA，包括剪接导致的异构转录本的选择和核糖体结合位点的确定等。

4. 翻译调控翻译是指在mRNA的模板上，核糖体将其转化为蛋白质的过程。

翻译的调控可以通过转录后修饰的RNA分子、转化因子的结合和非编码RNA的干扰等方式实现。

转化因子可以通过识别mRNA上具有特定序列结构的肽链，并引导核糖体选择正确的起始位点和启动氨基酸。

二、基因表达与调控的重要性基因表达与调控的研究对于我们理解生物的发育、功能和疾病等方面具有重要意义。

1. 生物发育转录调控在生物发育过程中起着关键作用。

1.基因表达的中心法则是如何实现的？基因是能够自我复制，永远保存的单位，它的生理功能是以蛋白质的形式表达出来的。

所以DNA核苷酸序列是遗传信息的储存者，它通过自主复制得以永存，通过转录生成信使RNA，进而翻译成蛋白质的过程来控制生命现象，即贮存在核酸中的遗传信息通过转录，翻译成为蛋白质，体现为丰富多彩的生物界，这就是生物学中的中心法则(central dogma)。

该法则表明信息流的方向是有DNA——〉RNA——〉蛋白质。

在该信息流中，RNA病毒及某些动物细胞可以RNA为模板复制出RNA，然后再由RNA直接合成出蛋白质；同时某些病毒，某些癌细胞及动物胚胎细胞可以由RNA转录出DNA，即发生反转录(reverse transcription)。

中心法则合理地说明了在细胞的生命活动中两类大分子的联系和分工：核酸的功能是储存和转移遗传信息，指导和控制蛋白质的合成；而蛋白质的主要功能是进行新陈代谢活动和作为细胞结构的组成成分。

2.遗传密码子：指信使RNA(mRNA)分子上从5'端到3'端方向，由起始密码子AUG 开始，每三个核苷酸组成的三联体。

它决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号。

反密码子：RNA链经过折叠，看上去像三叶草的叶形，其一端是携带氨基酸的部位，另一端有3个碱基。

每个tRNA(transfer RNA）的这3个碱基可以与mRNA 上的密码子互补配对，因而叫反密码子。

三联密码子：生物对mRNA分子中核苷酸序列的翻译方式以3个相邻核苷酸为单位进行，如AUG被识别为甲硫氨酸和肽键合成起始信号、UGA将被识别为终止信号。

这样串联排列的3个核苷酸被称为一个三联体密码子（coden）。

3.基因表达的调控机制：从DNA到蛋白质的过程叫基因表达(gene expression)，对这个过程的调节即为基因表达调控(regulation of gene expressionor gene control)。

生物化学Biochemistry
细胞质:EMP;HMP;糖
原合成;脂肪酸合成;线粒体:TCA,β-
氧化;呼吸链电
子传递;氧化磷
酸化
核糖体:蛋
白质合成;细胞核:核酸合成
细胞结构对代谢途径的分隔控制
苹果酸-天冬氨酸穿梭
只有细胞质中的
NADH/NAD+高于基质才能穿梭
苹果酸草酰乙酸
苹果酸
草酰乙酸
谷氨酸
α-酮戊二酸
天冬氨酸
葡萄糖-6-磷酸酶定位内在内质网膜
正前馈或负前馈
反馈激活或反馈抑制
12中蛋白质凝血因子有7种是丝氨酸蛋白酶
β-半乳糖苷酶：水解乳糖
β-半乳糖苷透性酶：
乳糖透过大肠杆菌质膜β-半乳糖苷乙酰
基转移酶
大肠杆菌乳糖操纵子模型阻遏蛋白
大肠杆菌乳糖操纵子模型阻遏
蛋白起负调控作用
乳糖或者其他诱导物
3、合成途径操纵子的衰减作用
调节基因P
1
2
34
色氨酸操纵子转录本前导区二级结构的变换
1
2
34
123
4
1
234
大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用机制
1112322
3
3444
核糖体
核糖体转录继续
转录终止C.高浓度色氨酸使核糖体到达2部位， 3与4 碱基配对，
转录终止。

A.游离mRNA中1与2以及3与4碱基配对。

B.低浓度色氨
酸使核糖体停
留在1部位，转
录得以完成。

Trp 密码子。

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（）。