基因表达调控·

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基因的选择性表达是细胞特异性的基础·

• 基因表达（gene expression）

  基因通过 转录和翻译 产生蛋白质（或酶），或转录后直接产生 RNA 产物（如 rRNA、tRNA）的过程。对其的调节称 基因调控（gene regulation）。早期观察：酵母在含乳糖培养基上出现分解乳糖的酶，移到无乳糖培养基后酶消失——并非基因消失，而是 有乳糖时相应基因才行使功能。

• 调控的意义

  原核：改变代谢方式以适应环境。多细胞生物：实现 细胞分化、形态发生、个体发育。
  相同遗传信息的细胞因 表达特定基因 而具结构功能特异性（如胰岛素只在胰腺细胞合成、血红蛋白只在红细胞前体表达）。

• "开-关"机制

  系统在需要时打开、不需要时关闭，通过 调节转录（mRNA 合成） 实现。"off"状态仍可能有难以检测的 本底水平 表达。

• 调控层次

  主要发生在 转录水平（transcriptional regulation） 和 翻译水平（translation regulation）。
  转录水平是关键环节（遗传信息表达首先涉及转录，原核生物转录翻译几乎同时进行，故转录调节更重要）。

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原核生物的基因表达调控——大肠杆菌乳糖操纵子模型·

• 两类酶

  诱导酶（inducible enzyme）：只在特定物质/诱导物（inducer） 存在时才产生。组成酶（constitutive enzyme）：与化学环境无关，持续合成。

• 操纵子（operon）

  由功能相关的几个 结构基因 和 控制区（启动子 + 操纵基因）组成。只存在于原核生物。
  Jacob 与 Monod（1960—1961）提出 乳糖操纵子模型（Lac operon model）。

乳糖操纵子的组成·

• 结构基因（structural gene）

  编码蛋白质/酶或 RNA 的基因。乳糖代谢中3个连锁基因按 Z、Y、A 顺序 排列：

  • lacZ：β-半乳糖苷酶
  • lacY：β-半乳糖苷透性酶
  • lacA：β-半乳糖苷乙酰基转移酶（功能尚不清楚）只有乳糖存在时才迅速转录翻译，属 诱导酶（诱导物诱导下重新合成，非激活已有酶）。

• 调节基因（regulator gene, R）

  编码 阻遏蛋白（repressor protein），通常在受调节基因上游，通过与 DNA 特定位点结合控制转录。

• 启动子（promoter, P）：标志转录起始位点，RNA 聚合酶 在此与 DNA 接触并开始转录。
• 操纵基因（operator, O）：不编码蛋白，仅约26bp，是 阻遏蛋白的结合部位，决定 RNA 聚合酶能否接触启动子。

工作原理·

• 无乳糖时——关闭

  调节基因产生 有活性的阻遏蛋白（变构蛋白），结合到操纵基因上 → RNA 聚合酶无法与启动子结合 → 结构基因不转录 → 3种酶不产生。

• 有乳糖时——开启

  乳糖与阻遏蛋白结合 → 阻遏蛋白 改变构象、失活 → 脱离操纵基因 → RNA 聚合酶结合启动子 → 结构基因转录出 mRNA → 翻译成3种酶。

• 乳糖耗尽

  阻遏蛋白恢复构象 → 重新结合操纵基因 → 结构基因停止转录，3种酶停止产生。

核心：酶的诱导和阻遏通过 调节基因的产物（阻遏蛋白）作用于操纵基因，控制结构基因的转录 而实现。

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真核生物的基因表达调控·

不同细胞有特异的基因表达方式·

真核细胞特异性源于 表达特定基因，细胞分化是选择性基因表达的结果。

• 例：糖酵解酶基因（维持基本生命活动）在多种细胞均表达；胰岛素基因只在胰腺分泌细胞表达；成熟晶状体细胞频繁表达晶状体蛋白后 失去细胞核和几乎全部基因；血红蛋白基因只在红细胞前体表达。

