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Nanog基因的功能与调控

中国生物工程杂志　China B i otechnol ogy,2008,28(8):123～129

Nanog 基因的功能与调控

周珍辉1

　阮志刚2

　杨学义

2,333

(1北京农业职业学院畜牧兽医系　北京　102442　2西北农林科技大学动物科技学院　杨凌　712100)

(3洛阳师范学院生命科学系　洛阳　471022)

摘要　胚胎干细胞的无限增殖能力和亚全能性决定了它在再生医学、新药开发及发育生物学基础研究中具有巨大的应用前景。探索维持胚胎干细胞亚全能性的因子及其网络的调控功能成为胚胎干细胞生物学研究的热点。已研究发现多个与维持胚胎干细胞亚全能性相关的基因如Oct4,Nanog,Sox2等,其中Nanog 是2003年5月末发现的一个基因,它对维持胚胎干细胞亚全能

性起关键性作用,能够独立于L1F /Stat3维持I C M 和胚胎干细胞的亚全能性。几年来,Nanog 的生物学功能及其与Oct4,Sox2等亚全能性维持基因之间的相互作用关系已有较为深入的研究,并发现多个调控Nanog 表达的转录因子,从而进一步明晰Nanog 与已知调控胚胎发育的信号通路之间的关系。在综述Nanog 基因的表达特征和功能的基础上、重点探讨Nanog 基因表达调控以及Oct4,Sox2等亚全能性维持基因之间的相互作用关系,并对未来的研究趋势予以展望。

关键词　Nanog 胚胎干细胞　自我更新　亚全能性　表达调控

中图分类号　Q756

收稿日期:2007209214 修回日期:2008205206

3国家“863”计划(2006AA02A133)、中国博士后科学基金会(2005038267)、资助项目

33通讯作者,电子信箱:yangxueyi2002@https://www.wendangku.net/doc/12285707.html,

胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES 细胞)主要来源于早期发育胚胎的内细胞团(inner cell mass,I C M ),在体外适宜培养条件下具有自我复制和分化为构成机体所需各种细胞类型的能力

[1～3]

,目前的文献将ES 细

胞的这种特性称之为亚全能性。人类ES 细胞系的建立与基因工程技术的结合为研究人类早期发育过程中的分子事件和人类疾病发生机理提供了一个独特的技术平台,而且将对再生医学、新药开发及发育生物学基础研究产生广泛的影响

[4]

。科学家憧憬

[5,6]

将人类胚

胎干细胞用于自身系统性疾病如:帕金森综合症,脊髓损伤,糖尿病等疾病的治疗,但ES 细胞的致瘤性及其伦理争论等因素阻碍了该领域的研究进程。解决这一难题的有效方法之一就是分离培养病人自身的成体干细胞并进行诱导分化,产生功能细胞,用之于细胞治疗。但成体干细胞不仅数量少,不易分离纯化,而且不能象胚胎干细胞一样在体外长期培养并保持亚全能性,已成为其研究和应用的瓶颈

[7]

。因此,人们尝试通

过遗传操作将体细胞重编程使之回溯到胚胎干细胞状态

[8]

。明了人类ES 细胞亚全能性和自我更新的转录

调控机制是理解人类发育过程及实现体细胞重编程的基础。同源域转录因子在进化上保守且在很多生物的细胞命运分化中起关键性作用,其中O ct 4,Sox2,N anog 等编码的转录因子在囊胚的三个谱系分化中维持他们各自的干细胞类型,对这几个基因进行遗传操作可以引起这些干细胞类型之间的转变,表明对关键性谱系决定基因的认识有助于人们更准确地控制细胞的分化方向

[9]

。其中Nanog 是2003年5月末发现的一个新基

因,它对维持胚胎干细胞亚全能性起关键性作用,能够独立于L1F /Stat3维持I C M 和ES 细胞的亚全能性

[10,11]

,而引起研究者的广泛关注。几年来关于

N anog 的功能、作用机制、及其与其他因子和信号通路

之间互作关系等方面的研究已取得很大进展。

1　N anog 在系统发育过程中的表达特征

1.1　N anog 基因在具有高度增殖能力和亚全能性的

组织和细胞系中高表达

研究表明在胚胎发育过程中Nanog 基因的表达与

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发育阶段相关。在早期卵裂阶段没有Nanog基因的明显表达,最初的时期是在桑葚胚中能检测到Nanog的mRNA,此后在囊胚(E3.5)及附植后E6.5和E7.5的胚胎中都能检测到Nanog的表达。在囊胚中,Nanog 的表达限制在内细胞团内,在滋养外胚层没有表达;在附植后鼠科胚胎的卵圆柱期的近外胚层处假定的原条处检测到Nanog RNA。在前原条和原条早期,Nanog在外胚层附近表达,在原条区域表达最强。在从尿囊未出现的胚芽时期到晚胚芽阶段,其表达只局限于外胚层。在外胚层前部较弱,后部较强,当外胚层细胞进入原条从上皮样细胞向间充质样细胞转变而形成中胚层时,Nanog表达下调。在晚胚芽阶段后,Nanog表达开始下降,到E8时原位杂交已检测不到其表达。妊娠期9d ～13d,在迁移中PGCs和到达生殖的PGCs也同样检测到Nanog mRNA的存在,于E11.5d小鼠胚胎的生殖嵴中就明显发现了其mRNA[12]。最新研究发现人类胎儿卵巢和睾丸中的原始干细胞表达Nanog[13,14]。

Nanog基因不仅在早期发育胚胎中表达,而且它也在ESCs、胚胎瘤细胞、胚胎生殖细胞和睾丸原位癌(testicular carcinoma in situ,C IS)中表达[15,16],但在已分化的ESCs中消失[17],在成纤维细胞,造血细胞等分化了的细胞中未发现有N anog的mRNA[11]。目前,还没有在分化细胞检测到N anog基因表达的报道。这一表达特征提示N anog基因是维持干细胞自我增殖和亚全能性的关键基因。N anog基因在卵母细胞和早期卵裂阶段没有明显表达,但体细胞来源的Nanog通过核移植形成重构囊胚或者与ES细胞融合形成的细胞也能表达Nanog,这表明N anog基因与核重编程的启动紧密相关。

