2024年高考生物一轮复习（新人教版） 第6单元　微专题四　基因表达调控

微专题四　基因表达调控

基因表达调控是生物体内基因表达的调节控制，使细胞中基因表达的过程在时间、空间上处于有序状态，并对环境条件的变化作出反应的复杂过程。基因表达的调控可在多个层次上进行，主要表现包括染色质水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平的调控。

1．染色质水平上的调控

基因转录前染色质结构需要发生一系列重要变化，这是基因转录的前提，真核生物的DNA与组蛋白和一些非组蛋白构成染色质结构，染色质又分为常染色质和异染色质。DNA呈现不同凝聚状态的染色质结构，表现出不同的基因表达活性状态。常染色质结构比较松散，DNA局部序列暴露，基因表达处于活性状态。异染色质结构高度致密，DNA被组蛋白结合，染色质的基因表达活性处于阻遏状态。

典例1　组蛋白是构成真核生物染色体的基本结构蛋白。用聚丙烯酰胺凝胶电泳可以区分5种不同的组蛋白：H1、H2A、H2B、H3和H4。研究发现，核心组蛋白的肽链末端受到多种化学修饰的调控，比如H4末端Lys8(Lys代表赖氨酸)和Lys16的双乙酰化能够招募转录相关蛋白，促进基因表达；而H3的N末端Lys9的甲基化会促进DNA包装蛋白的结合，压缩染色质结构，抑制基因表达。下列相关叙述中，正确的是(　　)

A．大肠杆菌中没有染色体结构，其拟核中的DNA从不与任何蛋白质结合

B．RNA聚合酶能识别DNA上的起始密码子并与之结合，启动基因的转录

C．猪的成熟红细胞在衰老时，控制其凋亡的基因开始表达产生相关蛋白

D．特定的修饰状态可以决定组蛋白的活性，从而决定基因的表达与沉默

答案　D

解析　大肠杆菌属于原核生物，其细胞中不含染色体结构，但其DNA在复制时可与蛋白质结合，如DNA聚合酶，A错误；RNA聚合酶能识别DNA上的启动子并与之结合，启动基因的转录，B错误；猪的成熟红细胞没有细胞核和细胞器，不含基因，因此其在衰老时不会发生基因表达，C错误；根据题干信息可知，特定的修饰状态可以决定组蛋白的活性，从而决定基因的表达与沉默，D正确。

2．转录水平上的调控

该调控是最主要的基因调控方式。转录调控是指以DNA为模板合成RNA的调控，所有的细胞都具有大量序列特异的DNA结合蛋白，这些蛋白能准确地识别并结合到特异的DNA序列，在转录水平上起着开关的作用。该调控重点是在特定组织或细胞中、在特定的生长发育阶段、在特定的机体内外条件下，选择特定基因进行转录表达。

典例2　大肠杆菌可以直接利用葡萄糖，也可以通过合成β-半乳糖苷酶将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖加以利用。如图是大肠杆菌乳糖代谢基因在转录水平上受到调控的模型。下列说法不正确的是(　　)

A．阻遏蛋白与操纵基因结合会抑制结构基因的转录

B．基因lacZ、lacY、lacA共用一套启动子和终止子

C．图示的2个mRNA都有1个起始密码子和1个终止密码子

D．葡萄糖耗尽时β-半乳糖苷酶基因被诱导表达，这种调节可以减少物质和能量的浪费

答案　C

解析　阻遏蛋白与操纵基因结合会导致启动子无法启动转录，从而抑制结构基因的转录，A正确；葡萄糖耗尽时β-半乳糖苷酶基因被诱导表达，从而将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖加以利用，这种调节可以减少物质和能量的浪费，D正确。

3．转录后水平上的调控

转录后调控，这是指基因转录起始后对转录产物进行的一系列修饰、加工等调控行为，主要包括提前终止转录过程，对mRNA前体进行加工剪切，mRNA通过核孔和在细胞质内定位等。

典例3　真核生物的基因中含有外显子和内含子。细胞核内刚刚转录而来的RNA为前体mRNA，前体mRNA中的内含子在RNA自身以及其他蛋白复合物的作用下被剪切，形成mRNA运出细胞核。如图为前体mRNA的剪切示意图，下列相关叙述正确的是(　　)

A．图中的a、c分别为启动子和终止子转录部分

B．前体mRNA能与核糖体直接结合进行翻译过程

C．蛋白质复合物具有识别特定核糖核苷酸序列的功能

D．前体mRNA加工形成mRNA的过程发生在细胞质基质中

答案　C

解析　启动子和终止子为基因上的调控序列，不能转录出相应的前体mRNA，A错误；前体mRNA需要经过加工形成mRNA，才能与核糖体结合进行翻译过程，B错误；蛋白质复合物具有识别特定核糖核苷酸序列的功能，进而剪切前体mRNA，C正确；前体mRNA加工形成mRNA的过程发生在细胞核中，形成的mRNA运出细胞核进入细胞质基质中，D错误。

