分子生物学简答题

课后思考题

1. 试述乳糖操纵子的结构及调控原理？乳糖操纵子开放转录需要什么条件？

（1）乳糖操纵子的结构：含Z、Y、A3个结构基因，分别编码乳糖代谢的3个酶；一个操纵序列O，一个启动序列P，一个CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。乳糖操纵子的上游还有一个调节基因I。

（2）阻遏蛋白的负性调节：I基因的表达产物为一种阻遏蛋白，在没有乳糖存在时，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，乳糖操作子处于阻遏状态；当有乳糖存在时，乳糖转变为半乳糖，后者结合阻遏蛋白，使构象变化，阻遏蛋白与O序列解离，在CAP蛋白协作下发生转录。

（3）CAP的正性调节：分解代谢基因激活蛋白（CAP）分子内存在DNA和cAMP结合位点。当没有葡萄糖时，cAMP浓度较高，cAMP与CAP结合，cAMP-CAP结合于CAP结合位点，提高RNA转录活性；当有葡萄糖时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，乳糖操纵子表达下降。

（4）协调调节：乳糖操纵子阻遏蛋白的负性调节和CAP的正性调节机制协调合作，CAP 不能激活被阻遏蛋白封闭基因的表达，但如果没有CAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解离仍无转录活性。

因此，乳糖操纵子开放转录需要的条件是：1）诱导物乳糖存在，解除阻遏蛋白的负调节。2）葡萄糖缺乏，CAP蛋白活化，启动正调节。

2.试述原核生物和真核生物基因表达调控特点的异同。

（1）相同点：转录起始是基因表达调控的关键环节。

（2）不同点：

1）原核生物基因表达调控主要包括转录和翻译水平；真核基因表达调控包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次。

2）原核基因表达调控主要为负调节；真核生物基因表达调控主要为正调节。

3）原核转录起始不需要转录因子，RNA聚合酶直接结合启动子，由σ因子决定基因表达的特异性；真核转录起始需要基础、特异两类转录因子，依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用，调控转录激活。

4）原核基因表达调控主要采用操纵子模型，转录出多顺反子RNA，实现协调调节；真核基因转录产物为单顺反子RNA，功能相关蛋白质的协调表达机制更为复杂。

4.简述真核生物基因表达调控的特点。

（1）真核生物基因表达调控主要为正调节。

（2）真核基因转录产物为单顺反子RNA，功能相关蛋白质的协调表达机制更为复杂。

（3）真核生物基因表达调控具有典型的多级调控特点，包括染色质水平调控、转录调控、转录后调控、翻译调控等。

（4）与基本调控点即转录起始密切相关的是染色质水平的调控和转录水平的调控。染色质水平的调控是真核基因转录起始调控的前提，染色质核小体中组蛋白的不同化学修饰组合可形成组蛋白密码，通过参与调节染色质重塑，改变染色质活性，DNA甲基化修饰通常抑制基因的转录活性。

（5）转录起始是真核生物基因表达调控的最重要环节。真核生物RNA聚合酶对启动子的亲和力极小，必须依赖一种或多种转录因子的作用才能起始转录。调控作用主要是通过反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成，影响RNA聚合酶的作用。顺式作用元件是调控转录起始的DNA序列，包括启动子、增强子、沉默子等，反式作用因子是能与序列特异DNA结合的蛋白，即转录因子，主要功能是使基因开放和关闭，从而影响转录。

（6）转录后调控包括对mRNA的加工修饰、转运、细胞质定位以及稳定性等多方面的调控。翻译调控点主要在起始阶段和延长阶段，翻译起始因子的磷酸化可调节蛋白质翻译。另外，小分子RNA通过干扰翻译过程抑制基因表达。

真核基因表达调控特点：1）既有瞬时调控，又有发育调控2）调控环节更多3）染色质结构变化影响转录效率4）转录调控以正调控为主5）调控元件复杂并且可以远离转录区6）转录因子种类多，调控机制更复杂

真核生物和原核生物基因结构的差异：1）原核生物的结构基因是连续的，RNA合成后不需要剪接加工；由外显子（编码序列)和内含子（非编码序列)两部分组成，编码序列不连续，称为断裂基因2）真核生物的基因都是单顺反子；原核生物大多是多顺反子

真核生物、原核生物、病毒基因组特点差异：1）病毒：①所含核酸的种类与结构不同②所含核酸的分子数不同③基因组小④基因组为单倍体并且所含基因为单拷贝⑤基因组序列基本上都是编码序列⑥基因的连续性不同⑦相关基因串连成一个转录单位2）原核：①基因组DNA大多数为超螺旋结构的单一闭合双链分子②基因组DNA只有一个复制起点③基因组序列以编码序列为主④基因组所含基因的数目比病毒多3）真核：①染色体DNA是线性分子②染色体DNA形成染色体结构③基因组序列中仅有不到10%是蛋白质编码序列④基因在基因组中散在分布⑤基因组序列中包含大量重复序列⑥基因组中存在各种基因家族⑦基因组中含大量转座子

3.什么是诱导和阻遏？以乳糖和色氨酸操纵子为例，比较两种操纵子的结构及负调控方式的

差异。

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。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。

乳糖和色氨酸操纵子相同之处：都是DNA序列，是转录的功能单位，由调节基因、启动子、操纵基因和结构基因组成。不同之处：乳糖操纵子是负控控诱导，色氨酸操纵子是负调控阻遏。

乳糖操纵子是一个可诱导的操纵子。乳糖操纵子的调节基因编码阻遏蛋白，当无乳糖存在时，阻遏蛋白与操纵序列结合，阻止RNA聚合酶对结构基因的转录。当乳糖存在时，乳糖的分解产物半乳糖作为诱导剂与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白构象改变，导致阻遏蛋白与操纵序列解离，诱导基因的转录。

色氨酸操纵子主要受阻遏抑制调控，在细胞内无色氨酸时，阻遏蛋白不与操纵序列结合，转录开放；当色氨酸浓度较高时，色氨酸与阻遏蛋白形成复合物并结合到操纵序列上，关闭基因表达。

5.简述胰高血糖素升血糖的信号转导路径（以PKA信号通路为例）。

胰高血糖素升高血糖是由G蛋白偶联受体介导的。G蛋白偶联受体由一条多肽链构成，其肽链反复跨膜七次，膜内部分与G蛋白偶联。

G蛋白是GTP结合蛋白，结合GTP时为活化形式，作用于下游分子，并开放相应信号