1.2　N anog在成体组织中的表达及功能

早期的研究表明:以Northern杂交在小鼠成体组织中检测不到N anog的表达[11],而Hart等在小鼠一些成体组织中用RTΟPCR检测到了N anog的低水平表达(卵巢、脾、肾、睾丸、肝),在心、肠、子宫、脑、胸腺中可见微量表达,在肌肉、皮肤、骨髓中几乎看不到表达,在骨骼中没有表达。这些结果都可以重复,但是,N anog 的表达是否就限制于特定的细胞区室还不清楚。hN anog和N anog2在人类ESCs中表达,并且在多能性干细胞系中也有表达,但在成人组织(包括睾丸、卵巢、骨髓、脾、胸腺、结肠、脑、胎盘、肺、肾、骨骼肌和心脏)中没有检测到N anog的表达。Northern杂交分析在细胞系和组织中没有检测到N anog2的转录[18]。然而,最新的研究表明成体组织中有类似于胚胎干细胞的多能干细胞:已从人类心脏、肝脏和骨髓中分离到表达OctΟ4和N anog基因的多能干细胞[19],而且也有从人类眼结膜和腹腔网膜的基质中分离到表达OctΟ4和N anog基因的成体干细胞[20,21]。因此,Nanog在成体组织中的表达及其功能是值得深入研究的课题。

2　N anog是一个新发现的维持ES细胞亚全能性的关键基因

2.1　Nanog的主要功能参与胚胎外胚层(Ep ibl a st)亚

全能性的维持

N anog是2003年才被正式鉴定并命名的新基因,在胚胎发育中内细胞团的细胞命运调控方面伴演着重要角色,它能维持外胚层的多能性并且能阻止向原始内胚层的分化[10,11]。通过对不同发育阶段的小鼠胚胎进行分析发现:缺乏N anog的胚胎不能形成外胚层[11]。对E5.5胚胎进行组织学检测表明,7/33的胚胎由紊乱的胚外组织组成,外胚层或胚外内胚层不可辨认。如此高的比例表明这些不正常胚胎中没有N anog。他们与foxD3缺失胚胎和S ox2缺失胚胎不同,前者在此阶段具有外胚层[22],而后者虽没有外胚层,但表现胚外外胚层扩张。在3.5dpc时,3/15的囊胚为纯合型而与正常胚胎不能区别。当在明胶铺被的培养板上培养时,N anog缺失囊胚的内细胞团不能增殖。去除滋养外胚层后,缺乏N anog的内细胞团在体外开始分化,4天内完全分化为体壁内胚层样细胞。与缺乏O ct3/4的内细胞团相反,没有观测到滋养层的分化。因此有人认为在早期发育过程中,第1次细胞命运决定出现在桑葚胚,或发育为滋养层,或保留一部分全能细胞,这个时期,Nanog表达量少,Oct4起决定作用;第2次命运决定出现在囊胚期,I C M部分保持亚全能性,部分分化为原始胚层,Nanog在这时期起决定作用[11]。

2.2　N anog基因的内源性同源异型蛋白能够独立于

L IF/gp130ΟSTATS3维持I CM和ES细胞的亚

全能性

为什么胚胎干细胞能无限制地进行自我更新而不会丧失亚全能性?虽然在20年前ES细胞的研究就已经开始,然而直到现在对于它的机理仍是知之甚少。在N anog基因的功能被鉴定之前,研究者一直认为L I F/gp130是维持胚胎干细胞亚全能性的惟一信号通路。在体外,白血病抑制因子(L I F)可通过激活ST AT3信号转导来维持小鼠ES细胞的未分化状态。撤回L I F

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或直接抑制ST AT3途径均能导致小鼠ES细胞分化为多种形态的杂细胞群[23,24]。然而敲除了L I FRΟgp130的小鼠胚胎能够继续发育并维持其亚全能性,表明在体内有其他因子共同维持胚胎干细胞的亚全能性[25]。有趣的是,在促进小鼠ES细胞自我更新的培养条件下,L I F不足以维持人类ES细胞的特征,并且BMPs能导致其快速分化,提示人类ES细胞具有维持其亚全能性的特殊机制[26,27]。这些研究结果激发研究者寻找与ES细胞亚全能性相关的新基因。Chambers等[10]和M itsui等[11]的研究证明Nanog是独立于该通路的另外一个途径。他们发现:(1)Nanog能够维持敲除L IFR 或加入L I FR颉抗剂的ES细胞的自我更新能力,说明Nanog的作用不依赖L I FR/gp130。(2)Nanog在Jak颉抗剂存在的情况下依然维持ES细胞自我更新能力,说明其作用可以绕过L I FR/gp130下游的Stats3。在N anog转染的细胞中,Stats3表达没有变化,并且敲除Stats3不影响ES细胞的自我更新,证明Nanog通路独立于ST AT3。虽然ST AT3和Nanog通路的相互独立,但内源性Nanog并不足以维持ES细胞的未分化状态,表明在正常的ES细胞内,由两者协同作用来维持ES 细胞自我更新能力。Chambers等证明当Nanog过量表达和L I F同时存在时,ES细胞能得到最大的更新程度。M itsui等认为Nanog可能直接抑制G AT A6的表达从而抑制ES细胞的分化,G AΟT A6和G AT A4产物都促进细胞分化。这些结果表明Nanog是独立于L I F/Stat3途径而发挥作用的[11]。小鼠ESCs的自我更新依赖于细胞因子L I F的信号或骨形成蛋白(BMPs)。除了这种基因表达的外源调控,未分化状态的维持还需要内源转录决定子。这些决定子包括Oct4和N anog,当N anog 超表达时,它可以在L I F和BMP缺失的情况下维持ESCs的自我更新,而L I F和BMPs信号在一般情况下都是必需的。虽然Nanog可以独立于L IF信号发挥作用,但两条通路的共同作用自我更新效率更高。最新研究表明:Nanog通过与Stat3共同作用抑制NFκB的活性维持胚胎干细胞的亚全能性[28]。

