第七章基因的表达与调控(上)
遗传信息从DNA（基因）经过一系列的反应，最后产生功能RNA或功能蛋白质的过程称为基因表达（gene expression），对这个过程的调节控制称为基因表达调控。组成型表达和调节型表达在细胞中，有些基因产物的量是比较恒定的，它们是细胞维持代谢必需的物质，如糖酵解途径中的酶及组成核糖体的蛋白质，这类基因的表达称为组成型表达（constitutive expression）；有些基因产物的量在不同的情况下变化很大，需要这类产物时基因表达，不需要时基因关闭，这类基因的表达称为调节型表达（regulated expression）。
真核与原核细胞转录与翻译调控特点的比较：负调控和正调控
σ因子是RNA聚合酶全酶的组成成分之一，它的功能是识别启动子，与RNA聚合酶的核心酶结合后启动转录。2. 不同的σ因子识别不同的启动子。
转录水平上的调节方式①代谢产物对基因表达的调节②衰减子对基因表达的调节③降解物对基因表达的调节④细菌的应急反应
1.代谢产物对基因表达的调节：在降解代谢途径中，起始端的酶的底物浓度往往决定是否合成这一途径中后续的各种酶（底物诱导）；而在合成代谢中，最终产物往往是调节物质（产物阻遏）。这些调节物质必须与反式作用因子（蛋白质）结合后才能起到调节基因表达的作用。
2.衰减子对基因表达的调节在这种调节方式中，起信号作用的是特定氨酰－tRNA的浓度，如对色氨酸操纵子来说，高浓度的色氨酰－tRNA抑制色氨酸操纵子的表达。具有这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子，以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等。
3.降解物对基因表达的调节在有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。这时，细菌所需的能量可以从葡萄糖得到满足，而无须启动一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。其机制是葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶，减少cAMP的合成，cAMP受体蛋白因没有cAMP与之结合而不能形成复合物。这种复合物是一个正调节物质，它可与操纵子上的启动子区结合，促进基因转录的启动。若培养基中缺乏葡萄糖，而有其它种类的糖，相应的操纵子就会启动。
4.细菌的应急反应上述3个方面是细菌处于正常生活条件下的基因表达调节方式，这种正常也包括生活环境中缺少某一种或两种物质，但能找到代用物。可是，细菌有时会遇到十分恶劣的环境，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一两种氨基酸，而是氨基酸全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌会产生应急反应，包括合成各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生化反应过程均被停止。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，其浓度可增加10倍以上，ppGpp的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因。ppGpp 的作用原理还不清楚，它不只影响一个或几个操纵子，而是影响一大批操纵子，所以它是超级调控因子。
原核生物基因的启动子有两个保守的区域，一个位于－10
处，称为Pribnow box，另一个位于－35处，称为Sextama
box。通过缺失分析发现，强启动子Pribnow box和Sextama
box之间的间隔为17±1bp，增大或减小这个间距能明显影
响启动子的强度。
原核细胞中只有一种RNA聚合酶，它催化所有种类RNA的
转录。真核细胞中有三种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合
酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们催化转录的RNA种类不同。
大肠杆菌RNA聚合酶通常认为由5个亚基组成，即α2、β、
β＇及σ，这5个亚基组成的酶叫全酶，而只由α2、β、
