突破1 原核生物的操纵子模型
深解构
模型一 乳糖操纵子
大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因/元件：①结构基因、②启动子、③操纵子、④调节基因，其中结构基因能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白。乳糖操纵子的3个结构基因：lacZ、lacY、lacA，分别产生图2中相对应的酶，而结构基因的上游有3个对结构基因起调控作用的序列，其中启动子P启动转录；操纵子O起着“开关”的作用，调控结构基因表达；调节基因(lacI)能够调节操纵子状态，从而对“开关”起着控制作用。在只含葡萄糖或乳糖条件下基因表达如图1和图2：
图1 只含葡萄糖条件下的基因表达
图2 只含乳糖条件下的基因表达
(1)在只含葡萄糖条件下，阻遏蛋白会与操纵子结合，阻碍__RNA聚合酶__与启动子P结合，在__转录__水平上抑制结构基因的表达。
(2)在只含乳糖条件下，乳糖异构物与阻遏蛋白结合而使后者失活，造成__阻遏蛋白与操纵子不能结合__，可使结构基因__表达__(填“表达”或“不表达”)。
(3)启动子P属于调控序列，属于基因的__非编码区__(填“编码区”或“非编码区”)。
模型二 色氨酸操纵子
色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定。大肠杆菌色氨酸合成过程中基因的转录调节机制如下图所示：
注：色氨酸操纵子所在的基因可以编码色氨酸。
(1)当培养基中有足够的色氨酸时，色氨酸和__阻遏蛋白__结合，形成色氨酸—阻遏蛋白复合物，该复合物结合到__色氨酸操纵子__上，色氨酸操纵子关闭，不能转录，导致色氨酸不能合成。
(2)当色氨酸不足量时，__阻遏蛋白__不发挥作用，在__RNA聚合酶__的作用下，基因转录生成mRNA，编码色氨酸的合成。
鉴典例
原核生物中，大多数基因表达的调控是通过操纵子机制实现的。如大肠杆菌中，结构基因trpE、trpD、trpC、trpB、trpA直接编码色氨酸合成所需酶类，其上游的操纵基因对这些基因起着“开关”的作用，直接控制它们的表达，调节基因能够对“开关”起控制作用。图1表示缺乏色氨酸时，阻遏蛋白无活性，操纵子开启；图2表示色氨酸足量时，阻遏蛋白与之结合到操纵子序列上，操纵子关闭。请回答下列问题：
图1
图2
(1)在大肠杆菌中①过程发生的场所是__拟核__，与②过程相比，其特有的碱基互补配对方式是__T—A__。
(2)构成启动子的基本单位是__脱氧核苷酸__，启动子的作用是__RNA聚合酶识别和结合的位点__。
(3)当培养基中存在色氨酸时，色氨酸与阻遏蛋白结合，使其功能被激活，被激活的阻遏蛋白与__操纵子__结合，进而使RNA聚合酶移动停止，在__转录__(填“转录”或“翻译”)水平抑制结构基因的表达。
(4)大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效，原因之一是没有核膜，__转录和翻译同时进行__。
(5)真核生物转录的前体RNA往往含有无效的核苷酸片段，需要经相关酶切除后再与核糖体结合，否则会形成异常的mRNA。若异常mRNA合成了蛋白质，则该蛋白质的氨基酸数目__不一定__(填“一定”或“不一定”)比正常蛋白质的多，理由是__未切除的核苷酸片段中可能存在终止密码子，使翻译提前终止__。
