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
原核生物聚合酶组成：由四种亚基组成α、2β、β’、σ五聚体的蛋白质。其中α、2β、β’亚基称为核心酶。σ因子辨认起始点。α决定哪些基因被转录。β起催化作用。β’起结合DNA 模板（开链）作用。
2 RNA聚合酶的核心酶在RNA链延伸过程中催化RNA合成
3 ρ因子依赖和非依赖两种机制介导的转录终止
⑴依赖ρ因子的转录终止：ρ因子是由相同亚基组成的六聚体，它是原核生物转录终止因子。可结合转录产物RNA 3’端的多聚C特殊序列，还有ATP酶和解螺旋酶活性。ρ因子与转录产物RNA 3’端的多聚C结合后，ρ因子和RNA聚合酶都发生构象改变，从而使RNA 聚合酶停顿，解螺旋酶活性使DNA和RNA杂化双链拆离，转录产物从转录复合物中释放。
⑵非依赖ρ因子的转录终止：RNA链延长至终止区时，转录出的碱基序列随即形成茎－环结构。这种二级结构是阻止转录继续向下游推进的关键。其机制有两方面：①茎环结构在RNA分子形成可能改变RNA聚合酶的构象。由于酶构象的改变导致酶－模板结合方式的改变，可使酶不再向下游移动，于是转录停顿。②转录复合物（酶－DNA-RNA）上有局部的RNA/DNA杂化双链。RNA分子和DNA分子都要形成自己的双链，杂化链形成的机会不大，本来不稳定的杂化链更不稳定，转录复合物趋于解体。接着一串寡聚U是使RNA链从模板脱落的促进因素，因为所有的碱基配对中以U和A的配对最不稳定。
非依赖ρ因子的终止子结构特点：①一个反向重复序列，使RNA末端形成一个发夹结构；
②在信息链上有一连串的T，因而RNA末端发夹结构之后紧接着出现一串U。
4原核生物的tRNA和rRNA需要进行转录后加工
5翻译起始是核糖体与mRNA结合及定位的过程
⑴开放阅读框（ORF）：从mRNA 5’端起始密码子AUG到3’端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架。即蛋白质编码区。5’端上游和3’端下游的核苷酸序列没有编码功能，称为非翻译区或非编码区。
⑵起始因子（initiation factor,IF）：参与起始复合物的形成，原核生物有3种起始因子。
①IF-1.能促进IF-2、IF-3的活化。
②IF-2.促进fMet-tRNA f Met与30S小亚基结合的作用，并具有GTP酶活性。
③IF-3.使30S小亚基从不具活性的核糖体释放，辅助mRNA与小亚基结合，并阻止大小
亚基重新聚合。
⑶原核生物翻译起始复合物形成：
①核糖体大小亚基分离。IF-1,IF-3与小亚基结合，促进大小亚基分离。
②mRNA在小亚基定位结合。在各种原核mRNA起始AUG密码子上游8~13个碱基处存
在一段特定的核苷酸序列，富含嘌呤碱基如AGGAGG，称为SD序列。与原核小亚基16S rRNA的3’端的序列互补。通过与SD序列碱基配对使mRNA与小亚基结合使起始密码子定位于翻译起始部位。SD序列又称核蛋白体结合位点（RBS）。
③起始氨基酰-tRNA的结合。起始fMet-tRNA f Met和GTP及IF-2形成三元复合物，识别结
合游离的核糖体小亚基的mRNA起始密码子AUG。
④核糖体大亚基结合。上述结合mRNA、fMet-tRNA f Met的小亚基再与核糖体大亚基结合，
同时IF-2结合的GTP水解释能，促使3种IF释放，形成由完整核糖体、mRNA、起始氨基酰-tRNA组成的翻译起始复合物。此时，结合起始密码AUG的fMet-tRNA f Met占据P位，而A位空留，对应mRNA上AUG后的下一组三联体密码，准备相应氨基酰-tRNA 的进入。
6氨基酸活化转运和核糖体循环贯穿肽链合成的基本过程
⑴氨基酸以氨基酰-tRNA的形式被活化与转运
⑵延长因子是辅助核糖体合成肽链的必要条件