DNA 的包装影响基因的表达·

人46条染色体相连约3m长，须多层次折叠压缩才能装入 5μm 的核。

• 核小体（nucleosome）

  真核染色体的 基本结构单位，由 DNA 缠绕 8个组蛋白 构成，形如"念珠"。可能通过 阻止转录相关酶接近 DNA 来调节基因表达。

• 包装层次

  DNA双螺旋 → 核小体串（念珠状）→ 高度螺旋丝状结构 → 约200nm超螺旋 → 进一步折叠缠绕 → 染色体。

• 异染色质与常染色质

  异染色质（如着丝粒区）螺旋化程度高、更致密；基因活跃转录在 常染色质 上进行，转录前染色质在特定区域 解螺旋变疏松。

• 胀泡（puff）

  果蝇多线染色体带纹区在基因活跃转录时纤维解浓缩、伸展成环、局部膨大形成胀泡，是基因正在转录的活跃区域，成为基因开关的信号。

异染色质化与基因的表达失活·

雌性哺乳动物在 胚胎发育早期，两条 X 染色体中一条随机失活，并随细胞分裂传给子代细胞（失活 X 上有部分逃避失活的基因，故为 部分失活）。

• 玳瑁猫实例

  黄色基因 Y（显性）与黑色 y 由 X 携带。杂合雌猫（$X^YXy$）体细胞中 X 随机失活：$X^y$ 失活的细胞表达 Y → 黄色斑块；$X^Y$ 失活的细胞表达 y → 黑色斑块。
  父方或母方 X 失活随机 → 黄黑毛色随机嵌合。

蛋白质组装启动真核细胞的转录·

真核转录调控 比原核复杂，也靠调节蛋白与 DNA 结合来开关基因。

• 调控序列

  启动子（P）：决定 RNA 聚合酶转录起始位点，紧挨基因。增强子（enhancer）：增强转录的调节序列，离基因较远。沉默子（silencer）：作用相反，降低转录活性。

• 调节蛋白

  转录因子（transcription factor）：开启转录，含 激活剂（activator） 等；阻遏物 结合沉默子抑制转录。

• 启动过程

  激活因子结合增强子 → DNA 弯曲 → 激活剂与其他转录因子相互作用一同结合启动子形成复合体 → 利于 RNA 聚合酶正确连接启动子 → 转录起始。
  共用增强子的相关酶基因可 同时活化。

真核细胞的 RNA 转录后加工·

• 断裂基因（split gene）

  编码序列被非编码区隔开。内含子（intron）：非编码区；外显子（exon）：能翻译成蛋白的编码区。断裂基因由外显子和内含子交替构成。
  RNA-DNA 杂交在电镜下，内含子处形成 不能配对的单链环，环大小反映内含子大小。

• RNA 剪接（RNA splicing）

  RNA 离核前，将 hnRNA 中的 内含子切除，把外显子相连成有连续编码区的成熟 mRNA。tRNA、rRNA 也经历剪接。
  可变剪接：同一转录物经不同剪接方式产生不同 mRNA，翻译出不同蛋白质。

• 初始转录物（pre-mRNA / hnRNA）

  含全部外显子和内含子的 mRNA 前体，在核内不均一，称 不均一核 RNA（hnRNA）。

• 加帽与加尾

  3′端加 polyA"尾"（50~200个腺苷酸）；5′端加 7-甲基鸟苷三磷酸"帽"（m⁷Gppp）。帽和尾 保护 RNA 免受酶攻击、参与合成调控、为核糖体识别提供信号，但不被翻译。

RNA 剪接是基因表达调控的重要环节，是真核生物精确调控的重要方式之一。

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发育是在基因调控下进行的·

果蝇是研究发育的理想模式生物·

• 关键概念

  异位表达（ectopic expression）：基因在原本不表达的细胞中表达（时空模式改变）。图式形成（pattern formation）：控制胚胎细胞在正确空间位置形成特定结构。
  位置信息（positional information）：受精前卵细胞质中已存在前后轴、背腹轴决定因子，受精后由基因决定的位置信息越来越精细。

• 果蝇体节

  头（复眼、单眼、触角）、胸（3体节：胸1有腿，胸2有腿和翅，胸3有腿和平衡棒）、腹（8体节 + 生殖节）。有前后轴、背腹轴之分。
  控制果蝇发育的一些基因也存在于包括人类在内的许多生物中。

基因在果蝇胚胎前后轴发育中的作用·

早期发育靠 分层次的基因表达级联反应 + 细胞间信号传递 决定头尾。

• 过程（卵细胞与滤泡细胞的信号往返）

  ①卵细胞活化基因编码信号分子 → 滤泡细胞；②滤泡细胞开启基因、信号传回卵细胞；③卵细胞形成定向微管，滋养细胞（nurse cell） 分泌 mRNA——"头"mRNA 定位一端（前端），"尾"mRNA 定位另一端 → 确立前后轴（前后轴确立使背腹轴成为可能）；④受精分裂后，"头"mRNA 翻译的 BICOID 蛋白 在头部聚集，密度向尾端递减 形成浓度梯度（位置信息）；⑤启动 分节基因（segmentation gene）；⑥确定体节数目和基本图式；⑦经幼虫发育为成虫，成虫体节与胚胎体节一一对应。