解析：(1)①是以DNA为模板合成RNA的过程，表示转录，大肠杆菌属于原核生物，发生上述过程的场所是拟核。转录的配对方式是A—U、T—A、G—C、C—G，②翻译的配对方式是A—U、U—A、G—C、C—G，故与②过程相比，①特有的碱基互补配对方式是T—A。(2)启动子是一段特殊结构的DNA片段，构成启动子的基本单位是脱氧(核糖)核苷酸；其作用是RNA聚合酶识别和结合的位点，用于驱动基因的转录。(3)分析图1和图2可知，当培养基中存在色氨酸时，色氨酸与阻遏蛋白结合，使其空间结构发生改变，从而激活其功能，被激活的阻遏蛋白与操纵子结合，使得RNA聚合酶的移动停止，在转录水平上导致结构基因不表达。(4)大肠杆菌属于原核生物，无以核膜为界限的细胞核，转录和翻译同时进行，故大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效。(5)终止密码子用于终止翻译过程，未切除的核苷酸片段中可能存在终止密码子，使翻译提前终止，产生的蛋白质的氨基酸数目不一定比正常蛋白质的多。
突破2 转录水平及转录后调控
调控一 DNA甲基化
深解构
DNA碱基上增加甲基基团的化学修饰称为DNA甲基化，多发生在胞嘧啶的第5位碳原子上，形成5mC。DNA甲基化与基因沉默有关，并参与导致X染色体失活沉默(如形成巴氏小体)。能够结合甲基化CpG二核苷酸的蛋白质称作甲基化CpG结合蛋白，它们能够募集抑制因子到发生甲基化的启动子区域，阻止其与转录因子的结合，从而引起基因转录的沉默。
鉴典例
(2025·南京期末)血橙因果肉富含花色苷，颜色像血一样鲜红而得名。当遇极寒天气时，为避免血橙冻伤通常提前采摘，此时果肉花色苷含量极少而“血量”不足。血橙中花色苷合成和调节途径如图。下列分析正确的是( B )
注：T序列和G序列是Ruby基因启动子，两条途径任一启动都可激活Ruby基因表达。
A．T序列甲基化影响RNA聚合酶与Ruby基因启动子的碱基互补配对
B．提前采摘的血橙果实置于低温环境可提高果肉的“血量”
C．血橙果肉颜色的形成属于基因对性状的直接控制
D．去甲基化可通过改变T序列的碱基序列而使血橙“血量”增多
解析：RNA聚合酶与基因启动子结合，启动转录过程，T序列甲基化影响RNA聚合酶与Ruby基因启动子的结合，而不是碱基互补配对，A错误；提前采摘的血橙果实置于低温环境，由图可知，低温胁迫可激活Ruby基因表达，促进花色苷合成，提高果肉的“血量”，B正确；从图中可知，基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制血橙果肉颜色，这属于基因对性状的间接控制，C错误；去甲基化是对T序列的修饰，不会改变T序列的碱基序列，D错误。
调控二 巴氏小体、组蛋白修饰
深解构
转录发生之前，染色质往往在特定区域被解旋或松弛，导致结构基因暴露，RNA聚合酶能够发生作用，促进转录因子与启动区DNA的结合，推动基因转录。而染色体臂的某些节段部分的重复序列和巴氏小体均不能表达。巴氏小体是异固缩的X染色体，哺乳动物体细胞核中除一条X染色体外，其余X染色体常形成巴氏小体而失活。
参与核小体装配的组蛋白发生特定的修饰，会影响基因的复制、表达或使基因“关闭”。这些修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等。组蛋白乙酰化会激活基因转录，去乙酰化则使基因沉默。基因的乙酰化和去乙酰化过程处于动态变化中。组蛋白甲基化可能会促进或抑制靶基因的表达。
鉴典例
(2024·江苏卷)下图表示果蝇细胞中基因沉默蛋白(PcG)的缺失，引起染色质结构变化，导致细胞增殖失控形成肿瘤。下列叙述错误的是( D )
A．PcG使组蛋白甲基化和染色质凝集，抑制了基因表达
B．细胞增殖失控可由基因突变引起，也可由染色质结构变化引起
C．DNA和组蛋白的甲基化修饰都能影响细胞中基因的转录
D．图示染色质结构变化也是原核细胞表观遗传调控的一种机制