大肠杆菌延长因子有三种：
①EF-Tu：协助氨基酰-tRNA进入核糖体。与氨基酰-tRNA以及GTP结合形成EF-Tu-GTP-
氨基酰-tRNA,将氨基酰-tRNA转运到核糖体的A位。
②EF-Ts促进EF-Tu-GTP的再生。EF-Tu-GTP在参加一轮核糖体循环后转变为
EF-Tu-GDP，EF-Ts使EF-Tu-GDP再转变成EF-Tu-GTP，后者可再被利用。
③EF-G促进肽酰-tRNA移位。促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移到P位，促进tRNA的
释放。
⑶核糖体循环是肽链延长过程
①进位。核糖体A位上mRNA密码子所对应的氨基酰-tRNA在延长因子EF-Tu协助下进
入核糖体A位称为进位。
②转肽。在肽酰转移酶的催化下，P位上的tRNA所携带的肽酰基的羧基与A位上的氨基
酸的α-氨基形成肽键，此过程称为转肽反应。
③移位。转肽后，占据P位的是失去氨基酰基的tRNA，A位是肽酰-tRNA。延长因子EF-G
可促使A位的肽酰-tRNA移位，进入P位，同时使P位的tRNA释放。A位空留并对应下一组三联体密码子。
7终止密码子和终止因子决定翻译的终止
⑴终止因子：又称释放因子（release factor, RF）。其功能是识别mRNA上的终止密码子，终止肽链的合成并释放出肽链。原核生物中释放因子是RF-1, RF-2, RF-3。RF-1识别密码子UAA及UAG，RF-2能识别UAA及UGA。RF-3结合GTP，并能促进RF-1, RF-2与核糖体结合。
⑵肽链终止过程：肽链延长到mRNA终止密码子在核糖体A位出现，终止密码子不能被任何氨基酰-tRNA识别进位。RF-1, RF-2进入A位，识别结合终止密码子。RF-1或RF-2任一释放因子结合终止密码子后都可触发核糖体构象改变，诱导核糖体的肽酰转移酶的两个活性（催化肽酰-tRNA之间酯键的水解和肽酰基与下一个氨基酸之间肽键的形成）只发挥其水解酶活性。水解P位的tRNA与肽链之间的酯键，将合成的肽链释放。随后mRNA 与核糖体分离，tRNA脱落。核糖体在IF-3和IF-1的作用下，解离成大小亚基。
8多聚核糖体保证蛋白质合成的快速进行
㈡原核生物基因表达的特点
1只有一种RNA聚合酶。RNA聚合酶用来识别原核细胞的启动子，催化所有RNA的合成。2原核生物的基因表达以操纵子为基本单位。
3转录和翻译是偶联进行的：原核生物染色体DNA是裸露的环形DNA，转录成mRNA后，直接在胞浆中与核糖体结合翻译成蛋白质。
4 mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列-SD序列
5原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。通常有两种方式：一种是起始调控，即启动子调控；另一种是终止调控，即衰减子调控。
㈢原核生物基因表达的调控
1原核生物转录水平的调控是主要调控环节：
①启动子。启动子决定转录的效率和方向。
②σ因子。
③阻遏蛋白具有负调控作用。阻遏蛋白（repressor）：是一类在转录水平对基因表达产生
负调控作用的蛋白质。结合于特异的DNA序列后抑制基因的转录。
④正调控蛋白促进基因的转录。结合于特异的DNA序列后促进基因的转录。
⑤倒位蛋白通过DNA重组倒位而调节基因表达。倒位蛋白是一种位点特异性的重组酶。
⑥RNA聚合酶抑制物可与RNA结合并抑制转录。
⑦衰减子（attenuator）:细菌中mRNA转录和翻译是偶联在一起的。这一特点使细菌中的
一些操纵子的特殊序列可以在转录过程中控制转录水平。这些特殊序列称为衰减子。2转录起始的调控
⑴б因子与转录起始的调控：
①б因子确保RNA 聚合酶与DNA特异启动区稳定结合，而不是与其它位点结合。