3　Nanog的作用机制与调控特点

3.1　外源信号对N anog表达的调控

在体外培养条件下,L IF和激活的ST AT3能维持小鼠ES细胞的未分化状态。例如,通过三苯氧胺诱导ST AT3激活时,小鼠ES细胞的亚全能性在L IF缺乏的条件下仍能维持[29]。相似的研究表明:Nanog过量表达,小鼠ES细胞在无L I F条件下也可维持其亚全能性。如果Nanog在小鼠ES细胞中过量表达,ST AT3的磷酸化水平与野生型相比不会显著地改变,并且激活的ST AT3信号通路似乎不影响Nanog的表达[10]。这些研究结果表明Nanog既不是ST AT3途径的一个直接靶基因,也不能调控ST AT3途径。然而,对小鼠Nanog启动子的分析显示在翻译起始位点上游的5kb位点处有一个ST AT3结合位点。染色体免疫沉淀分析证明ST AT3和T(B rachyury)确实在此区域都有结合位点,而且L IF可以显著上调与该位点结合的荧光素酶报告基因的表达[30]。这些新的发现提示Nanog可能是位于维持ES细胞亚全能性的L I FΟST AT3途径下游的一个直接效应元件,这也与高水平表达的Nanog能绕过L I FΟST AT3信号途径而独立维持小鼠ES细胞未分化状态的事实是一致的。然而,Nanog是L I FΟST AT3途径的一个直接靶基因还只是初步报道而已,还需要更多的研究来确定Nanog与L I FΟST AT3途径的直接关系[31]。

BMP信号在胚胎发育过程中的中胚层诱导中发挥作用,但对于ES细胞的亚全能性似乎有不同的影响效果。在L IF缺乏的条件下,低浓度的BMPS能促进小鼠ES细胞向中胚层分化。而当L I F存在时,相同浓度的BMPS却能维持ES细胞的亚全能性[32]。BMPS属于TGFS超家族成员,通过与下游效应器S MAD1或与之邻近的S MAD5,S MAD8相互作用来调节信号。有趣的是Nanog能与S MAD1相互作用,并阻止它们激活蛋白与S MAD1复合体的进一步结合,由此来抑制BMPS信号途径的活性[30]。鉴于BMPS在ES细胞亚全能性和分化方面的作用,有研究者提出在Nanog与BMPS之间可能存在一个负反馈调节机制[30]。在这个模型中, BMPS首先促进中胚层分化,从而使中胚层分化表达上调,并阻止神经外胚层的分化。L I F存在的条件下,激活的ST AT3与B rackyury相互作用从而结合Nanog的启动子上,结果是Nanog表达的上调。相反,通过干扰它们的效应器S MAD1可阻断BMPS的活性,由此来限制中胚层继续发育并最终维持小鼠ES细胞的未分化状态。

有研究表明Nanog能独立于Oct4而独自维持细胞的自我更新能力,这表明其他的一些因子在调控Nanog 的表达,而Fox D3就是Nanog的一个激活蛋白。Fox D3能结合于Nanog启动子区域而激活Nanog启动子,上调Nanog的表达[33]。相反肿瘤抑制因子P53能与Nanog 启动子结合,抑制Nanog的表达。可使Nanog在ES细

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胞分化过程中失去抑制作用。这些发现说明P53在ES 细胞分化过程中对Nanog有负调控作用[34]。然而,当P53Ο/ΟES细胞用RA处理时,Nanog的表达仍然下调。因此,在ES细胞分化过程中肯定还有其他的负调控因子来调控抑制Nanog的表达。Tcf3结合于Nanog启动子的调控区域,并抑制启动子的激活,下调Nanog的表达。当Tcf3缺失时能延迟小鼠ES细胞的分化,并且能提高Nanog的表达水平以利于ES细胞保持自我更新能力[35]。

3.2　维持ES细胞亚全能性的转录因子调控网络

N anog基因功能的调控涉及Nanog与Sox,Oct4之间的相互作用和Nanog自身的负反馈调控。Boyer 等[36]证明转录因子Oct4,Sox2,和Nanog在早期胚胎发育中占有重要的地位,它们对于保持体外培养ES细胞增殖和未分化潜能具有非常关键的作用。通过基因组范围的位点分析,他们确定了转录因子Oct4,Sox2,和Nanog作用的靶基因,并且发现Oct4,Sox2,和N anog共同结合于其靶基因的启动子。这些靶基因序列通常编码一些转录因子,其中许多同发育有关。Oct4,Sox2,和Nanog相互协作形成一个调控环路,共同维持ES细胞的亚全能性和自我更新能力。研究者推测Oct4,Sox2,和Nanog是通过协同激活它们的靶基因及信号通路关键因子的编码基因,同时抑制与发育有关的关键基因,维持胚胎干细胞的亚全能性。现在,Sox2ΟOct4的目的基因已扩充包含了N anog。在N anog近端启动子内有一个对N anog多能转录很重要的复合soxΟoct顺式调控元件。这个元件在真哺乳亚纲动物内保守,有25亿年的积累进化。N anog近端启动子ΟEGFP报告基因的转基因在ESCs及其分化产物中重演了内源Nanog mRNA 的表达。通过基因突变和体外结合分析证实Sox2和Oct4与N anog的启动子相互作用。电泳迁移率变动分析表明Sox2ΟOct4异二聚体在N anog中复合元件上比在Fgf4中类似元件上形成效率高。在小鼠和人ESCs 中,染色质免疫沉淀表明Oct4和Sox2结合到了N anog启动子上。另外,在ESCs中通过RNA干扰特异敲除Oct4和Sox2的mRNA,从遗传学角度证明Oct4、Sox2和N anog启动子之间存在联系[37,38]。

Loh等[37]在实验中通过遗传学证据和结合试验证明Nanog调控Pou5f1和S ox2的表达,认为Nanog维持自我更新和未分化状态的可能机制是通过调节Oct4和Sox2的水平达到的。Oct4和Sox2反过来又调节一些对亚全能性维持和分化抑制重要的下游基因。而且Nanog还调控一些ESCs命运的重要分子效应物,如Foxd3和S etdb1。Foxd3编码对内细胞团或上胚层维持及ESCs体外建系重要的转录抑制子[39,40]。S etdb1基因编码一个组蛋H3Lys9的转甲基酶,该酶对小鼠ESCs存活是必需的[41]。Oct4和Nanog都与M ycn结合,M ycn是最近才报道在ESCs自我更新和增殖中非常重要的介体之一[42],它虽然能与Nanog结合但却并不受其调控。Loh等还进一步发现了Oct4和Nanog的下游基因Essrb和R if1,这两个基因对维持小鼠ESCs的亚全能性十分重要,进一步阐明了Oct4和Nanog作为关键调控子的中心作用[37]。Essrb属于核激素受体超家族,其纯合子突变胚胎表现不正常的滋养层增殖,向巨细胞谱系的早熟分化和原始生殖细胞的减少[43,44]。R if1是酵母端粒酶蛋白的直系同源基因,在小鼠ESCs 和生殖细胞中上调[45]。在人细胞中,R if1与功能紊乱的端粒相联系并在DNA受损反应中发挥作用[46,47]。值得注意的是在人ESCs中,R if1还是OCT4和NANOG的靶标基因。进一步暗示了其在ESCs生物学中的功能重要性。至于Essrb和R if1调控小鼠ESCs亚全能性的精确机制还需要进一步研究。