β＇4个亚基组成的酶叫做核心酶。此外，还可以看到一
个相对分子量在10000左右的ω亚基，其功能尚不清楚；
后来又发现一个分子量为69000的酸性蛋白，称为NusA蛋
白，现在又称为转录延伸因子，其功能可能与RNA转录的
延伸和终止有关。σ亚基的主要功能是识别启动子；α亚
基的主要功能是参与和启动子的结合、DNA双链的解链和
恢复双螺旋；β亚基可能参与底物的结合及RNA合成时磷
酸二酯键的形成；β‘亚基的碱性最强，可能起到与DNA
模板结合的作用。不同的σ亚基识别不同类型的启动子。
二、乳糖操纵子与负控诱导系统
操纵子：细菌的基因组中，往往相关的基因聚集、串联在
一起，形成一个基因簇，它们编码同一代谢途径或相关代
谢途径中不同的酶，它们是一个多顺反子，共同表达，共
同调控，构成一个表达和调控的单元。这种单元称为操纵
子（operon）。
乳糖操纵子 lac operon乳糖（lactose）操纵子控制3个
酶的表达。即lac Z、lac Y、lac A，它们分别编码β－
半乳糖苷酶、β－半乳糖苷透过酶和β－半乳糖苷乙酰基
转移酶。由于多顺反子mRNA中各基因翻译效率的不同，β
-半乳糖苷酶：β－半乳糖苷透过酶：β－半乳糖苷乙酰基
转移酶合成的比例为1：0.5：0.2。大肠杆菌如果以乳糖
为唯一碳源和能源的话，前两种酶是必需的。
乳糖操纵子的表达调控：在不含乳糖及β－半乳糖苷的培
养基中，lac+基因型大肠杆菌细胞内β－半乳糖苷酶和透
过酶的浓度很低，每个细胞内大约只有1～2个酶分子，这
称为本底表达。但是，如果在无葡萄糖的培养基中加入乳
糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6～7%，每个细胞
中可有超过105个酶分子。
乳糖操纵子的人工诱导物和底物实际研究中，很少使用乳
糖作为诱导剂，因为培养基中的乳糖会被诱导产生的β－
半乳糖苷酶降解，使乳糖的浓度不断下降。实验室里常常
使用两种含硫的乳糖类似物异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）
或甲基硫代半乳糖苷（TMG）作为诱导剂。在酶活性分析中
常用O－硝基苯半乳糖苷（ONPG）作为生色底物。
有一种阻遏蛋白突变，突变的阻遏蛋白不能与诱导物结合，
因此结构基因经诱导也不能表达。这种突变称为I s，这
种突变是顺反都显性的。
还有一种阻遏蛋白突变，突变的阻遏蛋白不能与操纵区结
合，结构基因组成型表达，这种突变称为I－d，这种突变
叫显性阴性（dominant negative）。
乳糖操纵子的阻遏调控：lacI（调节基因）的表达产物是
四聚体的阻遏蛋白（repressor），它结合到乳糖操纵子的
操纵区（operator），使转录不能进行。当有诱导物
（inducer）存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，结合的复合物
不能与操纵区结合，转录得以进行。实际上，以乳糖为诱导物
时，并不是乳糖和阻遏蛋白结合，而是由乳糖（半乳糖－β－
1,4－葡萄糖）的异构体异构乳糖（半乳糖－β－ 1,6－葡萄
糖）与阻遏蛋白结合。由乳糖转变成异构乳糖是由β－半乳糖
苷酶催化的。在β－半乳糖苷酶催化下，多数乳糖降解成葡萄
糖和半乳糖，也生成一些异构乳糖。这些异构乳糖与阻遏蛋白
结合，使得操纵子处于开放状态。
乳糖操纵子表达中的葡萄糖效应当培养基中有葡萄糖存在
时，细胞吸收葡萄糖，同时半乳糖苷透过酶受到抑制，阻止乳
糖吸收。这叫诱导物排斥（inducer exclusion）。
乳糖操纵子表达中的葡萄糖效应除了抑制乳糖吸收外，葡萄
糖还通过另一种机制阻止乳糖操纵子表达。PTS中的II AGlc
在磷酸化状态时刺激腺苷酸环化酶的活性，使ATP转变成
cAMP，当介质中有葡萄糖时，II AGlc在输入葡萄糖的过程中，
本身被脱磷酸化，脱磷酸化的II AGlc降低腺苷酸环化酶的活
性，使cAMP减少。而cAMP也是乳糖操纵子表达的必需因子。
这是乳糖操纵子表达的另一种调控机制。cAMP可与其受体蛋
白CRP （ cyclic AMP receptor protein ，也叫catabolite
activator protein， CAP ）结合，形成复合物，结合到乳糖
操纵子的启动子区域，从而使得RNA聚合酶能够与启动子结
合，转录得以进行。没有cAMP－CRP复合物与启动子的结合，
