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基因的表达与调控基因的表达与调控是生物学中的重要课题，涉及到生物体内基因的转录、翻译以及后续的调节过程。
本文将从基因表达的机制、基因调控的方式以及基因表达与调控在生物体内的重要性等多个方面进行讨论。
一、基因表达的机制基因表达是指基因在特定环境下产生功能蛋白质的过程。
它包括两个主要步骤：转录和翻译。
转录是指在细胞核中，DNA模板上的一条链被转录成mRNA的过程。
翻译是指在细胞质中，mRNA被核糖体翻译成蛋白质的过程。
这两个过程共同决定了基因的表达水平和产生的蛋白质种类。
二、基因调控的方式基因调控是控制基因表达的过程，包括转录调控和转录后调控两个层次。
转录调控主要通过调节转录过程中参与其中的转录因子的活性、结合位点以及染色质结构等来实现。
而转录后调控则主要包括mRNA剪接的调控、mRNA稳定性的调控以及翻译的调控等。
这些调控方式的变化将直接影响到基因表达的水平和蛋白质产物的多样性。
三、基因表达与调控的重要性基因表达与调控在生物体内起着至关重要的作用。
首先，它决定了细胞的分化和特异性。
不同细胞具有不同的表达模式，通过基因表达与调控的变化，细胞可以实现特定功能，并形成复杂的组织和器官。
其次，基因表达与调控也参与了许多重要的生物学过程，如发育、免疫反应和细胞凋亡等。
调控失败会导致疾病的发生和进展。
再次，基因调控还受到环境因素的影响。
细胞和生物体对不同环境的适应性通过基因表达和调控来实现。
综上所述，基因的表达与调控是生物学中一个重要的研究方向。
通过研究基因表达与调控的机制，我们可以更深入地了解生物体的生命活动，并为疾病治疗和基因工程等领域的发展提供理论基础和实践指导。
未来的研究将进一步揭示基因表达与调控的机制，为生物学的发展做出更大的贡献。
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的表达。
管家基因：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。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
第一部分课程性质与目标一、课程性质和特点《分子生物学》课程是我省高等教育自学考试生物工程专业（独立本科段）的一门重要的专业必修课程，通过本课程的学习要求学生熟知核酸（尤其是DNA）的基本生物化学特性，生物信息的储存、传递与表达过程，特别是基因的一般结构与生物功能，基因表达的调控原理。
掌握分子克隆与DNA重组的基本技术与原理，了解现代分子生物学基本研究方法，了解基因治疗与人类基因组计划、克隆技术的新成果和新进展。
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本课程在内容上共分十章，第一章介绍了分子生物学研究的主要内容及发展简况。
第二章是染色质、染色体、基因和基因组，重点介绍了遗传物质的分子结构、性质和功能，重点介绍了核酸的结构、功能、变性、复性和杂交等基本概念，也介绍了病毒核酸的相关知识和反义技术特点。
染色质和染色体的形态、组成和功能，基因的概念、功能和基本特征，基因组的概念、结构特点及有关基因组研究中基本理论和内容。
DNA的复制、突变、损伤和修复，主要介绍了DNA复制的过程、基因突变损伤和修复功能转座子结构特征和转座机制、以及遗传重组的机制。
第三、四章主要从动态角度探讨了遗传物质的运动的基本规律。
第三章是转录，重点介绍了转录的基本原理、转录过程及转录后加工过程和机制。
第四章是蛋白质的翻译，内容包括遗传密码、蛋白质合成、蛋白质的运转及蛋白质合成后的折叠和修饰加工，最后从应用的角度介绍了功能蛋白质研究的最新进展。
第五章介绍了分子生物学目前常用的基本研究方法。
第六、七章是基因表达的调控，分别从原核生物和真核生物两方面介绍了基因表达在转录和翻译水平上调控的机制。
第八章主要介绍了一些人类疾病的分子机制，以及基因治疗的概念。
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Sextamabox。
通过缺失分析发现，强启动子Pribnow box和Sextamabox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cataboliteactivator 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。