3.3　小分子RNA对Nanog功能的调控

虽然,关于Oct4、Sox2和Nanog等关键因子调控维持ESCs亚全能性的作用及其错综复杂的关系的研究取得了明显的进展,但是对于调控胚胎干细胞发育的转录后修饰机制还不了解。近年来研究表明小分子RNA通过多种途径维持ESCs的亚全能性和调节早期胚胎的发育[48],例如RNA结合蛋白ΟDGCR8参与ESCs 自我复制调控[49]。M icroRNAΟ134通过转录后修饰机制降解Nanog蛋白,促进ESCs向外胚层细胞分化[50]。小分子RNA对Nanog基因的表达调控还刚刚起步,其作用及其机制有待深入研究。

4　结　语

Chambers及同事最新发现:胚胎干细胞在Nanog 表达量很低或根本不表达Nanog时更倾向于发生分化,但却不是必定发生分化,仍能通过自我复制产生新的亚全能干细胞。Nanog的表达与否并不是干细胞亚全能性的开关装置,它的作用机制更像是一个通过量变来实现电路调节的变阻器:Nanog的表达水平越高,亚全能干细胞发生分化的可能性就越小。值得注意的是,Nanog在PGCs发育过程中的必需阶段及其在早期胚胎表达的时间段,都是细胞的基因表达调节发生大

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范围调整的时候。研究人员据此猜想,Nanog是在细胞基因表达调节的动荡时期设定细胞状态的重要因子[51]。因此,我们推测Nanog的表达调控与癌症的发生发展有关,深入研究Nanog的表达调控机制有助于探索控制和治疗癌症的新方法。

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821

921 2008,28(8)周珍辉等:Nanog基因的功能与调控

Study on the Functi on of Nanog:Upda te and Perspecti ve

ZHOU ZhenΟhui1　RUAN ZhiΟgang2　Y ANG XueΟyi2,3

(1Depart m ent of Ani m al Science and Veterinary,Beijing Agricultural Vocati on College,Beijing　102442,China) (2Shaanxi B ranch of Nati onal Ste m Cell Engineering Center,Northwest A&F University,Yangling　712100,China)

(3Depart m ent of L ife Science,Luoyang Nor mal University,Luoyang　471022,China)

Abstract　E mbryonic ste m(ES)cells derived fr om the inner cell mass(I C M)of the blast ocyst,which can p r oliferate indefinitely in vitro(selfΟrene wal)and can differentite int o cells of all three ger m layers (p luri potency).These unique p r operties make the m excep ti onally valuable f or cell rep lace ment therap ies drug discovery and regenerative medicine.However,as for organ trans p lants,tissue rejecti on re mains a significant concern for ES cell trans p lantati on.Another concern is the use of hu man e mbryos.One possible means t o avoid these issues is by rep r ogra mm ing the nuclei of differentiated cells t o ES cellΟlike,p luri potent cells.Several extrinsic signals such as L I F,BMP and W nt can support the selfΟrene wal and p luri potency of e mbryonic ste m (ES)cells thr ough regulating the“p luri potent genes.”A unique homeobox transcri p ti on fact or,Nanog,is one of the key downstrea m effect ors of these signals.Elevated level of Nanog can maintain the mouse ES cell selfΟrene wal independent of L I F and enable hu man ES cell gr owth without feeder cells.I n additi on t o the external signal path ways,intrinsic transcri p ti on fact ors such as Fox D3,P53,Tcf3and Oct4are als o inv olved in regulating the exp ressi on of Nanog.Functi onally,Nanog works t ogether with other key p luri potent fact ors such as Oct4and Sox2t o contr ol a set of target genes that have i m portant functi ons in maintenancing ES cell p luri potency.These key fact ors f or m a regulat ory net w ork t o support or li m it each other’s exp ressi on level,which maintains the p r operties of ES cells.

Key words　Nanog　E mbryonic ste m cells　SelfΟrene wal　Pluri potency

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、 2、 3、 4、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、无操纵子和衰减子。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。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，在转录后水平、翻译水平以及翻译后水平。

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。如马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 b.基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象；基因组拷贝数增加，即多倍性，在植物中是非常普遍的现象。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进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。 c.基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为基因重排。通过基因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋白结构基因的表达。在人类基因组中，所有抗体的重链和轻链都不是由固定的完整基因编码的，而是由不同基因片段经重排后形成的完整基因编码的。

原核生物基因表达与调控

第八章原核生物基因表达与调控一、教学目的和要求：掌握原核生物基因表达及调控机制二、教学重点：１、乳糖操纵子调控机制 2、半乳糖操纵子调控机制 3、色氨酸衰减子调控机制三、教学难点： 1、半乳糖操纵子调控机制 2、色氨酸衰减子调控机制四、教学方法：面授并辅以多媒体教学五、教学内容生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞）基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质。第一节原核生物基因的转录和翻译原核生物的DNA：单个裸露的DNA 不编码占5% 转录和翻译同一时间，地点进行转录水平调控(主) ，兼有翻译水平调控 ?根据基因表达产物可划分：组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境影响——组成型表达。 /适应型蛋白：基因表达受时期、部位、环境影响——非组成型表达。?一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态? ?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。 ?基因调控主要在三个水平上进行: ?①. DNA水平 ?②. 转录水平 ?③. 翻译水平 ?一、转录的起始转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即DNA分子上的特定序列。通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。