RNA聚合酶不能结合到启动子上。很多操纵子的转录需要cAMP
－CRP复合物的参与，尤其是那些－10和－35序列保守性不
强的启动子。
色氨酸（tryptophan）操纵子编码的酶负责色氨酸的生物合
成。色氨酸操纵子的表达与否根据培养基中有无色氨酸而定。
当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色
氨酸时操纵子打开。
色氨酸操纵子的组成色氨酸的合成分5步完成。每一步需要
一个酶，编码这5种酶的基因是紧密连锁在一起的，这5个基
因被转录在一条多顺反子mRNA上。这5个基因分别称为trpE、
trpD、trpC、trpB、trpA，它们分别编码了邻氨基苯甲酸合成
酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨
酸合成酶和吲哚甘油－3－磷酸合成酶。另外，前导区和弱化
子（attenuator，也叫衰减子）区分别称为trpL和trpa。为
trp操纵子调控合成阻遏蛋白的基因是trpR，该基因离trp操
纵子很远。
色氨酸操纵子有两个表达控制机制，一个是阻遏系统控制，另
一个是衰减子控制。
色氨酸操纵子的阻遏系统控制在细胞内缺少色氨酸时，trpR
合成的辅阻遏蛋白（aporepressor）不能与色氨酸操纵子的操
纵区结合，操纵子可以表达；当细胞内色氨酸较多时，色氨酸
与辅阻遏蛋白结合，产生的复合物与操纵区结合，阻止操纵子
表达。
色氨酸操纵子的弱化子调控阻遏－操纵机制对色氨酸操纵
子是一个粗调开关，负责转录是否启动。trp操纵子中还有一
个细调开关，这个开关负责已经启动的转录是否能继续进行下
去，这个细调开关就是弱化子。它通过调控mRNA的转录是否
在达到第一个结构基因之前就终止转录，这种转录提前终止是
受细胞内色氨酸的浓度控制的。
弱化子的功能在色氨酸操纵子的操纵区（O区）与第一个结
构基因trpE之间有一段前导序列，长162bp，其中有起始密
码子AUG和终止密码子UGA。当细胞中缺少色氨酸时，转录可
以一直进行下去，直至最后一个结构基因trpA，产生约7kb的全长mRNA；而当细胞中色氨酸浓度较高时，转录终止在前导序列末，产生一段140Nt的前导RNA。
弱化子结构特点前导序列有一个非常有意义的特点，在其第10和第11位密码子上有相邻的2个色氨酸密码子，这一点很重要，因为组氨酸操纵子中也有弱化子，也有一个类似的能编码前导肽的碱基序列，此序列中含有7个相邻的组氨酸密码子；苯丙氨酸操纵子中同样存在弱化子结构，其前导序列中也有7个苯丙氨酸密码子。
弱化子结构特点 trp前导序列中4个分别以1、2、3、4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，形成茎环结构。有时以1-2和3-4配对，有时以2-3配对，第10和第11位色氨酸密码子位于1区。mRNA转录的终止是通过前导肽mRNA的翻译来调节的。因为在前导肽mRNA中有两个相邻的色氨酸密码子，所以这个前导肽的翻译对色氨酰tRNA的浓度敏感。
弱化子的作用机理当色氨酸的浓度很低时，色氨酰tRNA的浓度也低，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区转录完成时，翻译才进行到1区（或者说停留在两个相邻的色氨酸密码子处），这时前导区的结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，转录可以通过弱化子继续进行。而当色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利地通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就已到达2区，使2-3区不能配对，在4区转录出后，3-4区配对形成茎环终止结构，转录停止于弱化子处。
SOS应答的机理 RecA蛋白在生物信号（DNA损伤）和SOS 基因的诱导之间提供了功能上的连接。严重的DNA损伤导致出现许多单链的缺口，RecA蛋白结合到单链DNA上，激活了RecA蛋白的辅蛋白酶功能，使得LexA产生自我裂解活性，在自身特异的AlA-Gly处断裂，产生两个大致相等的片段，并脱离SOS应答基因的operators，诱导SOS 应答基因去阻遏而得以表达。
