真核基因原核表达的作用

原核、真核生物基因及表达调控引言现代生物学中“基因”一词甚为流行，细胞学、遗传学、生物化学等，以及各种生物学课本中，都涉及到“基因”一词。

甚至象典型的宏观生物学科——生态学，也把一片森林称为一个“基因库”[1]。

现代生物学已经完全证明，DNA 分子是由称为核普酸的有机分子线性聚合而成。

基因就是核普酸按一定顺序排列而成的DNA分子片段，它携带着遗传信息。

基因表达(gene expression)是指细胞在生命过程中，把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子。

其实质就是遗传信息的转录和翻译。

在个体生长发育过程中，生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）[2]。

原核生物和真核生物的基因及表达过程有着差异。

随着世界分子生物学研究不断深入，基因表达技术有了很大的提高。

迄今为止，人们已经研究开发出多种原核和真核表达系统用以生产重组蛋白[3]。

一．原核、真核生物基因结构原核生物基因分为编码区与非编码区，所谓的编码区就是能转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成，非编码区位于编码区的上游及下游。

[4]在调控遗传信息表达的核苷酸序列中最重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。

RNA聚合酶是催化DNA转录为RNA，能识别调控序列中的结合位点，并与其结合。

真核生物基因结构见图1：图1 真核生物基因结构二．原核、真核生物基因结构的区别最主要的在于真核基因是不连续的,而原核基因是连续的。

所谓真核基因的不连续，即一个基因的编码序列也叫外显子，被一个或多个非编码序列，又叫内含子所间隔。

[5]这些内含子和外显子同属一个转录单位，转录形成前体。

经过转录的加工，即切去内含子，重新连按外显子，从而得到成熟。

而绝大多数的原核基因是连续的，没有内含子的间隔，转录产生成熟。

不仅如此，而且凡在代谢途径上功能有关的多个基因可能紧密相联，与它们的调控基因一起组成一个操纵子，转录到一条链。

真核基因在原核细胞中如何表达
基因工程操作的过程中，在导入真核细胞的目的基因时一般用人工合成基因的方法。

即以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下根据碱基互补原则合成双链DNA，从而获得所需要的目的基因。

或根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的脱氧核苷酸序列，再通过化学方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。

为何不从真核生物的供体细胞的DNA 中直接分离目的基因呢？
1 从基因结构看，由于真核细胞的基因含有不表达的DNA 片段，不能直接用于基因的扩增和表达。

具体的说，真核细胞的基因结构在编码区是由不能够编码蛋白质的内含子和能够编码蛋白质的外显子组成。

真核细胞的基因在真核细胞内表达时，先由整个编码区转录出RNA，再经过加工，即在细胞核中把由内含子转录出的对应序列从RNA中切去，将由外显子转录出的对应序列重新拼接起来，形成成熟的信使RNA，再到细胞质中去指导蛋白质的合成。

而原核细胞对转录出的RNA不需要进行加工，直接翻译成蛋白质。

2 从运载体看，由于经常使用的运载体是质粒、噬菌体和动植物病毒。

而最常用的是大肠杆菌的质粒，而原核细胞的基
因其编码区是连续的，能够直接编码蛋白质。

因此，如果从真核生物的供体细胞的DNA中直接分离得到的目的基因重组到大肠杆菌的质粒上，即使转录出RNA，原核细胞也对转录出的RNA不进行加工(没有相关的酶)，这样由于转录出的RNA中具有由内含子转录出的不能够编码蛋白质的对应序列，这样的RNA翻译不出所需要的蛋白质，从而使基因不能表达。

只有重组到酵母菌(真核生物)的质粒上，才有可能使基因表达。

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。

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。

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、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。

-原核表达系统一．表达系统：基因工程中用来获得有功能的异源蛋白质的体系，包括克隆载体，表达载体及受体细胞。

据受体细胞的不同可分为：1．原核表达载体系统：将外源基因引入原核细胞，并使其在原核细胞中以发酵形式快速高效地表达合成基因产物的体系。

2．真核表达系统：使外源基因在真核细胞中表达。

二．原核生物基因结构和表达特点1．原核生物染色体DNA是裸露的环形DNA，其转录和翻译是偶联的连续进行。

2．原核生物形成多顺反子mRNA：mRNA在合成过程中和多个核糖体结合，翻译形成多条肽链。

（图）多顺反子mRNA（polycistronic mRNA）：即可作为两个或多个肽链翻译模板的mRNA。

3．一般不含内含子（intron），没有转录及翻译后加工系统。

4．原核生物中功能相关的基因串联在一起，形成操纵子。

操纵子（operon）：是一组功能上相关，受同一调控区控制的基因组成的一个遗传单位。

1）原核生物基因表达的基本单位（即一个转录单位）。

共同协调作用，完成某一多肽的表达调控。

2）包括调控区：调节基因，启动基因，操作基因。

结构基因：5．原核生物中参与转录的基因结构：1）启动子：是DNA上的一段序列，是RNA聚合酶识别并结合部位。

各种不同的原核细胞其启动子各有不同，但均含有下列两个高度保守区（富含AT：易变性解离为单链，为RNA合成提供模板）（1）TATA box（-10区，pribnow box）：转录启始点上游10bp处一段富含AT的碱基TATATTA（2）-35区：长度和顺序个体间差别很大，富含AT是RNA聚合酶识别位点。

转录的启始：RNA聚合酶首先识别启动子的-35区并结合至启动子上，然后开始滑向转录起始点，到-10区时，RNA聚合酶与启动子结合更牢固，并继续向前滑行，大约6-7bp后开始转录（转录起始位点）。