4．翻译水平上的调控

这是基因表达调控的重要环节。翻译的速率和细胞生长的速度之间是密切协调的。在肽链合成的起始、延伸和终止三个阶段中，对翻译起始速率的调控是最重要的，而在翻译的延伸和终止阶段也存在着调控因素。

典例4　miRNA是miRNA前体经过加工之后的一类非编码的具有调控功能的小RNA分子(18～25个核苷酸)，它含有一段能够自我配对形成“茎环”结构的序列(如图所示)。某miRNA能抑制W基因控制的蛋白质(W蛋白)的合成，如图是某真核细胞内形成该miRNA及其发挥作用的过程示意图。下列叙述错误的是(　　)

A．miRNA前体是单链RNA分子，且含有氢键

B．miRNA与W基因mRNA结合遵循碱基互补配对原则，即A与U、C与G配对

C．在细胞质加工miRNA使其茎环消失可能与磷酸二酯键的断裂有关

D．miRNA抑制W蛋白的合成是通过miRNA直接与W基因合成的mRNA结合所致

答案　D

解析　miRNA前体中含有茎环结构，故其中含有氢键，A正确；miRNA与W基因mRNA结合遵循碱基互补配对原则，即A与U、C与G配对，B正确；在细胞质加工miRNA使其茎环消失可能是切断了一段核苷酸链，与磷酸二酯键的断裂有关，C正确；miRNA抑制W蛋白的合成，是通过单链miRNA与蛋白质结合形成的miRNA蛋白复合物直接与W基因的mRNA结合，从而阻断其翻译所致，D错误。

5．翻译后水平的调控(蛋白质活性的调节)

该调控主要是控制多肽链的加工和折叠，以产生不同功能活性的蛋白质。来自mRNA的遗传信息翻译成蛋白质后，这些蛋白质如何活化并发挥其生物学功能，涉及蛋白质合成后的加工问题。翻译后的加工实际上也具有对基因表达的调控作用。蛋白质的定向与分拣应该是准确无误的，否则细胞的正常生理功能将会出现异常。

典例5　果蝇细胞中含有调控“生物钟”的per基因，表达产物为PER蛋白，PER蛋白在白天会被降解，而到晚上PER蛋白与TIM蛋白绑定后被运输到细胞核中积累，从而抑制per基因的表达。通过这样的机制，PER蛋白持续而周期性地调控着果蝇的“生物钟”。据图分析，下列有关叙述正确的是(　　)

A．图中mRNA从右向左在核糖体中移动

B．per基因能持续地进行复制、转录、翻译以补充被降解的PER蛋白

C．果蝇“生物钟”的调节过程体现了per基因与基因产物之间的相互作用

D．PER－TIM蛋白复合物对per基因表达的调控属于翻译水平的调控

答案　C

解析　翻译过程中是核糖体沿mRNA移动，A错误；per基因通过转录、翻译以补充被降解的PER蛋白，不涉及per基因的复制，B错误；该过程体现了per基因与基因产物之间的相互作用，C正确；PER－TIM蛋白复合物对per基因表达的调控属于转录水平的调控，D错误。

方法总结　(1)识图：对题干中出现的图形认真分析，并找出与教材知识及已有知识之间的联系。仔细辨别DNA复制、转录、翻译的图解，回忆有关过程的结构、场所与条件等。

(2)译图：比较熟练地把图形信息转化为文字或数据信息，或把文字、数据信息转化为图形信息，从而得出正确结论。

(3)挖掘：注意挖掘隐含条件。隐含条件往往是容易忽视的内容，也是造成解题失误的原因之一。只有捕捉到信息，才能处理信息，从而运用正确的信息解决问题。

对位训练

1．miRNA是一类由基因编码的，长约22个核苷酸的单链RNA分子。在线虫中，Lin－4基因的转录产物经加工后形成miRNA－miRNA*双链，其中miRNA与Lin－14 mRNA部分配对，使其翻译受阻，进而调控幼虫的正常发育模式。Lin－4 miRNA的形成过程及其对Lin－14基因的调控如图所示。下列有关叙述正确的是(　　)

A．转录miRNA的模板链碱基序列与miRNA*的碱基序列相同

B．用抗原－抗体杂交技术可检测到线虫内Lin－4基因表达的蛋白质

C．图中过程①、过程②分别需要RNA聚合酶、限制性内切核酸酶

D．Lin－4基因调控Lin－14基因选择性表达的结果是Lin－14基因翻译水平降低

答案　D

解析　图示为线虫细胞中Lin－4 miRNA调控基因Lin－14表达的相关作用机制。图中①表示转录过程；②表示miRNA前体1经过加工形成miRNA前体2的过程。miRNA与Lin－14 mRNA部分配对，使其翻译受阻。转录miRNA的模板链碱基序列与miRNA*的碱基序列可以发生碱基互补配对，而不是相同，A错误；据图可知，Lin－4基因的转录产物经加工后形成miRNA－miRNA*双链，其中miRNA与Lin－14 mRNA部分配对，使其翻译受阻，说明Lin－4基因属于调控基因，并没有形成蛋白质，故不能用抗原－抗体杂交技术检测到线虫内Lin－4基因表达的蛋白质，B错误；图中过程①为转录，需要RNA聚合酶催化，过程②为miRNA前体1经过加工形成miRNA前体2，需要剪切RNA的RNA剪切酶催化，而限制性内切核酸酶识别的是DNA的特定序列，是对DNA的特定部位进行剪切，C错误。

