高考生物二轮复习微专题学案：4 基因表达的调控

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高考生物二轮复习微专题学案
4　基因表达的调控
　　基因表达调控是指细胞在特定条件下控制不同基因的表达水平,以便适应不同的外部环境和内部需求。因此,基因表达调控是细胞和生命体系维持稳态的重要机制,同时也与生物学发育和疾病的发生密切相关。对于真核生物,基因表达调控主要涉及四个方面:DNA序列水平、转录水平、转录后加工水平和转化水平。
类型一　真核生物基因表达的调控
(一)DNA序列水平的调控
　　基因的调控最开始实施是在DNA序列水平。包括甲基化对基因表达的调控、组蛋白修饰调控染色质和基因表达等。
例1 [2023·北京东城区模拟] 研究发现,AGPAT2基因表达的下调会延缓脂肪生成。湖羊尾部蓄脂量小,而广灵大尾羊尾部蓄脂量大。研究人员以若干只两种羊的尾部脂肪组织为材料,检测AGPAT2基因启动子区7个位点的甲基化程度及基因表达水平,结果如图。下列叙述正确的是 (　)
A.甲基化程度的差异会导致两种羊脂肪组织中AGPAT2基因的碱基序列不同
B.DNA甲基化直接阻碍翻译过程,进而对AGPAT2基因的表达进行调控
C.第33和63位点上的甲基化差异是影响AGPAT2基因表达量的关键因素
D.两种羊中AGPAT2基因的甲基化程度与其在脂肪组织中的表达量呈正相关
例2 [2023·河北石家庄一模] 某植物5号染色体上产生物碱基因B对不产生物碱基因b为显性;7号染色体上从头甲基化酶基因D对无从头甲基化酶基因d为显性;甲基化维持酶基因E对无甲基化维持酶基因e为显性,但所在染色体未知。从头甲基化酶可将基因一条链带上甲基化,称为半甲基化;甲基化维持酶可将半甲基化状态下对应的另一条链带上甲基化,称为全甲基化。具体过程如图Ⅰ所示。已知全甲基化的基因无法表达,且基因甲基化会在减数分裂时消失。为研究甲基化相关酶对B/b基因甲基化和基因表达的影响,科学家做了相关实验,如图Ⅱ所示(不考虑基因突变和染色体互换)。回答下列问题:
(1)植株甲的基因型是　　　　,F1的基因型是　　　　　,其不产生生物碱的原因是　　　　　　　　　　。
(2)图中F1杂交产生F2的交配类型称为　　　　。若三对基因独立遗传,则F2的表型及比例应为　　　　　;若从头甲基化酶与甲基化维持酶两对基因位于一对同源染色体上,则F1产生的配子种类及比例应为　　　　　　。
(3)若F2表型及比例为产生物碱植株∶不产生物碱植株=1∶1。让F1自交,其后代中含B基因但不产生物碱的植株占比为　　　　　。
(二)转录水平的调控
　　转录水平是指存储在DNA中的遗传信息转录到RNA分子上的过程。主要涉及RNA聚合酶、顺式作用元件(存在于基因旁,能够影响基因表达的特定DNA序列,如启动子、增强子等),反式作用因子(一类蛋白质分子,通过与顺式作用元件结合调控基因的转录)。
例3 [2023·北京西城区二模] 增强子是DNA上一小段可与特定蛋白质(转录因子)结合的序列,可增强多个基因的转录水平(如图)。相关推测不合理的是 (　)
A.增强子具有特定的碱基序列
B.增强子与启动子互补配对
C.增强子可以远距离发挥作用
D.A酶可能为RNA聚合酶
例4 [2023·湖南娄底模拟] 如图表示染色体与基因的关系,图中的顺式作用元件和基因编码区(能编码mRNA)是位于同一条链上的序列,对基因的表达有特定的调节作用。下列叙述错误的是 (　)
A.顺式作用元件和基因E的基本组成单位均是脱氧核苷酸
B.基因E是有遗传效应的DNA片段,图中各基因在染色体上呈线性排列
C.顺式作用元件发生碱基对的缺失,一般不会影响基因E的转录和翻译
D.顺式作用元件发生碱基对的替换,一般不会使基因E的碱基序列发生改变
(三)转录后加工水平和转化水平的调控
　　转录后加工水平的调控:包括RNA剪切和RNA降解等;转化水平调控基因表达是最接近生理终点的一个环节,转化涉及蛋白质的合成、折叠、修饰等方面,包括翻译水平的调控、蛋白质降解等。
例5 选择性剪接是指一个基因的转录产物可通过不同的拼接方式形成不同的mRNA的过程。如图表示鼠的降钙素基因的表达过程,下列叙述错误的是 (　)