• 母体效应基因（maternal effect gene）——bicoid

  在滋养细胞表达产生"头"mRNA，经胞质桥进入卵细胞。
  “bicoid"意为"两个尾巴”：突变纯合雌体胚胎表现为尾-腹-尾结构，缺少头部和胸部，证实 bicoid 产物在确立位置信息、胚胎极性形成中的重要作用。

基因在果蝇器官形成中的作用·

• 同源异形突变（homeotic mutation）

  器官异位表达，如 触角足突变（长触角处长出腿）、超双胸突变（第3体节平衡棒被翅代替）。使器官异位表达的基因即确定体节器官结构的基因，称 同源异形基因（homeotic gene）。

• 分节基因（segmentation gene）

  受母体效应基因产物调控，将浓度梯度信息沿前后轴转化为周期性重复结构、确立体节划分。分3类：裂隙基因、成对规则基因、体节极性基因。

• 两大同源异形基因复合体（果蝇第3染色体）

  触角足复合体（Antp-C）：5个基因，指令前部胸节和头部体节发育（突变→触角处长腿）。
  双胸复合体（Bx-C）：3个基因，控制后部胸节和腹节发育（其中 Ubx 突变→平衡棒被翅代替）。
  同源异形基因在染色体上的排列顺序与体节结构的空间表达顺序相对应。

• 同源异形框（homeobox）

  每种同源异形基因共有的 180个核苷酸保守序列，编码 60个氨基酸 的多肽片段。
  在酵母、植物、昆虫、线虫、鱼、蛙、鸟、哺乳类和人类中普遍存在，且果蝇与小鼠的同源异形基因 排列顺序相同、与身体区域顺序对应。
  暗示其原始版本在生命史早期出现且长期保守，体现"多样性中存在统一性"。

果蝇个体发育是连续过程：每个基因产物作为转录因子启动下一基因，级联反应越来越精确，使躯体规划（body plan）逐步显现。

本章名词·

启动子｜promoter　⭐真题

启动子（promoter）是决定RNA聚合酶转录起始位点的DNA序列，紧邻基因。它是基因调控序列之一，为RNA聚合酶提供正确结合位点并启动转录。在原核生物中，启动子与操纵基因共同构成操纵子的控制区；在真核生物中，启动子与增强子等调控元件协同，通过转录因子复合体组装起始转录。

操纵子｜operon　⭐真题

操纵子是由功能相关的几个结构基因及其控制区（包括启动子和操纵基因）组成的一个转录调控单位，仅存在于原核生物中。该模型由Jacob和Monod通过大肠杆菌乳糖代谢研究提出，结构基因编码参与同一代谢途径的酶，控制区负责调节这些基因的协同表达。

内含子｜intron　⭐真题

内含子是存在于真核生物断裂基因中的非编码序列，与编码蛋白质的外显子交替排列。在RNA转录后加工过程中，内含子被从初始转录物中切除，不参与编码蛋白质，最终不出现在成熟mRNA中。

乳糖操纵子模型｜lac operon　⭐真题

乳糖操纵子模型是1960—1961年由法国学者Francois Jacob和Jacques Monod提出的原核生物基因表达调控模型。该模型指出，功能上相关的几个结构基因与包括启动子和操纵基因的控制区共同组成一个操纵子，仅存在于原核生物中。在乳糖存在时，乳糖作为诱导物，促使细菌合成专门用于乳糖代谢的诱导酶，实现基因的选择性表达；无乳糖时则不合成这些酶。

克隆｜clone

克隆是指由一个共同祖先经无性繁殖产生的、遗传组成完全相同的个体、细胞或DNA分子群体。在植物中，营养繁殖即克隆，不经过生殖细胞。在基因工程中，克隆指将外源DNA片段插入克隆载体（如质粒），导入宿主细胞后筛选阳性细菌克隆，使目的DNA大量扩增。单克隆抗体技术也基于细胞克隆，获得稳定分泌特定抗体的杂交瘤细胞群体。

mRNA｜messenger RNA

信使RNA（messenger RNA, mRNA）是携带来自DNA的遗传信息并在蛋白质合成中起模板作用的RNA分子。真核生物中，基因转录产生的初始转录物（hnRNA）需经过5’加帽、3’加尾和剪接等加工，切除内含子、连接外显子，成为具有连续编码区的成熟mRNA。成熟mRNA进入细胞质后，核糖体附着其上，从5’端向3’端阅读密码子，指导氨基酸组装成多肽链。mRNA通常为单链，含核糖和尿嘧啶（U），通过以DNA为模板的转录合成。