即RNA聚合酶识别并结合启动子，但并不转录（图）。

各种启动子启动转录能力不同。

启动子强弱取决于-35区和-10区的碱基组成及其间隔序列。

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。

原核表达技术原核表达技术是一种用于原核生物体中表达外源基因的技术。

通过将外源基因导入原核生物体中，并使其在细胞内得到表达，可以实现对目标基因的研究和利用。

原核表达技术在生物科学研究、生物工程、医学等领域具有广泛的应用前景。

原核表达技术的基本原理是将外源基因导入原核生物体中，并将其与宿主细胞的基因表达系统连接起来。

这样，外源基因就可以在宿主细胞内得到转录和翻译，从而表达出编码的蛋白质。

为了实现这一目标，研究人员通常需要构建一个包含外源基因的表达载体，并将其导入到宿主细胞中。

在构建表达载体时，研究人员通常会选择合适的启动子、转录终止子和调节元件等，以确保外源基因在宿主细胞中得到高效的转录和翻译。

此外，还可以通过引入信号肽序列等方式，使得目标蛋白质能够在宿主细胞中得到正确的翻译和定位。

在导入表达载体到宿主细胞中时，常用的方法有化学法转化、电转化和质粒共转化等。

其中，化学法转化是最常用的方法之一。

通过将表达载体和宿主细胞一起处理化学试剂，使得宿主细胞的细胞壁发生变化，从而导致表达载体进入细胞内。

电转化则是利用电场脉冲的作用，使得表达载体能够穿过宿主细胞的细胞膜进入细胞内。

质粒共转化是将表达载体与另一个能够进行共转化的质粒一起导入宿主细胞中，以提高转化效率。

一旦表达载体成功导入宿主细胞，外源基因就可以开始在细胞内得到表达。

为了检测外源基因的表达情况，研究人员通常会选择合适的检测方法，如聚合酶链反应（PCR）、蛋白质印迹、酶活性分析等。

通过这些方法，可以确定外源基因是否得到了正确的转录和翻译，并且能够得到目标蛋白质的定量和活性信息。

原核表达技术在生物科学研究中有着广泛的应用。

例如，通过原核表达技术可以实现对目标基因的功能研究。

研究人员可以通过构建不同的表达载体，将目标基因在宿主细胞中进行过量表达或靶向抑制，进而研究其在细胞生理过程中的作用机制。

另外，原核表达技术还可以用于生物工程领域。

研究人员可以利用原核表达技术生产大量的重组蛋白质，以满足药物研发和工业生产的需求。

原核基因组和真核基因组的功能特点
原核基因组的功能特点：
1. 原核基因组通常较小，一般只包含单一的环状染色体或线性染色体。

它们的基因组大小通常在数百万到数千万碱基对之间。

2. 原核生物的基因组通常具有高度的致密性，基因之间很少存在非编码区域。

3. 原核基因组中的基因通常是连续编码的，没有内含子（非编码区域）。

4. 原核基因组中的基因数量相对较少，一般数千个到数万个基因。

5. 原核基因组中的基因通常具有高度保守性，即它们在物种间的序列相似性较高。

真核基因组的功能特点：
1. 真核生物的基因组通常较大，可以包含多个染色体。

人类基因组就由23对染色体组成。

2. 真核基因组中的基因通常具有较大的非编码区域，这些区域可以包含调控元素、转录因子结合位点等。

3. 真核基因组中的基因通常具有内含子（非编码区域），它们需要通过剪接作用来产生功能性的mRNA分子。

4. 真核基因组中的基因数量通常比原核生物多得多，人类基因
组估计有大约2万个基因。

5. 真核基因组中的基因序列相对较为多样，存在较高的基因序列变异性。

这些功能特点反映了原核生物和真核生物的基因组在结构和功能上的差异，反映了它们在基因调控和基因表达方面的适应性差异。

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。

原核生物与真核生物基因表达的区别最佳答案原核生物的机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。

转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。

通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。

RNA 的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。

此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA 分子的组成和功能。

在真核细胞中，还可对RNA 从核到胞浆中的转运进行调控。

但是在细菌中，mRNA 只要一合成，就可用于翻译。

翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。

DNA 转录的起始和RNA 翻译的起始路线也很相似。

真核生物基因表达的调控要比原核生物复杂得多，特别是高等生物，不仅由多细胞构成，而且具有组织和器官的分化。

细胞中由核膜将核和细胞质分开，转录和翻译并不是偶联，而是分别在核和细胞质中进行的，基因组不再是环状或线状近于裸露DNA ，而是由多条染色体组成，染色体本身结构是以核小体为单位形成的多极结构，真核生物的个体还存在着复杂的个体发育和分化，因此说真核生物的基因表达调控是多层次的，从DNA到RNA 到有功能蛋白质多途径进行调控的。

主要的调控途径有如下几个方面：①DNA 和染色体水平上的调控：基因的拷贝数扩增或丢失和基因重排，DNA 修饰，在染色体上的位置，染色体结构（包括染色质、异染色质、核小体）都可影响基因表达。

②转录水平上的调控：转录起始的控制和延伸的弱化对mRNA 前体的水平都会产生影响。

③转录后RNA 加工过程和运送中的调控：真核基因转录出的mRNA 前体，要经过加工才能成熟为mRNA ，包括切割、拼接、编辑、5`和3`末端修饰等，成熟的mRNA 再运出细胞核。

④翻译水平上的调控：5`端前导序列形成茎环结构降低翻译水平或抑制蛋白结合5`端，阻止mRNA 的翻译。