注:CGRP表示降钙素基因相关肽;外显子是真核生物基因编码区中编码蛋白质的序列。
A.当RNA聚合酶移动到终止密码子时,过程①停止
B.过程②中,被转运的氨基酸与tRNA的3'端结合
C.题中鼠降钙素基因表达的调控属于转录后水平的调控
D.相同基因的表达产物不同,这有助于蛋白质多样性的形成
例6 [2023·广东卷] 放射性心脏损伤是由电离辐射诱导的大量心肌细胞凋亡产生的心脏疾病。一项新的研究表明,circRNA可以通过miRNA调控P基因表达进而影响细胞凋亡,调控机制见下图。miRNA是细胞内一种单链小分子RNA,可与mRNA靶向结合并使其降解。circRNA是细胞内一种闭合环状RNA,可靶向结合miRNA使其不能与mRNA结合,从而提高mRNA的翻译水平。
回答下列问题:
(1)放射刺激心肌细胞产生的　　　　会攻击生物膜的磷脂分子,导致放射性心肌损伤。
(2)前体mRNA是通过　　　　酶以DNA的一条链为模板合成的,可被剪切成circRNA等多种RNA。circRNA和mRNA在细胞质中通过对　　　　的竞争性结合,调节基因表达。
(3)据图分析,miRNA表达量升高可影响细胞凋亡,其可能的原因是　　　　　　　　　。
(4)根据以上信息,除了减少miRNA的表达之外,试提出一个治疗放射性心脏损伤的新思路:　　　　　　。
类型二　原核生物基因表达的调控
1.操纵元:是指一组关键的核苷酸序列,包括了一个操纵基因,一个普通的启动子及一个或以上的结构基因被用作生产信使RNA的基元。
2.阻遏蛋白:是基于某种调节基因所制成的一种控制蛋白质,在原核生物中具有抑制特定基因(群)产生特征蛋白质的作用。由于它能识别特定的操纵基因(即操纵子是阻遏蛋白的结合位点),当操纵序列结合阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合,或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动,阻遏转录,介导负性调节,因而可抑制与这个操纵基因相联系的基因群,也就是抑制操纵子的mRNA合成。
例7 [2023·广东汕头模拟] 大肠杆菌色氨酸合成过程中基因的转录调节机制如图所示,对此下列叙述正确的是 (　)
A.色氨酸调控机制属于正反馈调节机制
B.该复合物需要穿过核孔才能结合色氨酸操纵子
C.该过程体现了大肠杆菌基因的表达具有选择性
D.大肠杆菌DNA在RNA聚合酶的作用下合成色氨酸
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4　基因表达的调控（参考答案）
例1　C　[解析] 基因的甲基化不会改变基因的碱基排列顺序,A错误;由柱形图可知,DNA甲基化后,基因转录产物mRNA减少,因此甲基化影响转录过程,间接影响翻译过程,B错误;由图可知,相比于广灵大尾羊,湖羊组第33和63位点上的甲基化程度较高,其余位点甲基化程度相同,因此第33和63位点上的甲基化差异是影响AGPAT2基因表达量的关键因素,C正确;相比于广灵大尾羊,湖羊AGPAT2基因甲基化程度较高,转录受阻,该基因表达量较小,由此可知,两种羊中AGPAT2基因的甲基化程度与其在脂肪组织中的表达量呈负相关,D错误。
例2　(1)BBDDee　BbDdEe　因为D、E基因同时存在,使得从头甲基化酶和甲基化维持酶同时存在,B基因两条链均带上甲基化(B基因全甲基化)从而无法表达,因此表现不产生生物碱
(2)测交　产生物碱植株∶不产生物碱植株=3∶5　BdE∶BDe∶bDe∶bdE=1∶1∶1∶1
(3)3/8