2．如图表示真核生物在不同水平上对基因的表达进行了调控，基因2转录生成的起始转录物中1、2、3、4部分重新连接后再出核孔，下列相关叙述错误的是(　　)

A．同种基因控制合成的蛋白质可能不止一种

B．不同水平的调控使真核生物细胞功能复杂化

C．转录的启动取决于基因上启动部位与RNA聚合酶是否碱基互补配对

D．据图推测，加工后的mRNA可能不翻译，同一mRNA翻译的新生多肽链只有1种

答案　C

解析　基因2转录生成的起始转录物中，1、2、3连接在一起，形成一个mRNA,1、2、4连接在一起，形成另一个mRNA，即一个基因转录形成的mRNA不止一种，这属于转录水平的调控，mRNA从核孔进入细胞质，有的和抑制子结合不能翻译，有的能够完成翻译过程，这属于翻译水平的调控，根据上述分析，一个基因，转录形成的mRNA不止一种，控制合成的蛋白质可能不止一种，A正确；图中体现了转录水平的调控和翻译水平的调控，不同水平的调控使真核生物细胞功能复杂化，B正确；RNA聚合酶是蛋白质，没有碱基，C错误。

3．在遗传信息的表达过程中，蛋白质与核酸的合成相依赖。在生命起源之初，究竟是先有核酸还是先有蛋白质，科学家提出了以下假说：最早出现的生物大分子很可能是RNA，它兼具了DNA和蛋白质的功能，既可以像DNA一样储存遗传信息，又可以像蛋白质一样催化反应，DNA和蛋白质则是进化的产物。下列事实不支持该假说的是(　　)

A．构成核糖体的rRNA具有催化肽键形成的功能

B．细胞核内的DNA必须有RNA作为引物才能完成复制

C．mRNA是在RNA聚合酶的催化下以DNA的一条链为模板转录形成的

D．四膜虫rRNA的前体物能在没有蛋白质参与下进行自我加工、剪切

答案　C

4．(2023·江苏泰州中学高三开学考试)果蝇的昼夜节律与PER蛋白浓度的变化有关。如图表示PER蛋白作用的部分过程。下列相关叙述正确的是(　　)

A．PER蛋白可反馈抑制Per基因的转录

B．per mRNA的合成过程在细胞核外发生

C．PER蛋白与TIM蛋白结合后穿过核膜进入细胞核

D．一个per mRNA分子上可结合多个核糖体同时进行多条不同肽链的合成

答案　A

解析　因为per mRNA存在于细胞核内，因此其合成只能发生在细胞核内，B错误；PER蛋白与TIM蛋白结合后穿过核孔进入细胞核，C错误；据图可知，在合成蛋白质时，多个核糖体可以相继结合到per mRNA分子上，形成多聚核糖体，这样可以同时进行多条相同肽链的合成，提高蛋白质的翻译效率，D错误。

5．(2023·海南海口高三模拟)研究发现，当细胞中缺乏氨基酸时，负载tRNA(携带氨基酸的tRNA)会转化为空载tRNA(没有携带氨基酸的tRNA)参与基因表达的调控。图示为缺乏氨基酸时，tRNA调控基因表达的相关过程，图中的①②③④表示过程，a、b、c、d表示合成的多肽链。利用该图作用的机理分析饥饿疗法治疗癌症的方法和原理(饥饿疗法是指通过微导管向肿瘤供血动脉内注入栓塞剂，阻断肿瘤的血液供应，使肿瘤细胞缺血、缺氧死亡)，回答相关问题：

(1)癌细胞被称为不死细胞，能够进行无限增殖，在增殖过程中需要不断合成需要的蛋白质，DNA控制合成蛋白质的过程包括__________(填数字编号)，参与此过程的RNA有_______________________________________________________________________________。

(2)完成过程需要的物质是从细胞质进入细胞核的，它们是_____________________________。

(3)根据图中多肽合成的过程，判断核糖体的移动方向为________________(填“从左向右”或“从右向左”)，多肽链a、b、c、d上的氨基酸序列________(填“相同”或“不同”)。从图可知合成蛋白质的速度非常快的原因是_____________________________________________

_______________________________________________________________________________。

(4)结合饥饿疗法治疗癌症的方法，利用如图展示的调控过程，从两个方面说明如何通过抑制蛋白质的合成，来控制癌细胞的分裂：_____________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________。

答案　(1)①②　mRNA、tRNA、rRNA　(2)核糖核苷酸、RNA聚合酶、ATP　(3)从右向左　相同　一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体，同时进行多条肽链的合成，因此，少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质　(4)缺少氨基酸会使负载tRNA(携带氨基酸的RNA)转化为空载tRNA，空载tRNA通过抑制DNA的转录和激活蛋白激酶抑制蛋白质合成，减少蛋白质的含量，影响细胞的分裂