解析：PcG使组蛋白甲基化和染色质凝集，影响RNA聚合酶与DNA分子的结合，抑制了基因表达，A正确。细胞增殖失控可由基因突变(如原癌基因和抑癌基因发生突变)引起；根据题意“基因沉默蛋白(PcG)的缺失，引起染色质结构变化，导致细胞增殖失控形成肿瘤”可知，细胞增殖失控也可由染色质结构变化引起，B正确。DNA和组蛋白的甲基化修饰属于表观遗传，都能影响细胞中基因的转录，C正确。原核细胞没有染色质，D错误。
(2025·南通三模)XY型哺乳动物雌性个体的一条X染色体失活(形成巴氏小体)对于维持基因表达平衡至关重要。细胞分化时一条X染色体上的Xist基因转录增强，产生较多的Xist RNA，Xist RNA与该X染色体结合导致其失活。相关叙述错误的是( B )
A．细胞分化前雌性个体中Xist基因表达量较低
B．Xist RNA阻止RNA聚合酶与起始密码结合，抑制基因转录
C．Xist基因在X染色体失活前表达，导致该染色体形成巴氏小体
D．正常雌性个体中，同时存在父源和母源X染色体上的Xist基因表达
解析：Xist基因主要在细胞分化时开始表达，导致X染色体失活，分化前其表达量较低，A正确；Xist RNA通过阻止RNA聚合酶与启动子结合，抑制基因转录，起始密码子是翻译的起点，B错误；根据“Xist RNA与该X染色体结合导致其失活”推测，Xist基因在X染色体失活前表达，导致该染色体形成巴氏小体，C正确；雌性个体的不同体细胞中X染色体随机失活，所以同时存在父源和母源X染色体上的Xist基因表达，D正确。
调控三 转录后调控——hnRNA的剪接加工
深解构
大多数真核基因转录产生的mRNA前体是按一种方式剪接产生出一种mRNA，因而只产生一种蛋白质。但有些基因产生的mRNA前体可按不同的方式剪接，产生两种或更多种mRNA，即可变剪接。部分过程如下图所示。
(1)可变剪接过程发生在__细胞核__(填场所)中。
(2)剪接反应由剪接体执行，剪接体由5个小核糖核蛋白复合体组成。剪接体作用于___mRNA前体__链中的__磷酸二酯__键，以精确切除每个__内含子转录序列(内含子对应的RNA片段)__并以正确次序连接外显子对应的RNA片段。
鉴典例
基因最初转录形成的是核内不成熟的RNA(hnRNA)，其在细胞核内经加工成为成熟的mRNA。甲、乙为小鼠的β－球蛋白基因(图中的实线为基因的一条链)分别与其hnRNA、mRNA的杂交结果示意图。下列叙述正确的是( D )
甲
乙
A．hnRNA的生成过程中需要解旋酶和RNA聚合酶的参与
B．hnRNA和mRNA之间杂交会出现较大比例的杂交带
C．甲、乙两图中碱基配对方式为A—U、U—A、G—C、C—G
D．β－球蛋白基因中存在不编码蛋白质的核苷酸序列
解析：RNA聚合酶兼有解旋作用，故hnRNA的生成过程(即转录过程)不需要解旋酶参与，A错误；成熟的mRNA由hnRNA加工而成，故大部分序列是相同的，而不是互补的，故二者不能形成杂交带，B错误；甲、乙两图中是基因的一条链与RNA链配对，故碱基配对方式为A—U、T—A、C—G、G—C，C错误；由图乙中存在未配对的环可知，β－球蛋白基因中存在不编码蛋白质的核苷酸序列，如编码区的内含子等，D正确。
突破3 翻译水平的调控——RNA干扰
深解构
RNA干扰(RNAi)是由小分子RNA介导的一种抑制基因表达的现象，主要是对mRNA进行干扰。干扰RNA是与靶基因序列同源的、短的双链RNA(dsRNA)，包括小分子干扰RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)等，前者一般来自外部，后者由内源DNA编码产生(如内含子、非编码区、非基因序列都可以编码)。siRNA和miRNA的产生及作用机制如下：