[解析] (1)根据题意并结合图Ⅱ可知,亲本植株甲为纯合产生物碱,故其基因型为BBDDee,植株乙的基因型为bbddEE,F1的基因型为BbDdEe,同时含有D和E基因表现为全甲基化,全甲基化的基因无法表达,即B基因不表达,因此F1表现为不产生物碱。(2)F1BbDdEe与纯合不产生物碱植株丙bbddee杂交,称为测交。若三对基因独立遗传,则F2中不产生物碱植株基因型为B_D_E_和bb____,比例为1/2×1/2×1/2+1/2=5/8,产生物碱植株比例为1-5/8=3/8,故F2的表型及比例应为产生物碱植株∶不产生物碱植株=3∶5。若从头甲基化酶与甲基化维持酶两对基因位于一对同源染色体上,根据题意,D和e连锁,d和E连锁,根据基因的自由组合定律,则F1产生的配子种类及比例应为BdE∶BDe∶bDe∶bdE=1∶1∶1∶1。(3)若F2表型及比例为产生物碱植株∶不产生物碱植株=1∶1,则F1的配子及比例为Bde∶BDe∶bDE∶bdE=1∶1∶1∶1,即B与e连锁,b与E连锁,让F1自交,其后代中含B基因但不产生物碱的植株基因型及比例为BbDDEe+BbDdEe=2/16+4/16=3/8。
例3　B　[解析] 根据题意,增强子是DNA上一小段可与特定蛋白质结合的序列,因此增强子具有特定的碱基序列,A正确;由图可知,增强子是DNA上一小段可与特定蛋白质(转录因子)结合的序列,并不与启动子进行结合,因此并不与启动子互补配对,B错误;由图可知,增强子使所要作用基因所在的DNA链发生了弯折,距离其所要作用的基因有一定的距离,因此增强子可以远距离发挥调控作用,C正确;启动子是RNA聚合酶识别、结合和启动转录的一段DNA序列,图中A酶与启动子结合,因此A酶可能为RNA聚合酶,D正确。
例4　C　[解析] 图示片段位于染色体上,是真核生物的结构,则顺式作用元件和基因E都是DNA片段,其基本单位是脱氧核苷酸,A正确;真核生物的基因是有遗传效应的DNA片段,染色体是基因的主要载体,基因在染色体上呈线性排列,B正确;根据题中信息可知,顺式作用元件可影响基因的表达,若其发生碱基对的替换、增添或缺失,可能会对基因的表达(转录和翻译)有影响,C错误;由图可知,顺式作用元件不是基因的一部分,顺式作用元件发生碱基对的替换一般不会改变基因的碱基序列,D正确。
例5　A　[解析] 分析图示可知,过程①表示转录,过程②表示翻译。转录(即进行过程①)时,DNA双链解开,RNA聚合酶识别并结合启动子,驱动基因转录,移动到终止子时停止转录,A错误;翻译(即进行过程②)时,tRNA的3'端(—OH)与被转运的氨基酸结合,B正确;题图基因表达的调控属于转录后水平的调控,C正确;图中降钙素基因可以控制合成降钙素和CGRP,即相同基因的表达产物不同,这有助于蛋白质多样性的形成,D正确。
例6　(1)自由基
(2)RNA聚合　miRNA
(3)P蛋白能抑制细胞凋亡,miRNA表达量升高,与P基因mRNA结合并将其降解的概率上升,导致合成的P蛋白减少,无法抑制细胞凋亡
(4)可通过增大细胞内circRNA的含量,circRNA靶向结合miRNA使其不能与P基因mRNA结合,从而提高P基因的表达量,抑制细胞凋亡
[解析] (1)放射刺激心肌细胞,可产生大量自由基,自由基会攻击生物膜的磷脂分子,导致放射性心肌损伤。(2)RNA聚合酶能催化转录过程,以DNA的一条链为模板,通过碱基互补配对合成前体mRNA。由图可知,miRNA既能与mRNA结合使其降解,又能与circRNA结合,使miRNA不能与P基因的mRNA结合,从而提高mRNA的翻译水平,故circRNA和mRNA在细胞质中通过对miRNA的竞争性结合,调节基因表达。(3)P蛋白能抑制细胞凋亡,当miRNA表达量升高时,大量miRNA与P基因的mRNA结合,并将P基因的mRNA降解,导致合成的P蛋白减少,无法抑制细胞凋亡。(4)根据以上信息,治疗放射性心脏损伤除了减少miRNA的表达之外,还可增大细胞内circRNA的含量,circRNA可靶向结合miRNA,使其不能与P基因的mRNA结合,从而提高P基因的表达量,抑制细胞凋亡。
例7　C　[解析] 据图分析,当色氨酸不足量时,阻遏蛋白失活,色氨酸能合成;当色氨酸足量时,色氨酸与阻遏蛋白结合形成的复合物与操纵子结合,阻止RNA聚合酶与操纵子结合,从而导致色氨酸基因的转录受抑制,色氨酸调控机制属于负反馈调节机制,A错误。大肠杆菌是原核生物,没有核孔,B错误。该过程体现了大肠杆菌基因的表达具有选择性,C正确。大肠杆菌DNA在RNA聚合酶的作用下合成RNA,不能合成氨基酸,D错误。
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