例如:大肠杆菌RNA 聚合酶由5个亚基构成，核心酶能以DNA为模板合成RNA，但必须依靠б因子协助才能在正确位置起始转录。
机理：б因子含有识别启动区的结构域。
a.б因子独立存在时，N端部分抑制了C端的DNA结合活性，与DNA不能结合。
b.当б因子与核心酶组成全酶时，空间构象改变，N端对C端抑制作用消失，可与DNA
发生特异结合。
c.转录起始完成后б因子脱落，核心酶不再停留在启动区部位，向下游滑动完成转录。
②原核生物启动子的序列具有较强的保守性
细菌启动区特异序列有4个保守特征:
a.起始点：第一个被转录的核苷酸（+1）90%以上为嘌呤核苷酸。
b .“－10”序列：在转录起始点上游-10 bp，一致序列为TATAAT。
c.“－35”序列：在起始点上游-35 bp ，一致序列为TTGACA。
d.“－35”和“－10”序列的间距：距离长短对RNA聚合酶结合具有重要影响。
共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。
3乳糖操纵子
⑴乳糖操纵子的结构：含有Z、Y、A三个结构基因，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶和乙
酰基转移酶。此外，含有一个操纵基因O，一个启动序列P，一个CAP结合位点和一个基因I。I基因编码一种阻遏蛋白，与操纵基因O结合。启动序列P、操纵序列O和CAP 结合位点组成乳糖操纵子的调控区。
⑵阻遏蛋白的负性调控作用：
①当有乳糖存在时，乳糖经透酶作用进入细胞，通过β-半乳糖苷酶催化变为半乳糖。真
正的诱导剂是半乳糖而不是乳糖。半乳糖可与阻遏蛋白结合，导致阻遏蛋白与操纵序列O解离，启动基因转录。
②当没有乳糖存在时，没有诱导剂与阻遏蛋白结合，阻遏蛋白与操纵序列O结合，发挥
负性调控作用，基因不转录。
⑶CAP的正性调控作用：
①当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP和CAP结合紧密，此时CAP结合在CAP
结合位点，刺激RNA转录活性。
②当有葡萄糖存在及cAMP浓度较低时，cAMP和CAP结合受阻，因此lac操纵子表达
下降。
⑷协调调节：
①当葡萄糖存在，乳糖存在时：尽管乳糖作为诱导剂和阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操
纵序列O解离。但由于cAMP浓度较低，cAMP和CAP结合受阻，基因处于关闭状态。
②当葡萄糖存在，乳糖不存在时：此时无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合。而且于
葡萄糖的存在，CAP也不能发挥正性调控作用，基因处于关闭状态。
③当葡萄糖和乳糖都不存在时：CAP可以发挥正性调控作用，但由于没有诱导剂，阻遏
蛋白的负调控作用使基因仍处于关闭状态。
④当葡萄糖不存在，乳糖存在时：此时CAP可以发挥正性调控作用，阻遏蛋白由于诱导
剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。
4转录终止的调控：色氨酸（trp）操纵子调控机制
⑴当细胞内色氨酸增多时，结构基因转录受到抑制。衰减子转录物有4段特殊序列。片段
1和2，2和3，3和4能配对形成发夹结构，形成发夹能力的强弱依次为片段1/2>片段2/3>片段3/4。片段3/4所形成的发夹结构之后紧接着寡尿嘧啶，是不依赖ρ因子的转录终止信号。
⑵这4个片段形成何种发卡结构，是由L基因转录物的翻译过程所控制的。L基因的部分
转录产物（含片段1）编码14个氨基酸，其中含有两个相邻的色氨酸密码子。这两个相邻的色氨酸密码子以及原核生物中转录与翻译的偶联是产生衰减作用的基础。
⑶当细胞内有色氨酸存在时，形成色氨酰-tRNA，核糖体编译可通过片段1并通过片段2。