真核生物的基因表达调控机制

一、真核基因组的复杂性与原核生物比较，真核生物的基因组更为复杂，可列举如下。 1. 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10万个基因。 2. 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。 3. 原核生物的基因组基本上是单倍体，而真核基因组是二倍体。 4. 如前所述，细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基因表达调控的单元，共同开启或关闭，转录出多顺反子(polycistron)的mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子(monocistron)，基本上没有操纵元的结构，而真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题，真核生物基因协调表达要比原核生物复杂得多。 5. 原核基因组的大部分序列都为基因编码，而核酸杂交等实验表明：哺乳类基因组中仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的序列功能至今还不清楚。 6. 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，即有外显子(exon)和内含子(intron)，转录后需经剪接(splicing)去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。 7. 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)。用复性动力学等实验表明有三类重复序列：1）高度重复序列(highly repetitive sequences)，这类序列一般较短，长10－300bp，在哺乳类基因组中重复106次左右，占基因组DNA序列总量的10－60%，人的基因组中这类序列约占20%，功能还不明了。2）中度重复序列(moderately repetitive sequences)，这类序列多数长100－500bp，重复101－105次，占基因组10-40%。例如哺乳类中含量最多的一种称为Alu的序列，长约300bp，在哺乳类不同种属间相似，在基因组中重复3×105次，在人的基因组中约占7%，功能也还不很清楚。在人的基因组中18S/28SrRNA基因重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基因重复1300次，5种组蛋白的基因串连成簇重复30-40次，这些基因都可归入中度重复序列范围。3）单拷贝序列(single copy sequences)。这类序列基本上不重复，占哺乳类基因组的50-80%，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生物为蛋白质编码的基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。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，使现在国际上制订的人基因组研究计划(human gene project)完成，绘出人全部基因的染色体定位图，测出人基因组109bp全部DNA序列后，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，还需要经历很长期艰巨的研究过程。二、真核基因表达调控的特点尽管我们现在对真核基因表达调控知道还不多，但与原核生物比较它具有一些明显的特点。

真核生物基因表达调控

真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂，可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但是，最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。 DNA水平的调控 DNA水平上的调控主要指通过染色体DNA的断裂，删除，扩增，重排，修饰（如甲基化与去甲基化，乙酰化与去乙酰化等）和染色质结构变化等改变基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。转录水平的调控转录水平的调控包括染色质的活化和基因的活化。通过染色质改型，组蛋白乙酰化，染色质变得疏松化及DNA去甲基化以便被酶和调节蛋白作用，基因的表达受顺式作用元件包括启动子及应答元件，转座元件，增强子，抑制子的调控，同时受反式作用因子包括基本转录因子，上游转录因子和转录调节因子等的调控。转录后调控转录后调控包括hnRNA的选择性加工运输和RNA编辑在真核生物中，蛋白质基因的转录产物统称为hn RNA，必须经过加工才能成为成熟的mRNA分子。加工过程包括三个方面：加帽、加尾和去掉内含子。同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式剪接加工，形成不同的成熟mRNA分子，使翻译成的蛋白质都可能不同。转录后的RNA在编码区发生碱基插入，缺失或转换的现象。

翻译水平的调控阻遏蛋白与mRNA结合，可以阻止蛋白质的翻译并使成熟的mRNA变为失活状态贮存起来。一些调控作用的micRNAh和siRNA 还可以与mRNA作用降解mRNA，阻止其翻译此外，还可以控制mRNA的稳定性和有选择的进行翻译。翻译后调控直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的，必须经过加工才具有活性。在蛋白质翻译后的加工过程中，还有一系列的调控机制。 1．蛋白质折叠线性多肽链必须折叠成一定的空间结构，才具有生物学功能。在细胞中，蛋白质的折叠必须有分子伴侣的作用下才能完成折叠。 2．蛋白酶切割末端切割有些膜蛋白、分泌蛋白，在氨基端具有一段疏水性强的氨基酸序列，称为信号肽，用于前体蛋白质在细胞中的定位。信号肽必须切除多肽链才具有功能。多聚蛋白质的切割有些新合成的多肽链含有几个蛋白质分子的序列，切割以后产生具有不同功能的蛋白质分子。

真核生物基因表达调控

第十章作业 1. 简述真核生物基因表达调控的7个层次。 ①染色体和染色质水平上的结构变化与基因活化 ②转录水平上的调控，包括基因的开与关，转录效率的高与低 ③RNA加工水平的调控，包括对出事转录产物的特异性剪接、修饰、编辑等。 ④转录后加工产物在从细胞核向细胞质转运过程中所受到的调控 ⑤在翻译水平上的控制，即对哪一种mRNA结合核糖体进行翻译的选择以及蛋白质成量的控制 ⑥对蛋白质合成后选择性地被激活的控制，蛋白质和酶分子水平上的剪接等的控制 ⑦对mRNA选择性降解的调控 2. 真核基因表达调控与原核生物相比有何异同？相同点：①与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也有转录水平调控和转录后水平的调控，并且也以转录水平调控为最重要； ②在真核结构基因的上游和下游(甚至内部)也存在着许多特异的调控成分，并依靠特异蛋白因子与这些调控成分的结合与否调控基因的转录。不同点：①原核细胞的染色质是裸露的DNA，而真核细胞染色质则是由DNA与组蛋白紧密结合形成的核小体。 ②在原核基因转录的调控中，既有激活物参与的正调控，也有阻遏物参与的负调控，二者同等重要。 ③原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，即在转录尚未完成之前翻译便已开始。 ④真核生物大都为多细胞生物，在个体发育过程中发生细胞分化后，不同细胞的功能不同，基因表达的情况也就不一样，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。 3. DNA 甲基化对基因表达的调控机制。甲基化抑制基因转录的机制：DNA甲基化会导致某些区域DNA构象改变，包括甲基化后染色质对于核酸酶或限制性内切酶的敏感度下降，更容易与组蛋白H1相结合，DNaseⅠ超敏感位点丢失，使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 直接影响了转录因子与启动区DNA的结合效率的结合活性，不能启始基因转录。DNA的甲基化不利于模板与RNA聚合酶的结合，降低了转录活性。 4. 转录因子结合DNA的结构基序（结构域）有哪几类？ ①螺旋-转折-螺旋 ②锌指结构 ③碱性-亮氨酸拉链 ④碱性-螺旋-环-螺旋 5. 真核基因转调控中有几种方式能够置换核小体？ ①占先模式：可以解释转录时染色质结构的变化。该模型认为基因能否转录取决于特定位置上组蛋白和转录因子之间的不可逆竞争性结合。 ②动态模式该模型认为转录因子与组蛋白处于动态竞争之中，基因转录前染色质必须经历结构上的改变，即转换核小体中的全部或部分成分并重新组装，这个耗能的基因活化过程称为染色质重构 6. 简述真核生物转录水平调控过程。真核生物在转录水平的调控主要是通过反式作用因子、顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用来完成的，主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成过程：①转录起始复合物的形成：真核生物RNA聚合酶识别的是由通用转录因子与DNA形成的