4.二组分调控系统和信号转导在细胞感受细胞外的信号而调节基因表达的机制中，有一些属于二组分调控系统。这些是最简单的信号转导系统。磷酸化的应答调节蛋白即成为阻遏或激活蛋白，调控基因表达。
5. 多启动子调控的操纵子大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子P1和P2。在对数生长期，P1起始的转录产物比P2起始的产物多3～5倍，所以P1是强启动子。但是当细菌处于紧急状态时，如氨基酸饥饿条件下，细胞中ppGpp浓度增加，P1的作用被抑制，而由较弱的P2启动子起始的转录继续进行，以维持少量的rRNA供应。核糖体蛋白SI操纵子和DnaQ蛋白操纵子情况类似。
六、转录水平上的其他调控方式
1. σ因子的调节作用在正常条件下，大肠杆菌细胞里大多数基因的启动子是由σ70识别的，σ70与大肠杆菌RNA 聚合酶的核心酶结合，启动这些基因的转录。当细胞遭遇到高温时（由37℃→42℃），一些预先合成的、没有活性的σ32（也叫σH）被激活，它和σ70竞争与核心酶结合，结合了σ32的RNA聚合酶启动另一些基因的表达，以应对高温对细胞的伤害。这些高温诱导表达的蛋白质称为热激蛋白，它们主要是一些分子伴侣蛋白和蛋白酶。分子伴侣结合到因高温而部分变性的蛋白质上，协助其折叠成正
确的构象，无法恢复正确构象的蛋白质被蛋白酶降解。
2. 组蛋白类似蛋白的调节作用细菌中存在一些非特异性
的DNA结合蛋白，用来维持DNA的高级结构，被称为组蛋
白类似蛋白（histone-like proteins，H-NS）。细菌中的
H-NS蛋白包含两个结构域，一个DNA结合结构域和一个蛋
白-蛋白相互作用结构域。H-NS先结合到DNA上，然后通
过蛋白-蛋白相互作用形成四聚体或者多聚体，帮助维持
DNA的高级结构。当H-NS结合到一些基因的调控区时，会
抑制这些基因的转录。
3. 转录调控因子的作用能够与基因的启动子区相结合，
对基因的转录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白称为转录
调控因子。有些转录调控因子受发育阶段变化而产生，有
些受环境因子影响而产生，从而调节相应基因的表达。有
的转录调控因子只影响一个基因的表达，有些转录调控因
子可影响多个基因的表达。有的转录调控因子抑制这个基
因转录，同时又激活另一个基因转录。
4. 基因表达的时序控制所谓基因表达的时序，是指细胞
内不同基因按一定的规律先后表达。基因的时序表达调控
都是在转录这个关键环节进行的。基因的时序表达大致可
以分为三种调控方式：（1）不同σ因子控制的转录时序。
（2）不同RNA聚合酶控制的转录时序。（3）通过抗终止因
子控制的转录时序。
λ噬菌体中的抗终止作用λ噬菌体刚感染大肠杆菌时，利
用大肠杆菌的RNA聚合酶转录噬菌体的基因。 PL为左向
启动子，先转录出左向早早期基因（immediate early
genes）产物L1，L1中的N基因表达产物pN是抗终止因子，
当pN积累到一定程度时，抗在tL1处的终止作用，继续转
录出左向延迟早期基因（delayed early genes）产物L2。
PR为右向启动子，先转录出右向早早期基因产物R1，后因
pN的抗终止作用，接着转录出右向延迟早期基因产物R2
和R3。R3多了一个Q基因产物pQ，它是（右向）晚期启
动子转录的抗终止因子，使转录越过tR4通读。λ噬菌体
左向早期基因主要编码与重组有关的蛋白质，产物是噬菌
体进入溶源化途径所必需。右向早期基因主要编码与DNA
复制有关的蛋白质，产物为噬菌体复制所必需。晚期基因
编码裂解周期所需的蛋白质，主要为噬菌体的包装蛋白，
还有溶菌酶等裂解寄主细胞的酶类。
七、转录后调控转录后调控是对转录调控的补充，它使
基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变
化。
1. mRNA自身结构对翻译起始的调节在大肠杆菌中，绝
大多数基因以AUG为起始密码子，还有约14%的基因以GUG
为起始密码子，3%以UUG作为起始密码子。甚至有两个基
因以AUU为起始密码子。它们都被fMet-tRNA识别，但起
始翻译的效率比AUG低得多。
mRNA自身结构对翻译起始的调节原核mRNA上起始翻译
时，核糖体的识别和结合位点是Shine-Dalgarno序列，而
合成肽链的起始位点是AUG。这两者之间的距离会影响翻
译的起始效率。SD序列与AUG的距离一般以4～10个核苷
酸为佳，以9个核苷酸为最佳。