RNA剪接｜RNA splicing

RNA剪接是指真核细胞中，将初始转录物（hnRNA）中的内含子切除，并将外显子连接起来，形成具有连续编码区的成熟mRNA分子的过程。它是mRNA前体加工的重要步骤，也是基因表达调控的关键环节。此外，真核细胞中的tRNA和rRNA分子也经历类似的剪接过程。

操纵基因｜operator

操纵基因是原核生物操纵子中控制区的组成部分，本身不编码任何蛋白质，是一段能被阻遏蛋白特异性识别的DNA序列。当阻遏蛋白与操纵基因结合时，可阻碍RNA聚合酶沿DNA移动，从而关闭下游结构基因的转录，实现基因表达的负调控。

沉默子｜silencer

沉默子是与基因转录调控相关的DNA序列，能够结合抑制性转录因子，从而抑制或降低靶基因的转录活性。

重组DNA技术｜recombinant DNA technology

重组DNA技术是基因工程的核心技术，指在体外将不同来源的DNA分子进行切割和连接，形成重组DNA分子的操作过程。其基础包括核酸分子杂交和聚合酶链式反应，关键步骤是利用限制性内切酶酶切获取目的基因和载体DNA，再通过DNA连接酶将二者连接（如黏性末端连接法），实现DNA分子的体外重组。

重组体｜recombinant

重组体是指通过体外DNA重组技术，将外源目的基因插入载体DNA分子中连接而成的重组DNA分子，也称重组子。它通常包含外源DNA片段和载体序列，能在宿主细胞内自主复制或表达。在基因工程中，获得重组体后需引入宿主细胞并进行筛选鉴定，含有重组体的阳性克隆称为重组体克隆。

断裂基因｜split gene

断裂基因指编码区被非编码区隔开的基因，由一系列交替排列的外显子和内含子构成。外显子是基因中能被翻译成蛋白质的编码序列，内含子则是非编码序列。这类基因普遍存在于真核生物中，可通过mRNA与DNA杂交实验观察到内含子形成的单链环状结构，从而验证其存在。

割裂基因｜split gene

割裂基因（split gene）又称断裂基因，指真核生物中编码序列被非编码序列隔开的基因，由一系列交替排列的外显子和内含子构成。外显子是基因中能够被翻译为蛋白质的编码区，内含子则是较长的非编码区。在RNA-DNA分子杂交中，因mRNA不含内含子对应序列，杂交双链上会出现代表内含子位置的单链环。

分子克隆｜molecular cloning

分子克隆是指在体外将外源DNA片段与载体DNA连接形成重组DNA分子，再将其导入宿主细胞进行扩增，从而获得大量相同DNA分子的技术。其核心步骤包括目的DNA片段的制备、与质粒等克隆载体的体外重组、重组DNA引入宿主细胞（如大肠杆菌）以及阳性克隆的筛选与鉴定。常用的克隆载体如质粒需具备复制起点、选择标记和多种限制酶单一识别位点，以保证自主复制和便于筛选。

结构基因｜structural gene

结构基因是操纵子中编码代谢相关酶或其他功能性蛋白质的基因，如乳糖操纵子中的lacZ和lacY。在广义上，结构基因是DNA上编码蛋白质或功能性RNA的核苷酸序列，其表达产物直接参与细胞的生理生化功能。结构基因与调控区（如启动子和操纵基因）共同构成原核生物的操纵子，是基因表达调控的基本单位。

基因表达｜gene expression

基因表达是指基因通过DNA的转录和翻译产生蛋白质（或酶），或转录后直接产生RNA产物（如rRNA、tRNA等）的过程，即遗传信息的转录和翻译。它是细胞特异性的基础，多细胞生物通过基因的选择性表达实现细胞分化、形态发生和个体发育。基因表达在时间和空间上受到精确调控，其异常可导致表型改变。