因遇到翻译终止密码，核糖体在到达片段3之前就从mRNA脱落。在这种情况下，片段1/2和片段2/3都不能形成发夹结构，只有片段3/4形成发夹结构，即形成转录终止信号，从而导致RNA聚合酶作用停止。
⑷当细胞内没有色氨酸存在时，色氨酰-tRNA缺乏，核糖体停留在两个相邻的色氨酸密码
子的位置上，片段1/2不能形成发夹结构，片段2/3之间形成发夹结构，则片段3/4之间就不能形成转录终止信号，后面的基因得以转录。
5原核生物翻译水平的调控
⑴SD序列是影响翻译的重要因素：不同的SD序列；与起始密码子之间的距离；mRNA的
二级结构可以隐蔽SD序列。
⑵mRNA的稳定性是调控翻译的方式之一。
⑶翻译产物也可以对相应mRNA的翻译进行调控。
⑷小分子RNA可以抑制特定mRNA的翻译。
二、真核生物基因的表达及调控
1顺式作用元件（cis-acting element）：真核生物基因中的调控序列被称为顺式作用元件,包括：启动子和上游启动子元件，增强子，反应元件，Poly(A)加尾信号。
2增强子（enhancer）：是一段短的DNA序列，其中含有多个作用元件，可以特异性与转录因子结合，增强基因的转录活性。增强子可以位于基因的任何位置，增强子的功能与其位置和方向无关。
3反应元件：一些信息分子的受体被细胞外信息分子激活后，能与特异的DNA序列结合，调控真核生物基因的表达。这些特异的DNA序列实际上也是顺式元件，由于能介导基因对细胞外的某种信号产生反应，被称为反应元件。
4核内不均一RNA（hnRNA）：真核生物转录生成的mRNA前体即为hnRNA。这类mRNA 前体必须经过一系列的加工处理才能变成成熟的mRNA。加工过程的主要环节包括：①5’端加帽；②3’端加尾③内含子的切除和外显子的连接；④分子内部的甲基化修饰；⑤核苷酸序列的编辑作用。
㈠真核生物基因的表达
1三种RNA聚合酶及相关启动子以不同方式起始转录
转录起始前复合物（PIC）：是真核生物转录因子之间先互相辨认结合，然后以复合体的形式与RNA聚合酶一同结合于转录起始前的DNA区域而成。
⑴RNA聚合酶Ⅰ启动含有Ⅰ类启动子的基因转录。含有Ⅰ类启动子的基因主要是rRNA的基因。Ⅰ类启动子包括核心元件和上游调控元件。
⑵RNA聚合酶Ⅱ启动含有Ⅱ类启动子的基因转录。含有Ⅱ类启动子的基因主要是编码蛋白质的基因和编码snRNA（U6 snRNA除外）。Ⅱ类启动子由TATA盒和上游启动子元件组
成。转录起始复合物形成的步骤：①TFIID结合TATA盒；②RNA-pol识别并结合TFIID-DNA复合物。③其他转录因子与RNA-pol结合，转录起始部位的DNA解链，形成转录起始复合物。
⑶RNA聚合酶Ⅲ启动含有Ⅲ类启动子的基因转录。含有Ⅲ类启动子的基因主要包括tRNA、5S rRNA、U6 snRNA、7SL RNA、7SK RNA。tRNA基因的启动子包括A盒和B盒两部分。
2转录延伸过程中需要克服核小体障碍
3三种RNA聚合酶以不同的方式终止转录
4初级转录产物经过加工后转变为成熟RNA
⑴mRNA
①甲基化鸟苷酸以5’磷酸基团连接mRNA 5’端形成帽子结构
②多聚腺苷酸的加入形成mRNA 3’尾：真核生物mRNA转录终止后，紧接着发生加尾修饰。过程如下:在结构基因最后一个外显子的3’端，常有一个共同序列AA TAAA。此序列后接着相当多的GT序列。这些序列称为转录终止的修饰点。转录越过修饰点后，mRNA在修饰点被切断，随即加入poly A尾及帽子结构。下游的RNA虽然继续转录，但很快被RNA 酶降解。因此有理由相信，帽子结构是保护RNA免受降解的，因为修饰点以后的转录产物无帽子结构。
③mRNA前体经剪接除去内含子序列
内含子通常以GU开始，以AG结束，整个分子中含有3个保守序列：
a内含子5’端起始序列：由GUAAGU组成，称为5’端剪接点；