SD序列本身的差异会影响核糖体的结合，不同的SD序列
会导致翻译效率上百倍甚至上千倍的差异。
mRNA翻译起始点附近的二级结构也会影响核糖体的结合，
从而影响翻译起始。
MS2噬菌体mRNA的二级结构对复制酶基因翻译的影响
当核糖体翻译Coat基因，破坏了复制酶起始密码子处的双链
结构时，复制酶基因才能起始翻译。
2. mRNA稳定性对翻译水平的影响一个典型的细菌mRNA的半
衰期只有2～3分钟，但不同的mRNA的半衰期还是有相当大的
差异降解mRNA的酶有核酸外切酶和核酸内切酶。mRNA分子
3’末端的茎环结构有阻止3’外切酶进攻的作用。不依赖ρ
因子的终止子有更稳定的茎环结构，以这种终止子结尾的mRNA
稳定性更强。细菌中参与mRNA降解的内切酶主要是RNaseⅢ，
它的切割位点需要一定的二级结构，而不是随机的内切酶，具
有这些二级结构的mRNA容易被降解。
3. 调节蛋白的调控作用细菌中有些mRNA结合蛋白可以激活
翻译，也有些可以抑制翻译。大肠杆菌BipA蛋白能激活转录
调控蛋白fis mRNA的翻译，是fis蛋白合成所必需的。
相反，当核糖体蛋白表达量过多时，能结合到自身mRNA
的核糖体结合位点（ribosome binding site，RBS），抑制翻
译。
4. 反义RNA的调节作用反义RNA是可与mRNA中某一段序列
互补的小分子RNA，反义RNA与mRNA的前体互补可阻碍剪接，
与成熟mRNA的翻译起始区互补可抑制翻译。但有些反义RNA
也能促进翻译。细菌铁蛋白用来贮存细胞中过剩的铁离子，
铁蛋白基因是bfr。无论铁离子浓度高低，bfr基因都正常转
录出mRNA，而编码其反义RNA的基因anti-bfr的转录却受能
够感应到铁离子浓度变化的Fur蛋白的调控。细胞中铁离子浓
度高时，Fur蛋白关闭anti-bfr基因的转录，使得bfr的mRNA
能够翻译出铁蛋白。
6. 重叠基因对翻译的影响若一个基因的终止密码子与后面
基因的起始密码有重叠，则核糖体在翻译完前一肽链后，即可
开始翻译后一肽链。这种情况称为翻译偶联，这样的两个基因
往往翻译出同样数量的肽链。
噬菌体Qβ的单链RNA基因组是正链RNA，上面包括三个
基因：成熟蛋白基因A，外壳蛋白及RNA复制酶。
当噬菌体Qβ的RNA进入细胞后，立即作为模板翻译出这
三种蛋白质。正在翻译的核糖体影响了复制酶对此RNA的复
制，但复制酶可以结合到外壳蛋白的翻译起始区，阻止核糖体
的结合。当已经结合的核糖体完成翻译脱落后，复制酶就可以
从RNA的3’端开始复制。在外壳蛋白的翻译起始区和RNA的
3’端都有CUUUUAAA序列，能形成茎环结构，具备翻译阻遏特
征。
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
基因的表达及调控 1基因(gene)：是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列。一个基因不仅仅包括编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括保证转录所必需的调控序列及位于编码区5’端上游的非编码序列，内含子和位于编码区3’端下游的非编码序列。 2基因组(genome)：泛指一个细胞或病毒的全部遗传信息。在真核生物体中，基因组是指一套完整单倍体DNA和线粒体DNA的全部序列，既包括编码序列，也包括非编码序列。3基因表达(gene expression)：是指原核生物和真核生物基因组中特定的结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能的各种蛋白质，表现出特定的生物学效应的全过程。 4基因表达的调控：在同一机体的各种细胞中虽然含有相同的遗传信息即相同的结构基因，但并非它们都在所有细胞中同时表达，而必须根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因，这就是基因表达的调控。5管家基因：有些基因产物对生命全过程都是必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常称为管家基因。管家基因的表达水平受环境因素影响很小，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。这类基因表达称为基本（或组成性）基因表达。 