基因调控｜gene regulation

基因调控是指对基因表达过程的调节，即对遗传信息从DNA转录和翻译产生蛋白质或RNA产物过程的控制。它是细胞特异性的基础，使具有相同遗传信息的细胞通过选择性表达特定基因，实现分化和个体发育。在原核生物中，基因调控常通过操纵子模型（如乳糖操纵子）在转录水平上响应环境信号，控制诱导酶的合成。

基因克隆｜gene cloning

基因克隆是指利用载体将外源目的基因导入宿主细胞，使其在宿主细胞内进行复制和扩增，从而获得大量相同基因拷贝的技术。该技术依赖于质粒、噬菌体或病毒等克隆载体，载体携带复制起点、选择标记和限制酶位点等元件，以确保外源DNA的插入、筛选和自主复制。基因克隆是重组DNA技术中的关键环节，广泛应用于基因功能研究和生物工程领域。

基因重组｜genetic recombination

基因重组是指生物体细胞内DNA分子重新组合的过程，既包括自然状态下减数分裂中同源染色体交换导致的基因新组合，也涵盖基因工程中体外DNA片段与载体的连接。它在遗传变异和进化中具有重要意义，并可用于遗传作图和重组DNA技术。

母体效应基因｜maternal effect gene

母体效应基因是指在雌性亲本中表达，其产物（mRNA或蛋白质）被输送至卵细胞中，对胚胎早期发育起关键调控作用的基因。在果蝇中，母体效应基因产物在卵细胞质中沿前后轴形成浓度梯度，进而调控分节基因的表达，决定胚胎体节划分和体轴形成。

调节基因｜regulatory gene

调节基因是一类编码调节蛋白（如阻遏蛋白）的基因，其产物通过与操纵基因等 DNA 序列结合，调控结构基因的转录，在原核生物基因表达调控中起关键作用。

突变体｜mutant

突变体是指因DNA序列发生可遗传改变（突变）而产生与野生型不同表型的生物个体。突变可影响基因功能，如导致器官异位表达或激素合成缺陷，常用于遗传分析以揭示基因作用机制。

图式形成｜pattern formation

图式形成是指在胚胎发育过程中，控制胚胎细胞的行为，使之在正确的空间位置上形成特定结构的过程。在果蝇等模式生物中，该过程的研究较为深入，揭示了基因表达调控在空间组织中的重要作用。

位置信息｜positional information

位置信息是指在胚胎发育过程中，某些蛋白质（或mRNA）在空间上形成浓度梯度分布，为胚胎细胞提供其在胚胎内所处位置的信号，从而指导细胞分化和图式形成。例如，果蝇早期胚胎前后轴发育中，特定蛋白的浓度梯度依次引发下游基因表达，确保身体结构在正确空间位置上形成。

异位表达｜ectopic expression

异位表达是指基因在原本不表达的细胞中表达，导致基因表达的时间和空间模式发生改变的现象。该现象最早在果蝇中被发现，例如触角足突变导致头部触角位置长出腿，属于器官的异位表达。异位表达的突变体为发育的遗传分析提供了重要手段，有助于鉴定调控器官形成的同源异形基因等发育相关基因。

诱导酶｜induced enzyme

诱导酶是指在特定诱导物存在时才开始合成的酶，主要见于酵母和细菌。这类酶的生成依赖于化学环境的适应性调节，若无诱导物则基本不表达，从而避免不必要的物质和能量消耗。与组成酶不同，诱导酶的合成是可诱导的，例如大肠杆菌乳糖操纵子中的乳糖代谢酶即为典型的诱导酶，其表达受乳糖等诱导物的调控。

增强子｜enhancer

增强子是真核基因转录的一类调节DNA序列，能增强基因转录，通常位于离基因较远的位置。它与激活因子等转录因子结合，通过DNA弯曲与启动子上的蛋白质复合体相互作用，促进RNA聚合酶在启动子上的正确连接和转录起始。

阻遏蛋白｜repressor protein

阻遏蛋白是一种变构蛋白，在原核生物基因表达调控中起负调控作用，能与操纵基因结合抑制转录。

RNA沉默｜RNA silencing

RNA沉默是一种转录后基因调控机制，通过双链RNA触发序列特异性基因表达抑制。首先，病毒双链RNA或内源双链RNA被类似Dicer的核酸内切酶识别并切割，产生特定长度的小干扰RNA（siRNA）。随后，siRNA双链解旋，其中一条链整合到RNA诱导沉默复合体（RISC）中，引导复合体识别并降解互补的靶mRNA或抑制其翻译，从而沉默靶基因表达。