注：Drosha是一种核酸内切酶，Pasha是其辅助因子；Dicer是对双链RNA进行切割的核酸内切酶；AGO蛋白与小RNA形成RNA诱导靶向复合体(RISC)，引导RISC定位于mRNA上，从而诱导mRNA降解或抑制翻译。
鉴典例
基因什么时候表达以及表达水平的高低受多种因素的调控，下图表示三种调控基因表达的途径，且这三种调控途径都直接影响生物的性状，并可遗传给下一代。
(1)图中属于表观遗传机制的途径有__1、2、3__(填序号)，理由是__基因的核苷酸序列保持不变，基因的表达和表型发生了可遗传的变化__。
(2)途径1和途径2分别是通过干扰__转录__、__翻译__(填过程)调控基因表达的，正常情况下，通过这两个过程实现了遗传信息从__DNA/脱氧核糖核酸__到__蛋白质__的流动。
(3)依据途径3推测，在神经细胞中，控制呼吸酶合成的基因与组蛋白的紧密程度__低于__(填“高于”“低于”或“等于”)肌蛋白基因，原因是__呼吸酶合成基因在神经细胞中表达，而肌蛋白基因在神经细胞中不表达__。
解析：(1)图中DNA甲基化、RNA干扰以及组蛋白修饰都没有改变基因的核苷酸序列，但都使基因的表达发生了改变，都属于表观遗传机制。(2)转录是指以DNA一条链为模板合成RNA的过程；翻译是指以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程，故途径1和途径2分别干扰了转录和翻译过程，从而调控基因的表达。转录实现了遗传信息从DNA到RNA的流动，翻译实现了遗传信息从RNA到蛋白质的流动。(3)由途径3知，组蛋白与DNA结合的紧密程度发生变化，从而促成或关闭相关基因的表达，且组蛋白与DNA结合的紧密程度越高，对基因表达的抑制作用越强。由于基因的选择性表达，呼吸酶合成基因在神经细胞中表达，而肌蛋白基因在神经细胞中不表达，因此控制呼吸酶合成的基因与组蛋白的紧密程度低于肌蛋白基因。
突破1 原核生物的操纵子模型
1．(2025·江苏期末)大肠杆菌色氨酸操纵子可控制色氨酸合成酶的合成，其调节机制如下图所示。下列叙述正确的是( B )
注：P为启动子；O为操纵基因；结构基因(trpE、trpD、trpC、trpB、trpA)为合成色氨酸合成酶的有关基因。阻遏蛋白单独存在时没有活性。
A．图示体现了基因在染色体上呈线性排列
B．色氨酸合成酶基因的转录调控机制属于负反馈调节
C．5个色氨酸合成酶基因表达时共用一个起始密码子
D．RNA聚合酶与启动子识别结合的过程遵循碱基互补配对原则
解析：大肠杆菌为原核生物，无染色体，A错误；如图所示，无色氨酸时，启动基因表达，有色氨酸时，基因不表达，色氨酸合成酶基因的转录调控机制属于负反馈调节，
B正确；5个色氨酸合成酶基因表达(转录)时共用一个启动子，C错误；RNA聚合酶是蛋白质，与启动子识别结合的过程不遵循碱基互补配对原则，D错误。
2．细胞内多数基因的表达需要调控，基因表达的调控机制极其复杂。图1是大肠杆菌利用培养基中葡萄糖和乳糖的情况，图2是大肠杆菌分解乳糖前合成3－半乳糖苷酶时有关基因的调控机制。回答下列问题：
图2
(1) 若将某大肠杆菌的DNA双链均用32P标记，置于只含有31P的环境中复制4次，子代中含32P的单链与含31P的单链数目之比为__1∶15__；若某基因片段的模板链序列为5′－GGACTGATT－3′，则其复制产生的子链的序列为__5′－AATCAGTCC－3′__。
(2) 分析图1，将一定数量的大肠杆菌接种在仅含有葡萄糖和乳糖的培养基中，大肠杆菌最先利用的糖类是__葡萄糖__。结合图2，从基因表达是否需要调控的角度分析，大肠杆菌细胞内分解葡萄糖和乳糖两种糖类的基因的表达调控情况为__分解葡萄糖的酶的有关基因始终处于表达状态，而分解乳糖的酶的相关基因的表达需要调控__。