第十三章-基因表达的调控讲课教案

第十三章基因表达的调控一、基因表达调控基本概念与原理： 1．基因表达的概念：基因表达（gene expression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。 2．基因表达的时间性及空间性： ⑴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。 ⑵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。 3．基因表达的方式： ⑴组成性表达：组成性基因表达（constitutive gene expression）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。 ⑵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。 4．基因表达的生物学意义：①适应环境、维持生长和增殖。②维持个体发育与分化。 5．基因表达调控的基本原理： ⑴基因表达的多级调控：基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。 ⑵基因转录激活调节基本要素：①顺式作用元件：顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。②反式作用因子：反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。③顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。二、操纵子的结构与功能：在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组

13 生物化学习题与解析--基因表达调控

基因表达调控一、选择题（一） A 型选择题 1 ．基因表达调控的最基本环节是 A ．染色质活化 B ．基因转录起始 C ．转录后的加工 D ．翻译 E ．翻译后的加工 2 ．将大肠杆菌的碳源由葡萄糖转变为乳糖时，细菌细胞内不发生 A ．乳糖→ 半乳糖 B ． cAMP 浓度升高 C ．半乳糖与阻遏蛋白结合 D ． RNA 聚合酶与启动序列结合 E ．阻遏蛋白与操纵序列结合 3 ．增强子的特点是 A ．增强子单独存在可以启动转录 B ．增强子的方向对其发挥功能有较大的影响 C ．增强子不能远离转录起始点 D ．增强子增加启动子的转录活性 E ．增强子不能位于启动子内 4 ．下列那个不属于顺式作用元件 A ． UAS B ． TATA 盒 C ． CAAT 盒 D ． Pribnow 盒 E ． GC 盒 5 ．关于铁反应元件（ IRE ）错误的是 A ．位于运铁蛋白受体 (TfR) 的 mRNA 上 B ． IRE 构成重复序列 C ．铁浓度高时 IRE 促进 TfR mRNA 降解 D ．每个 IR E 可形成柄环节构 E ． IRE 结合蛋白与 IRE 结合促进 TfR mRNA 降解 6 ．启动子是指 A ． DNA 分子中能转录的序列 B ．转录启动时 RNA 聚合酶识别与结合的 DNA 序列 C ．与阻遏蛋白结合的 DNA 序列 D ．含有转录终止信号的 DNA 序列 E ．与反式作用因子结合的 RNA 序列 7 ．关于管家基因叙述错误的是 A ．在同种生物所有个体的全生命过程中几乎所有组织细胞都表达 B ．在同种生物所有个体的几乎所有细胞中持续表达 C ．在同种生物几乎所有个体中持续表达 D ．在同种生物所有个体中持续表达、表达量一成不变 E ．在同种生物所有个体的各个生长阶段持续表达 8 ．转录调节因子是 A ．大肠杆菌的操纵子 B ． mRNA 的特殊序列 C ．一类特殊的蛋白质 D ．成群的操纵子组成的凋控网络 E ．产生阻遏蛋白的调节基因 9 ．对大多数基因来说， CpG 序列高度甲基化 A ．抑制基因转录 B ．促进基因转录 C ．与基因转录无关 D ．对基因转录影响不大 E ．既可抑制也可促进基因转录 10 ． HIV 的 Tat 蛋白的功能是 A ．促进 RNA po l Ⅱ 与 DNA 结合 B ．提高转录的频率

微生物学[第九章微生物基因表达的调控]山东大学期末考试知识点复习

第九章微生物基因表达的调控一、要点提示 1．基因表达是遗传信息表现为生物性状的过程，这一过程是通过基因产物的生物学功能来完成的。微生物在长期的进化中，已经形成了两种主要的代谢调节方式，即酶活性的调节和酶量的调节，酶活性的调节是酶蛋白合成之后即翻译后的调节，是酶化学水平上的调节。而酶量的调节是转录水平或翻译水平的调节。原核生物基因表达的调控主要在转录水平上，这是一种最经济的调控方式。但也有转录后的“微调”，使基因的表达更适应本身的需求和外界条件的变化。 2．原核生物细胞中，功能相关的基因组成操纵子结构，由操纵区同一个或几个结构基因联合起来，形成一个在结构上、功能上协同作用的整体——操纵子，即作为表达的协同单位。操纵子转录调控是原核生物的主要调控机制，受同一调节基因和启动区的调控，并分为负转录调控和正转录调控，在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白，阻遏蛋白或激活蛋白与DNA分子的相互作用和特异性结合，从而控制结构基因的功能。启动子是RNA聚合酶和CAP蛋白的结合位点，控制着转录的起始。这样，这些基因形成了一整套调节控制机制，才使生命系统在功能上是有序和开放的。 3．分解代谢物阻遏又被称为葡萄糖效应，这是因为葡萄糖是首先被发现具有这种阻遏效应的物质。当培养基含有多种能源物质时，微生物首先利用更易于分解利用的能源物质，而首先被利用的这种物质的分解对利用其他能源性物质的酶的产生有阻遏作用，其原因是：分解代谢物阻遏中，只有当分解物激活蛋白(CAP)与cAMP结合后构象发生变化，这时才能结合到启动子上游，并促进RNA 聚合酶与启动基因结合，而葡萄糖能抑制cAMP形成，并促进cAMP分泌到胞外，胞内的cAMP水平下降，RNA聚合酶不能与启动子结合，因此，分解代谢物阻遏实际上是cAMP缺少的结果。 4．转录后调控主要包括如下几方面：(1)翻译起始的调控。(2)mRNA的稳定