b内含子3’端末尾序列：由（Py）nNPyAG组成，Py指嘧啶，n大约为10，N为任意碱基，称为3’端剪接点；
c在3’端上游18~40个核苷酸处有一个保守的A，称为分支点。
④mRNA分子中的少数碱基可被甲基化
⑤RNA编辑是RNA加工的一种特殊方式
RNA编辑：通过对mRNA的加工，使遗传信息在mRNA水平上发生改变。
⑵tRNA的转录后加工：
①tRNA前体的剪接。先由核酸内切酶催化进行剪切反应，再由连接酶将外显子连接起来。
②加上3’端CCA-OH。
③化学修饰。包括：
甲基化反应，使某些嘌呤变成甲基嘌呤。
还原反应，使某些尿嘧啶还原成双氢尿嘧啶（DHU）。
转位反应，尿嘧啶核苷转变为假尿嘧啶核苷（Φ）。
脱氨反应，某些腺苷酸脱氨成为次黄嘌呤核苷酸（I）。
⑶rRNA的转录后加工
①rRNA前体的剪接。在哺乳动物基因组中，28S、18S和5.8S rRNA基因串联在一起形成
一个重复单位，在基因组中重复几百次。每个重复单位之间的间隔DNA序列称为非转录间隔序列；而一个重复单位内的三个基因之间的间隔序列则是与基因一起转录的，称为转录的间隔序列，这些序列在转录后加工过程中被切除。
②化学修饰：主要是甲基化反应。
5真核生物RNA需要从细胞核内转运到细胞质
6真核生物与原核生物的翻译起始阶段差异很大
⑴翻译起始阶段首先形成起始复合物前体：40S --Met-tRNA i Met- eIF-2 -GTP。只有形成此种复合物，40S亚基才能与mRNA结合。
⑵起始复合物前体在起始因子协助下与mRNA结合形成起始复合物（40S亚基-mRNA-Met- tRNA i Met）。真核生物mRNA中没有SD序列。
⑶40S亚基-Met- tRNA i Met复合物沿mRNA扫描
⑷40S亚基-Met- tRNA i Met复合物识别起始密码子。三联密码子AUG本身并不足以使核糖体停止移动，只有当其上下游具有合适的序列时，AUG才能作为起始密码子被正确识别。在eIF-5作用下，eIF-2 、eIF-3从核糖体40S亚基解离，60S核糖体亚基与40S-mRNA-Met- tRNA i Met复合物形成80S起始复合体，各种起始因子从核糖体解离。
7延长阶段和终止阶段与原核生物的翻译过程相同
8肽链在翻译结束后需要进行加工
㈡真核生物基因表达的特点
1基因表达的时间性和空间性
2转录和翻译分开进行：真核生物DNA大多与蛋白质结合形成染色体，并由核膜包绕形成细胞核。在核中转录生成mRNA，穿过核膜至胞质指导蛋白质合成；转录和翻译不是同步进行的，受多层次调控。
3初级转录产物要经过转录后加工修饰：初级转录产物-核不均一性RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA），即mRNA前体分子要经过戴帽(m7GpppN)、加polyA尾、切除插入的内含子和拼接外显子等过程，才能形成成熟的mRNA分子。
4不存在操纵子结构：真核生物基因转录产物为单顺反子（monocistron），一条mRNA只翻译一种蛋白质。
5部分基因多拷贝：某些基因以多拷贝形式存在，如组蛋白和tRNA等，这样既可满足细胞的需要，也是表达调控的一种有效方式。
㈢真核生物基因表达的调控
1真核生物基因表达在DNA水平的调控：
①染色质丢失。
②基因扩增。
③基因重排。
④基因的甲基化修饰。DNA上特定的CpG序列处的胞嘧啶可发生甲基化修饰。一般认为，
基因的甲基化程度与基因的表达呈反比关系。甲基化程度愈高，基因的表达则降低。⑤染色质结构可影响基因表达。真核生物的染色质由DNA与组蛋白、非组蛋白和少量其
他物质结合而形成，核小体为其基本结构单位。
2真核基因转录是由激活的反式作用因子调控
⑴转录起始复合物的形成是转录的可调控环节：在转录调控过程中，反式作用因子主要是促进或抑制TATA因子与TA TA盒结合、RNA聚合酶与TATA因子-DNA复合物结合以及转录起始复合物的形成。