(3) 图2中②过程除图示mRNA外，还需要__tRNA和rRNA__两种RNA的参与。若某RNA分子中U∶A∶C∶G＝1∶2∶3∶4，则形成该RNA的DNA片段中碱基比例为__T∶A∶C∶G＝3∶3∶7∶7__。
(4) 结构基因的表达受到操纵子的调控，当培养基中的葡萄糖被消耗完毕，只剩下乳糖时，此时大肠杆菌细胞内的操纵子处于__开启__状态，简述此状态下操纵子对结构基因的调控过程：__只有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合成阻遏蛋白—乳糖复合物，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，RNA聚合酶识别并与启动子结合，结构基因表达出β－半乳糖苷酶(合理即可)__。
解析：(1) 一个双链均被32P标记的DNA分子，将其置于只含有31P的环境中复制4次，共得到16个DNA分子(32条单链)，根据DNA半保留复制特点，子代中含32P的单链有2条，含31P的单链为30条，因此含32P的单链与含31P的单链数目之比为1∶15；某基因片段的模板链序列为5′－GGACTGATT－3′，则根据A—T、G—C的配对原则及DNA分子反向平行特点可知，其复制产生的子链的序列为5′－AATCAGTCC－3′。(2) 葡萄糖是单糖，可直接被细胞吸收利用，故将一定数量的大肠杆菌接种在仅含有葡萄糖和乳糖的培养基中，大肠杆菌最先利用的糖类是葡萄糖；结合图2，从基因表达是否需要调控的角度分析，大肠杆菌细胞内分解葡萄糖的酶的有关基因始终处于表达状态，而分解乳糖的酶的相关基因的表达需要调控。(3) 图2中②(翻译)过程除图示mRNA外，还需要tRNA(转运氨基酸)和rRNA(参与构成核糖体)两种RNA的参与；转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程，遵循A—U、G—C配对关系，若某RNA分子中U∶A∶C∶G＝1∶2∶3∶4，则形成该RNA的DNA模板链中A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，另一条链中T∶A∶C∶G＝1∶2∶3∶4，则DNA片段中碱基比例为T∶A∶C∶G＝3∶3∶7∶7。(4) 结合图示可知，当培养基中的葡萄糖被消耗完，只剩下乳糖时，此时大肠杆菌细胞内的操纵子处于开启状态，此时操纵子对结构基因的调控过程为：只有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合成阻遏蛋白—乳糖复合物，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，RNA聚合酶识别并与启动子结合，结构基因表达出β－半乳糖苷酶。
3．大肠杆菌可通过色氨酸操纵子结构(图1)来巧妙地调控色氨酸的合成。阻遏蛋白—色氨酸复合物可与色氨酸操纵子O片段紧密结合，阻止trpL及后续序列的转录。trpL转录出的前导mRNA序列的4个序列之间可两两配对形成“发夹”结构(图2)，其中序列1中第10位和11位为连续的两个色氨酸密码子，若细胞中色氨酸浓度很低，则核糖体长时间停留在序列1,1/2发夹结构不能形成，此时形成2/3发夹结构，但不影响编码区的转录及翻译；若细胞中色氨酸浓度较高，则核糖体很容易到达序列2，此时会形成3/4发夹结构，减弱编码区基因的转录。请回答下列问题：
图1
图2
(1) trpR转录过程需要解旋DNA双链，所用的酶是__RNA聚合酶__。
(2) 大肠杆菌中色氨酸浓度__较高__(填“很低”或“较高”)时，trpL不会被转录，即便被转录也会在前导mRNA序列__3和4__之间配对形成发夹结构，从而减弱编码区基因的转录。