第十四章基因表达调控

第十四章基因表达调控一、教学的基本要求解释基因表达的概念，简述基因表达方式和特点。叙述原核生物、真核生物基因表达调控的意义记住基因表达调控的要素，解释重要的概念，如顺式作用元件、反式作用因子、启动子和启动序列、增强子、转录因子等描述乳糖操纵子结构及调解原理，解释乳糖操纵子概念写出原核真核基因调控的主要区别。二、教学内容精要（一）基因表达的概念，规律（特点）及方式 1.基因组(genome) 一个细胞或病毒携带的全部遗传信息或整套基因，称为基因组。不同生物基因组所含的基因多少不同。在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于表达状态。在个体不同生长时期、不同生活环境下，某种功能的基因产物在细胞中的数量会随时间、环境而变化。 2.基因表达基因表达（gene expression）就是基因转录和翻译的过程。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，产生具有特异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和tRNA 编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。 3.基因表达的规律基因表达表现为严格的规律性，即时间特异性（temporal specificity)、空间特异性（special specificity）。基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子（promoter）和／或增强子（enhancer）与调节蛋白（regulatory protein）相互作用决定。 (1)时间特异性：噬菌体、病毒或细菌侵人宿主后，呈现一定的感染阶段。随感染阶段发展生长环境变化，有些基因开启（turn on)，有些基因关闭(turn off)。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，这就是基因表达的时间特异性。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。因此多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性（stage specificity）。 (2)空间特异性：在多细胞生物个体某一发育、生长阶段，同一基因产物在不同的组织器官表达多少是不一样的；在同一生长阶段，不同的基因表达产物在不同的组织、器官分布也不完全相同。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，这就是基因表达的空间特异性。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，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性或组织特异性（tissue specificity）。 4.基因表达的方式不同种类的生物遗传背景不同，同种生物不同个体生活环境的差异，可导致不同的基因功能和性质也不相同。因此不同基因的表达方式或调节类型存在很大差异。 (1)组成性表达(constitutive gene expression）：某些基因产物对生命全过程都是必需的或必不可少的，这类基因在一个生物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)。例如，三羧酸循环是一中枢性代谢途径，催化该途径各阶段反应的酶编码基因就属这类基因。管家基因较少受环境因素影响，它在个体各个生长阶段以及几乎全部组织中持续表达，变化很小。与其他基因的区别是这类基因表达被视为基本的、或

原核生物基因表达调控概述

原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。 1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。 2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应

细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。RNA聚合酶是典型的反式作用因子。顺式作用元件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于一个DNA分子上的基因；这种基因DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。位于转录单位开始和结束位置上启动子和终止子，都是典型的顺式作用元件。（3）结构基因和调节基因结构基因是编码蛋白或RNA基因。细菌的结构基因一般成簇排列，多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或者都不表达。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞核组织器官基本成分的结构蛋白，有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节基因是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异性DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控关键。（4）操纵基因和阻遏蛋白操纵基因是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶能够通过并作用于启动子启动转录，阻遏蛋白是负调控系统中由调节基因编码的调节蛋白，它本身或与辅阻遏蛋白物一起合成于操纵基因，阻遏蛋白操纵因子结构基因的转变，阻遏蛋白可被诱导物变构失活，从而导致不可阻遏或去阻遏。

真核生物基因表达调控

真核生物基因表达的调控河南大学民生学院王磊生物技术一、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。如马蛔虫2n＝2，但染色体上有多个着丝粒。第一次卵裂是横裂，产生上下2个子细胞。第二次卵裂时，一个子细胞仍进行横裂，保持完整的基因组，而另一个子细胞却进行纵向分裂，丢失部分染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。 b.基因扩增：基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾卵母细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象；基因组拷贝数增加，即多

原核生物和真核生物基因表达调控复制、转录、翻译特点的比较

原核生物和真核生物基因表达调控、复制、转录、翻译特点的比较 1.相同点：转录起始是基因表达调控的关键环节 ①结构基因均有调控序列； ②表达过程都具有复杂性，表现为多环节； ③表达的时空性，表现为不同发育阶段和不同组织器官上的表达的复杂性； 2.不同点: ①原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平。真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次。 ②原核基因表达调控主要为负调控，真核主要为正调控。 ③原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性，真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子，依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活。 ④原核基因表达调控主要采用操纵子模型，转录出多顺反子RNA，实现协调调节；真核基因转录产物为单顺反子RNA，功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。 ⑤真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平，其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白、负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。真核生物基因表达的调控环节较多：在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TA TA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。真核基因调控中最重要的环节是基因转录，真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。真核生物和原核生物复制的不同点： ①真核生物DNA的合成只是在细胞周期的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成 ②原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的。真核生物中前导链的合成并不像原核生物那样是连续的，而是以半连续的方式，由一个复制起点控制一个复制子的合成，最后由连接酶将其连接成一条完整的新链。 ③真核生物DNA的合成所需的RNA引物及后随链上合成的冈崎片段的长度比原

10 第十章蛋白质的生物合成及基因调控华中农业大学微生物考研生物化学

第十章蛋白质的生物合成及基因调控本章应着重掌握基因表达的概念、蛋白质生物合成体系中mRNA、tRNA及核蛋白体(核糖体)在蛋白生物合成中的作用、遗传密码及其特点、蛋白质生物合成的主要步骤及主要的酶和蛋白质因子的作用、基因表达调控中的操纵子调控系统和真核生物基因表达调控的特点，熟悉癌基因和抑癌基因的概念以及癌基因异常激活的机理，了解蛋白质生物合成与医学的关系。一、习题 (一)选择题 1．下列有关mRNA的论述，哪一项是正确的? a．mRNA是基因表达的最终产物 b．mRNA遗传密码的方向是3'→5' c. mRNA遗传密码的方向是5'→3' d．mRNA密码子与tRNA反密码子通过A-T，G-C配对结合 e．每分子mRNA有3个终止密码子 2. 密码子UAC与下列哪个反密码子配对结合? a．AUG b．AUI c．IUA d．IAU e．CUA 3. 反密码子UGA能与下列哪个密码子配对结合? a. UCA b．CALU c．A(CU d．ACT e．CUA 4. 下列何处是氨酰tRNA的结合部位? a. 核蛋白体小亚基 b．核蛋白体的P位 c．核蛋白体的D位 d．核蛋白体的A位 e. 转肽酶所在的部位 5. 下列有关原核生物肽链合成的论述，哪一项是正确的? a．只需ATP提供能量 b. 只需GTP提供能量 c. 同时需ATP和GTP提供能量 d．40S亚基与mRNA结合 e．最后是60S亚基结合 6．下列有关真核生物肽链合成启动的论述，哪一项是正确的? a．只需ATP提供能量 b．只需GTP提供能量 c. 同时需ATP和GTP提供能量