⑵反式作用因子是真核细胞内重要的基因表达调控蛋白
①反式作用因子：真核细胞内含有大量的序列特异性的DNA结合蛋白，其中一些蛋白的
主要功能是使基因开放或关闭，称为反式作用因子，也称为基因特异性转录因子。
②反式作用因子三个基本特征
a一般具有三个功能结构域：DNA结合域、转录活性域和结合其他蛋白的结合域。
b能识别并结合基因调控区中的顺式作用元件。
c对基因表达有正性和负性调控作用，即激活和阻遏基因的表达。
③反式作用因子DNA结合域不同的结构模式：
a锌指结构（zinc finger）：是指在结合DNA结构域中含有较多的半胱氨酸(Cys)和组氨酸(His)的区域，借肽链的弯曲使2个Cys 和2个His或4个Cys与一个锌离子络合
成的指状结构。
b同源结构域（homeodomain，HD）：许多反式作用因子结合DNA的结构域中有一段相同的保守序列，是60个左右氨基酸组成的螺旋-回折-螺旋结构的区域，称为同源结构域。
c亮氨酸拉链：有些反式作用因子结合DNA结构域中有一段约30个氨基酸组成的核心序列，每隔6个氨基酸有规律的出现1个亮氨酸残基，能形成两性α-螺旋。在螺旋的一侧是排列成行的亮氨酸，具有疏水性，称为亮氨酸拉链区。两个亮氨酸拉链区的单体以疏水作用形成亮氨酸拉链。
d螺旋-环-螺旋结构。
e碱性α-螺旋。
④转录活化结构域结构模型：
a酸性α-螺旋结构域
b富含谷氨酰胺结构域
c富含脯氨酸结构域。
3真核生物基因表达转录水平调控
⑴转录起始复合物的形成
⑵顺式作用元件(cis-acting element)
⑶反式作用因子(trans-acting factor)
①反式作用因子的激活
a表达式调节：反式作用因子合成出来即具有活性，随后被迅速降解。
b共价修饰：其一是磷酸化-去磷酸化。其二是糖基化。
c配体结合：类固醇激素及其他小分子脂溶性激素作用的受体统称为核受体超家族（nucleic receptor superfamily），均为反式作用因子，其本身对基因转录无调节作用。当激素进入细胞后，核受体超家族通过与配体（激素）结合，进入细胞核与相应的靶基因反应元件结合，调节靶基因转录。
d蛋白质与蛋白质相互作用
②反式作用因子作用方式：
a成环（looping）：DNA成环使相应位点接近而发挥调节作用。
b扭曲：(twisting)：反式作用因子扭曲改变DNA的构型发挥调节作用。
c滑动（sliding）：反式作用因子可沿DNA滑动到特定区域发挥作用
d反式作用因子通过连锁反应而影响转录：一种反式作用因子与其顺式元件的结合，促进另一种反式作用因子与邻近的顺式元件结合，后者又促进下一个反式作用因子与其顺式元件的结合，直到基因的转录起始点，进而影响基因的转录。
③反式作用因子的组合式调控使调控更为精确
4真核生物基因表达转录后水平调控：mRNA的加工和运输
⑴mRNA 5’端加帽和3’端多聚腺苷酸化具有调控意义
⑵mRNA前体的选择性剪接对基因表达的调控作用
mRNA的选择性剪接方式：
①外显子选择方式可保留或部分保留外显子。
②内含子选择方式可删除或部分删除内含子。
③互斥外显子是指两个外显子不能同时被保留。
④内部剪切位点造成内含子或外显子的部分序列被切除或保留
⑶mRNA运输控制调节进入细胞质的mRNA的量
5翻译起始的调控
⑴有些mRNA的翻译可受阻遏蛋白的调控。
⑵翻译起始因子调节蛋白质合成的速度。
⑶5’AUG调节翻译的效率。
⑷mRNA 5’端非编码区长度影响翻译的起始效率和准确性。6翻译后水平的调控
⑴新生肽链的水解影响蛋白质的含量。
⑵肽链中氨基酸的共价修饰。
⑶通过信号肽分拣、运输、定位影响蛋白质发挥功能。
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。