6转录：以DNA一条链为模板，以四种NTP为原料，在RNA聚合酶作用下，按照碱基互补原则（A-U,T-A,G-C）合成RNA链的过程。 7不对称转录：转录时因为①DNA分子双链一股链用作模板指引转录，另一股链不转录。 ②模板链并非总是在同一条链上。故称为不对称转录。 8诱导：可诱导基因在一定环境中表达增强的过程称为诱导。 阻遏：可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。 9基因表达的时间特异性：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，称为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。又称阶段特异性。 10基因表达的空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异，称为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。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(cell or tissue specificity)。 一、原核生物基因的表达及调控 1顺反子（Cistron）：由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。 2多顺反子(polycistron): 原核生物具有操纵子结构，几个结构基因转录在一条mRNA链上，因而转录物为多顺反子。每个顺反子分别翻译出各自的蛋白质。 3单顺反子（monocistron）：真核生物的一个结构基因与相应的调控区组成一个表达单位，转录物为一个单顺反子。从一条mRNA只能翻译出一条多肽链。 4操纵子（operon）:原核生物的结构基因与调控序列以操纵子的形式存在。数个功能上相关联的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动子和操纵序列）和下游的转录终止信号所构成的基因表达单位，所转录的RNA为多顺反子。 5 SD序列：又称核蛋白体结合位点（RBS）。在起始密码AUG上游8~13个碱基处有一段富含嘌呤的序列，其一致序列（consensus sequence）为AGGAGG，称为SD序列（Shine-Dalgarno sequence）。此处能与核糖体30S亚基中16S rRNA 3’端富含嘧啶的序列互补配对结合，与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。 ㈠原核生物基因表达 1 RNA聚合酶全酶结合启动子并起始转录
第十五章基因表达调控 一、单项选择题 1.基因表达产物是 A.RNA B.DNA C.蛋白质 D.DNA和蛋白质 E.RNA和蛋白质 2. 基因表达调控可在多级水平上进行，但其基本控制点是： A．基因活化， B．转录起始 C．转录后加工D．翻译 E．翻译后加工 3. 关于管家基因叙述错误的是 A. 在生物个体的几乎各生长阶段持续表达 B. 在生物个体的几乎所有细胞中持续表达 C. 在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达 D. 在生物个体的某一生长阶段持续表达 E. 在一个物种的几乎所有个体中持续表达 4. 下列情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在 A. 胚胎发育过程不表达，出生后表达 B. 胚胎发育过程表达，在出生后不表达 C.分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达 D. 分化的心肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达 E. 分化的心肌细胞不表达，在未分化的心肌细胞表达 5. 一个操纵子通常含有 A. 数个启动序列和一个编码基因 B. 一个启动序列和数个编码基因 C. 一个启动序列和一个编码基因 D. 两个启动序列和数个编码基因 E. 数个启动序列和数个编码基因 6. 操纵子的基因表达调节系统属于： A. 复制水平调节 B. 转录水平调节 C. 逆转录水平调节 D. 翻译水平调节 E. 翻译后水平调节 7.在乳糖操纵子的基因表达中，乳糖的作用是： A.作为阻遏物结合于操纵基因 B.作为辅阻遏物结合于阻遏物 C.使阻遏物变构而失去结合DNA的能力 D.抑制阻遏基因的转录 E.使RNA聚合酶变构而活性增加