d．30S亚基与mRNA结合 e．50S亚基与30S亚基结合 7．下列参与原核生物肽链延伸的因子是 a．IF—1 b．IF—2 c．IF—3 d. EF—Tu e．RF—1 8．下列参与真核生物肽链延伸的因子是 a. eEF—10 b．eRF c．eIF—1 d．EF—Tu e．EF—Ts 9. 有关操纵子学说的论述，下列哪一项是正确的? a．操纵子调控系统是真核生物基因调控的主要方式 b. 操纵子调控系统是原核生物基因调控的主要方式 c．操纵子调控系统由结构基因、启动子和操纵基因组成 d．诱导物与操纵基因结合启动转录 e．诱导物与启动子结合而启动转录 10. 下列有关阻遏物的论述，哪一项是正确的? a．阻遏物是代谢的终产物 b. 阻遏物是阻遏基因的产物 c．阻遏物与启动子结合而阻碍转录的启动 d．阻遏物与RNA聚合酶结合而抑制转录 e．阻遏物妨碍RNA聚合酶与启动子结合 11. 下列有关乳糖操纵子调控系统的论述，哪一项是错误的? a．乳糖操纵子是第一个发现的操纵子 b．乳糖操作子由三个结构基因及基上游的启动子和操纵基因组成 c．乳糖操纵子的调控因子有阻遏蛋白、cAMP和诱导物等 e. 乳糖操纵子调控系统的诱导物是乳糖 12. 下列属于顺式作用元件的是： a. 启动子b．结构基因c．RNA聚合酶 d．转录因子Ⅰe．转录因子Ⅱ 13. 下列属于反式作用因子的是： a．启动子b．增强子c．终止子 d. 转录因子 e. RNA聚合酶 14. 识别启动子TATA盒的转录因子是： a．TFⅡA b．TFlib C. TFⅡD d．TFⅡE e．TFⅠF 15. 促进RNA聚合酶Ⅱ与启动子结合的转录因子是； a．TFⅡA B. TFⅡB c．TFⅡD d．TFⅡE e．TFⅡF 16. 下列有关癌基因的论述，哪一项是正确的?

真核生物与原核生物基因表达调控的区别复习课程

真核生物与原核生物基因表达调控的区别

精品文档原核生物和真核生物基因表达调控特点的比较1.相同点:转录起始是基因表达调控的关键环节2.不同点:A.原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次B.原核基因表达调控主要为负调控,真核主要为正调控C.原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活D.原核基因表达调控主要采用操纵子模型转录出多顺反子RNA 实现协调调节真核基因转录产物为单顺反子RNA 功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA 聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA 的调控作用。真核生物基因表达的调控环节较多在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA 复合物的结合及转录起始复合物的形成。在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA 运输的控制来影响基因表达。在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。真核基因调控中最重要的环节是基因转录真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。葡萄糖存在乳糖不存在此时无诱导剂收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

真核生物基因表达的调控

第10章真核生物基因表达的调控本章教学要求 1.熟悉真核基因组的结构特点、真核生物在DNA水平、转录水平和翻译水平上基因表达调控的特点。 2.掌握以下概念：顺式作用元件、反式作用因子、启动子、增强子，熟悉沉默子、基本转录因子、特异转录因子。 3.了解转录因子的结构特点。本章教学重点和难点 1、真核生物在DNA水平和转录水平基因表达调控的特点。 2、转录因子的结构特点。教学方法与手段讲授与交流互动相结合，采用多媒体教学。授课内容 10.1 真核生物基因表达调控的特点和种类一、真核生物基因表达调控的特点原核生物的调控系统就是要在一个特定的环境中为细胞创造高速生长的条件，或使细胞在受到损伤时，尽快得到修复，所以，原核生物基因表达的开关经常是通过控制转录的起始来调节的。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。真核生物基因表达调控与原核的共同点： ?基因表达都有转录水平和转录后的调控，且以转录水平调控为最重要； ?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的结合与否调控基因的转录。真核生物基因表达调控与原核的不同点： 1、真核基因表达调控的环节更多：转录与翻译间隔进行，具有多种原核生物没有的调控机制；个体发育复杂，具有调控基因特异性表达的机制。 2、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； 3、正性调节占主导，且一个真核基因通常有多个调控序列，需要有多个激活物。

真核生物的基因表达调控概述

真核生物的基因表达调控概述真核生物基因在染色质活性、DNA水平、转录水平和翻译水平的表达调控特点。答：真核基因组结构具有基因组结构庞大、单顺反子、含有大量重复序列、基因不连续性、非编码区较多等特点。（1）染色质结构水平对基因表达调控：①常染色质或异染色质；②染色质的状态（活性或阻遏），紧密结构会抑制基因表达，解凝集结构利于基因表达；③可以通过对组蛋白结构的修饰来实现，有组蛋白翻译后的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等；④DNA水平的调控包括基因丢失、扩增、重排和移位等方式。（2）转录水平的调控：①RNA聚合酶、转录因子等反式作用因子和顺式作用元件（启动子强弱、增强子、沉默子）相互作用对基因转录的调控；②同一基因转录起始位点的不同，导致在不同组织细胞中的基因表达差异。（3）转录后的加工：转录后加工的多样性，包括①加尾和剪接；②多个5′端转录起始位点或剪接位点；③多个加多聚（A）位点和不同的剪接方式；④虽无剪接，但有多个转录起始位点或加多聚（A）位点等多种方式调控基因的表达。（4）翻译水平的调控：①翻译起始因子eIF-4F 的磷酸化激活蛋白质的合成，eIF-2α 的磷酸化引起翻译起始受阻，降低蛋白质的生物合成水平；② mRNA 结构与翻译控制：mRNA5′端m7G 帽有增强翻译水平的作用，上游AUG 密码子的存在往往抑制下游开放读框的翻译效率；③起始AUG 上游序列对翻译效率的影响，如Kozak序列；④poly(A)尾增加翻译效率；⑤poly(A)尾中富含UA 序列抑制翻译。（5）翻译后加工水平的调控：翻译的蛋白质还需要加工、修饰、折叠和分选后才具有功能。综上所述，真核生物基因表达调控是一个十分复杂的过程。

Nanog基因的功能与调控

真核生物基因表达的调控

原核生物基因表达与调控

真核生物的基因表达调控机制

真核生物基因表达调控

真核生物基因表达调控

第十三章-基因表达的调控讲课教案

13 生物化学习题与解析--基因表达调控

微生物学[第九章微生物基因表达的调控]山东大学期末考试知识点复习

第十四章基因表达调控

原核生物基因表达调控概述

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