基因表达谱和基因表达矩阵

时间：2023-04-24 理论教育版权反馈

【摘要】：但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。因此，多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。按照对刺激的反应性，基因表达方式差异很大。基本表达只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而基本不受其他机制调节。操纵子是原核基因调控的基本单位原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。真核基因表达调控的基本概念已在本书前文中讲解。

1 基因表达调控的概念与特点（2009、2010、2012考点）★★★

（1）基因表达的概念基因表达就是基因转录及翻译的过程。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。但并非所有基因表达过程都产生蛋白质。 r RNA、t RNA编码基因转录产生RNA的过程也属于基因表达。

（2）基因表达的特异性不同生物的基因组含有不同数量的基因。人类基因组含约2万～2.5万个基因。但某一特定时期或生长阶段，某一基因组中只有一小部分基因处于表达状态。

①时间特异性指某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生。多细胞生物从受精卵发育成为一个成熟个体，经历很多不同的发育阶段。在每个不同的发育阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的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。

②空间特异性是指多细胞生物个体在特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织或器官表达不同。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所决定的，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。

（3）基因表达调控的概念和基因表达的方式基因表达调控就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中基因表达水平上做出应答的分子机制。按照对刺激的反应性，基因表达方式差异很大。

①管家基因有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，或变化很小，不易受环境条件的影响（受环境因素影响较小），这些基因通常被称为管家基因，这类基因表达被称为基本表达或组成性表达。基本表达只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而基本不受其他机制调节。催化柠檬酸循环各阶段反应的酶的编码基因就属这类基因。

②可诱导或可阻遏基因在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。相反，如果基因对环境信号应答时被抑制，这种基因称为可阻遏基因。可诱导或可阻遏基因除受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响外，还受其他机制调节。

诱导和阻遏是生物体适应环境的基本途径。乳糖操纵子机制是认识诱导和阻遏表达的经典模型。

（4）基因表达调控的基本控制点无论是原核生物还是真核生物，基因表达调控体现在基因表达的全过程中，即在RNA转录合成和蛋白质翻译两个阶段都有控制其表达的机制。

尽管基因表达调控可发生在遗传信息传递过程的任何环节，但发生在转录水平，尤其是转录起始水平的调节，对基因表达起着至关重要的作用，即转录起始是基因表达的基本控制点。

2012 37A.基因表达的细胞特异性是指

A.基因表达按一定的时间顺序发生　B.同一基因在不同细胞表达不同

C.基因表达因环境不同而改变　D.基因在所有细胞中持续表达　【答案】ABCDE

2003 30A.有些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因称为

A.可诱导基因　B.可阻遏基因　C.操纵基因

D.启动基因　E.管家基因　【答案】ABCDE

2010 37A.组成性基因表达的正确含义是

A.在大多数细胞中持续恒定表达　B.受多种机制调节的基因表达

C.可诱导基因表达　D.空间特异性基因表达　【答案】ABCDE

2002 29A.下列关于“基因表达”概念的叙述，错误的是

A.基因表达具有组织特异性　B.基因表达具有阶段特异性

C.基因表达均经历基因转录及翻译过程　D.某些基因表达产物是蛋白质分子

2009 38A.基因表达调控的基本控制点是

E.有些基因表达水平受环境变化影响　【答案】ABCDE

A.m RNA从细胞核转移到细胞质　B.转录的起始

C.转录后加工　D.蛋白质翻译及翻译后加工　【答案】ABCDE

2 原核基因表达调控（2006、2008、2015、2016考点）★★★★

（1）操纵子是原核基因调控的基本单位原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子中包括了若干个基因的编码区（结构基因）及其调控序列。结构基因通常包括数个功能上有关联的基因，它们串联排列，共同构成编码区，依赖同一调控序列为其转录进行调节，使这些相关基因实现协调表达。这些结构基因共用一个启动子和1个转录终止信号序列，因此转录合成时仅产生一条多顺反子m RNA长链，编码几种不同蛋白质。

（2）乳糖（lac）操纵子是典型的诱导型调控大肠杆菌乳糖代谢酶基因的表达特点是：在环境中没有乳糖时，这种基因处于关闭状态；只有当环境中有乳糖时，这些基因才被诱导开放，合成代谢乳糖所需要的酶。

Ⅰ.乳糖操纵子的结构 E.coli的乳糖操纵子由三个结构基因（Z、Y和A）、操纵序列（O）、启动序列（P）、调节基因（I）、CAP结合位点共同构成。 CAP为分解（代谢）物基因激活蛋白。

Ⅱ.乳糖操纵子的调节机制如上图。

①阻遏蛋白的负性调节在没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻遏状态。此时，I序列在PI启动序列作用下表达的Lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录启动。

当有乳糖存在时，lac操纵子即可被诱导。真正的诱导剂并非乳糖，而是乳糖经通透酶和β半乳糖苷酶催化转变形成的半乳糖。半乳糖可结合并使阻遏蛋白构象发生变化，导致阻遏蛋白与O序列解离，启动转录。

②CAP的正性调节 CAP分子内有DNA结合区及c AMP结合位点。

当培养基中无葡萄糖时，c AMP浓度增高，c AMP与CAP结合（此时CAP与启动序列附近的CAP结合位点结合），可刺激RNA转录活性，启动转录。

当培养基中有葡萄糖时，c AMP浓度下降，c AMP与CAP结合受阻，因此lac操纵子表达下降。

③协调调节 Lac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协同合作。

【注意】

①在乳糖操纵子结构中，CAP结合位点和O序列分别位于P序列的“前”和“后”，CAP结合位点与CAP结合对P序列发挥正性调节作用，O序列与阻遏蛋白结合对P序列发挥负性调节作用。

②lac操纵子的负调节能很好地解释在单纯乳糖存在时，细菌是如何利用乳糖作为碳源的。