8. Lac操纵子的阻遏蛋白由 A. Z基因编码 B. Y基因编码 C. A基因编码 D. I基因编码 E. 以上都不是 9. 阻遏蛋白识别操纵子的 A 启动基因 B 结构基因 C 操纵基因 D 内含子 E 外显子 10. 分解代谢物基因激活蛋白（CAP）对乳糖操纵子表达的影响是： A 正性调控 B 负性调控 C 正/负调控 D 无控制作用 E 可有可无 11.cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在 A 葡萄糖及cAMP浓度极高时 B 没有葡萄糖及cAMP较低时 C 没有葡萄糖及cAMP较高时 D 有葡萄糖及cAMP较低时 E 有葡萄糖及CAMP较高时 12.与DNA结合并阻止转录进行的蛋白质是 A.正调控蛋白 B.反式作用因子 C.诱导物 D.分解代谢基因活化蛋白 E.阻遏物 13. 色氨酸操纵子调节过程涉及 A. 转录水平调节 B. 转录延长调节 C. 转录激活调节 D. 翻译水平调节 E. 阻遏蛋白和“衰减子”调节 14.当培养基中色氨酸浓度较大时，色氨酸操纵子处于： A.诱导表达 B.阻遏表达 C.基本表达 D.组成表达 E.协调表达 15.顺式作用元件是指 A. 非编码序列 B. TATA盒 C. GC盒 D.具有调节功能的特异DNA序列 E. 具有调节功能的蛋白质 16. 反式作用因子是指 A. 对自身基因具有激活功能的调节蛋白 B. 对另一基因具有激活功能的调节蛋白 C. 具有激活功能的调节蛋白 D. 具有抑制功能的调节蛋白 E. 对特异基因转录具有调控作用的一类调节蛋白 17.关于启动子的叙述下列哪一项是正确的？ A.开始被翻译的DNA序列 B.开始转录成mRNA的DNA序列 C.开始结合RNA聚合酶的DNA序列 D.产生阻遏物的基因 E.阻遏蛋白结合的DNA序列
第八章基因的表达与调控 基因表达就是将基因携带的生物信息释放出来，供细胞利用的过程，或将生物的遗传信息作为性状或特征表现出来的过程。 第一节基因的概念 一、基因的概念及其发展 （一）经典遗传学中关于基因的概念 1、基因具有染色体的主要特征，能自我复制，有相对的稳定性，在有丝分裂和减数分裂中有规律地进行分配。 2、基因在染色体上占有一定位置（位点），并且是交换的最小单位。 3、基因是以一个整体进行突变的，故它又是一个突变单位。 4、基因是一个功能单位，它控制着正在发育有枘本的某一个或某些性状，如红花、白花等。 （二）分子遗传学关于基因的概念 认为基因不是不可分割的最小遗传单位。 一个基因相当于DNA分子上的一定区域段，是由多少不等的核苷酸对构成的，所以在一个基因内部的不同核苷酸对之间可以发生交换和突变。 那么按照现代遗传学的观点，根据重组、突变、功能这三个单位应分别是： 1、突变子（muton）： 性状突变时，产生突变的最小单位，一个突变子可以小到只是一个核苷酸对。 2、重组子（recon）：（交换子） 发生性状重组时，可交换的最小单位，一个重组子只包含一对核苷酸。 3、顺反子（cistron）：（作用子） 表示一个起作用的单位，基本符合通常所指的基因。一个作用子所包括的一段DNA与一个多肽链的合成相对应。 所谓起作用，是指这一段DNA可以转录成RNA，进而合成蛋白质。 （三）基因概念的进一步发展 分子遗传学上基因的概念： ①可转录一条完整的RNA分子，或编码一条多肽链； ②功能上被互补测验或顺反测验所规定。 事物是在不断发展和深化的，对基因的认识也在日新月异，基因可分为不同的类型 1、结构基因（structual gene）：是可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列 2、调控基因（regulator gene）：指其产物参与调控其他结构基因表达的基因。 3、重叠基因（overlapping gene）：指同一段DNA的编码顺序，同时编码两个或两个以上的多肽链基因。 4、隔裂基因（spit gene）：指一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编码顺序所隔裂的现象。 5、跳跃基因（jumping gene）：（转座因子，又可叫可移动因子）：指可作为插入因子和转座因子移动的DNA序列 6、假基因（pseudogene）：与正常基因在核苷酸顺序的组成上非常相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因。 还有根据基因来源将基因分为核基因，线粒体基因，叶绿体基因等。 二、基因的微细结构
