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编稿老师：周　湘　　　审稿老师：陈月艳　　　 　责　　编:陈　莉

基因结构及其表达的调控

第一部分　 知识拓展

　　一、基因的结构
　　基因是有遗传效应的DNA分子片段
　　基因的遗传效应是指复制、转录、翻译、调控、突变、重组等功能。

　　（一）原核细胞的基因结构
　　分为编码区、非编码区。非编码区由编码区上游和编码区下游的DNA序列组成。非编码区虽然不能编码蛋白质，但起着调控遗传信息表达的作用。例如位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。

　　（二）真核基因是不连续基因
　　1、实例：鸡卵清蛋白mRNA与DNA杂交实验
　　

　　鸡卵清蛋白基因的大小和结构如下：
　　
　　（1）A、B、C、D、E、F、G的序列不能转录，约占75.2%(5641bp)
　　（2）L、1、2、3、4、5、6、7的序列能够转录，约占24.8%(1859bp)

　　2、真核基因的结构
　　（1）基因由编码区和非编码区两部分组成
　　

　　（2）基因编码区结构及转录（以不同动物的β-珠蛋白基因为例）
　　

　　二、基因表达的调控
　　（一） 原核基因表达的调控
　　

　　1、大肠杆菌在乳糖存在的环境下，乳糖对其代谢基因表达起到诱导作用

　　2、乳糖操纵元的组成
　　

　　3、基因表达的调控原理

	环境中有乳糖	环境中无乳糖
原理	(1)调节基因指导阻遏蛋白合成 (2)阻遏蛋白与乳糖结合 (3)操纵基因不能限制启动子与RNA聚合酶结合 (4)结构基因转录和翻译 (5)β-半乳糖苷酶等分解乳糖	(1)调节基因指导阻遏蛋白合成 (2)阻遏蛋白与操纵基因连接 (3)操纵基因限制启动子与RNA聚合酶结合 (4)结构基因不能转录和翻译 (5)不发生乳糖代谢

　　(二)真核基因表达的调控
　　真核生物基因表达调控的过程与原核生物有许多共同之处。例如：在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样存在着许多不同的调控序列。真核生物通过特异性蛋白与某些调控序列的结合与否，来调控基因的转录。
　　但是，真核生物基因表达调控比原核生物复杂得多，有许多方而是原核生物所没有的表现在：
　　1、DNA含量高和基因数目多，且与其他物质组成核小体
　　2、转录和翻译在空间与时间上分开，转录在细胞核中进行，翻译在细胞质中进行。
　　3、前体RNA需要剪接才能成为有功能的成熟的信使RNA。
　　4、多细胞生物在个体发育过程中要发生细胞分化，分化是不同基因表达的结果。不同组织细胞的基因活化或受阻的时空序列不同，发育阶段、激素水平是基因表达调控的主要因素，营养和环境因素则为次要影响因素。

　　(三)人类基因组计划
　　1、人类只有一个基因组
　　(1)由24条染色体DNA分子组成(22条常染色体和X、Y染色体)
　　(2)人体染色体DNA约有3×10⁹bp，含有3万~3.5万个基因
　　(3)携带着人类的全部遗传信息

　　2、人类基因组计划绘制4张图
　　(1)遗传图：利用染色体上基因交换频率，推断基因之间的遗传距，根据点测交实验确定各个基因的相互位置和排列顺序，绘制基因连锁图
　　(2)物理图：用限制酶将染色体切割成若干片段，利用互补原理通过分子杂交法，以一小段DNA序列作为标记，分析标记间的距离并确定各个片段在染色体上的实际排列顺序。
　　(3)转录图：反映在正常或受控条件下能够表达的cDNA片段数目、种类、结构与功能的信息。
　　(4)序列图：测定人类基因组的DNA序列是核心

　　3、人类基因组计划的意义
　　(1)人类基因组计划是人类自然科学史上最重要的科研项目之一。对于奠定21世纪医学、生物学发展的基础具有重要而深远的意义。
　　(2)必将推动人类对进化、种族血缘、衰老、疾病等生命现象及其本质的认识，战胜疾病、克服生存障碍(太空、深海)，揭开人类生长、发育、健康、长寿的奥秘，提高人类的生存质量。
　　(3)促进生物学不同领域(如神经生物学、发育生物学等)的发展；对预测、预防、早诊和治疗各种遗传疾病和危害人类的恶性肿瘤、心血管病和其它遗传易感性多因子疾病有重大作用；基因组研究的新技术、新策略适合于农业、工业和环境科学。
　　(4)将进入“后基因组”(功能基因组)阶段，研究各个基因(包括基因编码的蛋白质)和整个基因组的功能基因。2003年已经转入“人类单体型图计划”的研究。据一些科学家预测，根据基因研究设计的药物，如治疗糖尿病、高血压的药物，将于2020年造福于百姓；癌症治疗也将准确地瞄准肿瘤细胞的分子指纹；药物基因组学方法将成为药物开发中的常规手段。2030年，人们将了解到在疾病中起着决定性作用的遗传因素或环境因素，找到预测和治疗绝大多数疾病的办法。