真核基因和原核基因表达调控的异同？ 真核基因表达调控的基本原理与原核基因相同，主要表现在： 1、与原核基因的调控一样，真核基因表达调控也以转录水平调控为最重要； 2、在结构基因均有调控序列，并依靠特异蛋白因子与这些调控序列的结合与否调控基因的表达。 3、都要经历转录、翻译的过程。 4、表达过程都有复杂性，多环节 不同 1、真核基因表达调控过程更复杂。 2、在染色质结构上。原核细胞的DNA是裸露的，而真核细胞DNA包装在染色体中。DNA与组蛋白组成核小体形成为染色体基本单位。在原核细胞中染色质结构对基因的表达没有明显的调控作用，而在真核细胞中染色质的变化调控基因表达，并且基因分布在不同的染色体上，存在染色体间基因的调控问题； 3、真核生物中编码蛋白质的基因通常是断裂基因，含有有非编码序列即内含子，因而转录产生的mRNA前体必须剪切加工才能成为有功能的成熟的mRNA，而不同拼接方式的可产生不同的mRNA。而原核生物的基因由于不含有外显子和内含子，因此，转录产生的信使RNA不需要剪切、拼接等加工过程。 4、在原核基因转录的调控中，既有正调控，也有负调控，二者同等重要，而真核细胞中虽然也有正调控成分和负调控成分，但目前已知的主要是正调控，且一个真核基因通常都有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上去才能调节基因的转录； 5、原核基因的转录和翻译通常是相互偶联的，而真核基因的转录与翻译在时空上是分开的，从而使真核基因的表达有多种调控机制。 6、真核生物细胞中存在mRNA的稳定性调控
7、真核生物大都为多细胞生物，基因的表达随细胞内外环境条件的改变和时间程序在不同的表达水平上进行着精确调控，而原核生物主要受环境因素和营养状况影响基因调控。 8、真核生物由三种RNA聚合酶分别负责三种RNA的转录，而原核生物只有一种。
第六章外源基因的表达 1、名词解释 融合蛋白：将外源蛋白基因与受体菌自身蛋白基因重组在一起，没有改变两个基因的阅读框，以这种形式表达的蛋白，称为融合蛋白。 分泌蛋白：外源基因的表达产物N端连有一信号肽序列，通过运输和分泌的方式穿过细胞的外膜进入培养基中。 包涵体：一定条件下，外源基因表达产物在大肠杆菌中积累并致密地聚集在一起形成无膜的裸露结构，称为包涵体。 外源基因表达体系：泛指目的基因与表达载体重组后，导入合适的受体细胞，并能在其中有效表达，产生目的基因产物。 2、大肠杆菌表达载体构成的重要元件有哪些？ ①启动子：Lac和Tac；PL和PR；T7。②核糖体结合位点。③插入位点 ④终止子⑤复制起始区⑥选择标记 3. 试比较大肠杆菌、酵母、植物和动物细胞基因表达载体各自组成的特点。 （1）大肠杆菌基因表达载体构成的重要元件（见上题）； （2）酵母表达载体的重要组成原件 ?复制起始区： ?选择标记：营养缺陷型；显性选择标记 ?有丝分裂稳定区 ?表达盒（expression cassette)：启动子、分泌信号序列和终止子。 （3）植物基因表达载体的组成特征： ?以Ti质粒为基础构建而成。 ?启动子：组成型、诱导型和组织特异型。 ?终止子：rbs小亚基基因3’端终止子序列。 ?T-DNA：边界序列25bp正向重复序列，为控制外源基因的转移和整合必需的功能元件。?内含子序列：有效提高成熟mRNA的含量，提高外源基因的表达水平。 ?选择标记与报告基因 （4）动物细胞基因表达载体组成特征： ①、启动子②、复制子③、mRNA剪接和加尾信号④、筛选标记 4. 真核基因在大肠杆菌中表达存在的问题和高效表达的对策是什么？ 真核基因在大肠杆菌中表达存在的问题： ?真核基因的结构具有内含子，而大肠杆菌等原核生物没有转录产物剪接加工系统。 ?真核生物mRNA的结构与大肠杆菌中的不同，影响到真核mRNA在原核细胞中的稳定性及与核糖体的结合能力。 ?真核生物的基因对简并密码子的使用偏好与大肠杆菌的不同。 ?大肠杆菌细胞没有真核生物的蛋白质加工修饰系统，使表达产物不能正常折叠。 ?大肠杆菌内源蛋白酶会对真核基因表达产物产生降解，造成表达产物的不稳定性。真核基因在大肠杆菌中高效表达的对策：