第二部分　 例题讲解

　　例1、人胰岛细胞能产生胰岛素，但不能产生血红蛋白，据此推测胰岛细胞中
　　A、只有胰岛素基因
　　B、比人受精卵的基因要少
　　C、既有胰岛素基因，也有血红蛋白基因和其他基因
　　D、有胰岛素基因和其他基因，但没有血红蛋白基因
　　[答案]C。
　　[解析]生物体细胞是由受精卵细胞经过有丝分裂得到的，所以含有全部的遗传基因。人的胰岛细胞同样也含有人的全部遗传基因，它能够分泌胰岛素，是胰岛细胞高度分化、对细胞中特定基因——胰岛素基因选择性表达的结果。

　　例2、在人类染色体DNA不表达的碱基对中，有一部分是串联重复的短序列，它们在个体之间具有显著的差异性，这种短序列可用于：
　　A、生产基因药物　　　　B、罪犯的鉴别
　　C、遗传病的产前诊断　　D、基因治疗
　　[答案]B。
　　[解析]由于人类染色体DNA中，这些在个体之间有显著差异的串联重复短序列，属于不表达的部分，所以不能编码蛋白质，因此不能用于药物生产、基因治疗。又由于控制某一特定遗传病的基因序列为所有该遗传病患者所共有的，所以不会在个体之间具有显著的差异性，所以不能用于遗传病的产前诊断。而根据这部分序列有显著的个体差异性，所以能够用于罪犯的鉴别。

　　例3、2001年2月12日，中、美、日、法、德、英等六国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组草图基本信息，下表为实测和1990年人类基因组计划(HGP)启动时，科学家预计的人类基因组工作内容：

　　请根据以上信息回答问题：
　　（1）已知DNA双螺旋结构中，相邻碱基对之间距离为0.34nm，则人体细胞核中DNA分子总长度约为_______m，上述实验结果说明DNA分子在细胞核中_________存在。
　　（2）人体中编码蛋白质的基因仅约为_________个，而经化学分析表明人体蛋白质约有10万种，这一事实说明生物体内基因和蛋白质的关系可能是有_________情况。
　　（3）建立人类基因组图谱需要分析__________条染色体上的碱基序列。
　　（4）你认为完成“人类基因组计划”有什么意义？
　　[解析]（1）碱基对有31.647×10⁸个，相邻碱基对之间距离为0.34×10^-9m，故人体细胞核中DNA分子长度为31.647×10⁸×0.34×10^-9=1.076m；这说明DNA分子在体内以高度螺旋化的形式存在；（2）根据编码基因只占2%可以推算出编码基因为600~700个，而人体蛋白质约有10万种，说明人体内并不是一个基因控制一个蛋白质的合成，总的看来，一因多效的情况居多。（3）建立人类基因组图谱应该分析24条染色体DNA的碱基序列，包括22条常染色体和X、Y两条性染色体。（4）有利于遗传病的诊断和治疗、有利于研究生物的进化、有利于培育优良的高等动植物品种、有利于研究基因的表达调控机制等。

第三部分　 单元练习

　　1、下列对基因结构的认识中，不正确的是：
　　A、编码区能够转录为相应的RNA，指导蛋白质的合成。
　　B、启动子、操纵基因在非编码区内
　　C、原核细胞与真核细胞的基因结构中都存在有外显子和内含子
　　D、内含子不能编码蛋白质序列
　　[答案]C。

　　2、一种mRNA由360个核苷酸分子组成，它所编码的蛋白质长度是
　　A、约360个氨基酸　 B、约1080个氨基酸
　　C、整120个氨基酸　 D、少于120个氨基酸
　　[答案]D

　　3、基因是由
　　A、编码区和非编码区两部分组成
　　B、外显子和内含子两部分组成
　　C、RNA聚合酶结合位点、外显子、内含子组成
　　D、RNA聚合酶结合位点、外显子组成
　　[答案]A

　　4、在大肠杆菌的DNA分子上，与乳糖代谢有关的四种脱氧核苷酸序列为：①启动子，②结构基因，③调节基因，④操纵基因，其中能转录与乳酸代谢相关酶模板的信使RNA的基因是
　　A、①②③④　 B、②③④　 C、②③　 D、②
　　[答案]C

　　5、糖尿病是一种常见病，且发病率有逐年增加的趋势，被西方国家列为第三“杀手”。
　　（1）目前对糖尿病的治疗，大多采取激素治疗的方法，这种激素是_________，在人体的胰腺内，产生这种激素的细胞群称为_________。
　　（2）这种治疗用的激素过去主要从动物如猪、牛体内获得，自基因工程发展起来后，人们开始将人类的胰鸟素基因拼接到细菌的DNA上，通过细菌的繁殖来生产人类的胰岛素，此项技术的成功，说明生物共用的是一套______。
　　（3）基因工程已经取得长足的发展，并在许多方面得到应用，不过，在基因工程发展的过程中，也可能出现负面的影响，试各举一例加以说明。
　　[答案]：（1）胰岛素、胰岛；（2）遗传密码；（3）应用：基因治疗、转基因动植物、基因诊断等。如基因治疗可以将某种遗传病的致病基因去除，换上正常的基因，从而达到治疗的目的；负面影响：重组的基因可以是细菌、病毒发生突变而成为超级细菌或超级病毒；重组基因的生物可能产生一些难以预料的危害。