(3) 在__大肠杆菌中色氨酸浓度很低__的情况下，trpL刚转录形成的mRNA中不会出现序列1与序列2的配对，结合原核生物基因表达的特点，分析出现上述现象的原因：__原核细胞中基因边转录边翻译，若细胞中的色氨酸浓度很低，trpL转录后进行翻译时，核糖体会停留在序列1中，导致1/2发夹结构不能形成__。
(4) 大肠杆菌通过色氨酸操纵子调控色氨酸合成的调节机制属于__(负)反馈调节__，对大肠杆菌的生物学意义有__保证细胞中有足量的色氨酸，同时避免色氨酸合成过多导致物质和能量浪费(答案合理即可)__。
突破2 转录水平及转录后调控
4．(2025·南京、盐城一模)研究表明，吸烟会使人体细胞内的DNA甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。DNA甲基化不改变基因的碱基序列，但抑制基因的表达。下列叙述错误的是( B )
A．某基因的启动子发生了甲基化，会影响该基因的转录过程
B．吸烟者易患肺癌，不可能是原癌基因或抑癌基因甲基化的结果
C．一般情况下，DNA去甲基化后，被抑制表达的基因会被重新激活
D．构成染色体的组蛋白发生甲基化或乙酰化也属于表观遗传
解析：某基因的启动子发生了甲基化，将会抑制RNA聚合酶的识别与结合，从而影响基因的转录过程，A正确；吸烟可能会使人体细胞内抑癌基因的DNA甲基化水平升高，影响抑癌基因的表达，导致抑癌基因沉默，从而增加患肺癌的风险，B错误；一般情况下，DNA去甲基化后，RNA聚合酶可以正常识别并结合启动子，从而使得基因可以被正常转录，C正确；组蛋白的甲基化和乙酰化是常见的表观遗传修饰，这些修饰可以影响染色质的结构和基因的表达，是表观遗传调控的重要机制，D正确。
5．(2025·连云港四模二)某种实验小鼠的毛色受一对等位基因Avy和a的控制，Avy为显性基因，表现为黄色体毛，a为隐性基因，表现为黑色体毛。将纯种黄色体毛的小鼠与黑色体毛的小鼠杂交，F1出现介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型。对此实验现象的合理解释是( B )
A．此遗传现象是由基因突变引起的，基因中的碱基序列发生了改变
B．Avy基因中某些位点甲基化，引起Avy基因表达受到不同程度的抑制，从而出现过渡色
C．该现象与RNA聚合酶识别Avy的启动子难易程度有关，影响了翻译过程
D．毛色表型的变化与外界环境关系密切，因而是不可遗传的
解析：纯种黄色体毛小鼠与黑色体毛小鼠杂交，F1出现过渡类型，不是基因突变导致的，基因突变具有低频性且不会出现一系列过渡类型，A不合理；Avy基因某些位点甲基化，会使基因表达受不同程度抑制，导致Avy基因控制黄色的程度不同，出现过渡色，B合理；RNA聚合酶识别启动子影响的是转录过程，C不合理；此现象是基因表达受影响，碱基序列未变，属于表观遗传，是可遗传的，D不合理。
6．一个影响斑马鱼肝脏发育的钙调蛋白酶的两个控制基因Capn3a均正常(基因型表示为Capn3a＋/＋)时肝脏正常，当该基因被敲低(基因型无变化，降低mRNA的含量，简称Capn3a－MO)时，会出现小肝脏表型，但当两个Capn3a基因都被敲除[终止密码子提前，形成无功能的蛋白质，称无义突变(PTC)，基因型表示为Capn3a－/－]时，该突变体的肝脏却发育正常。对这一反常现象，我国研究人员用下图所示的机制——“遗传补偿效应”(GCR)来解释。请回答下列问题：
(1) 据图可知，当无义突变基因表达的PTC－mRNA通过__核孔__(填结构)进入细胞质进行首轮翻译时会触发NMD途径，引起降解。COMPASS在无义基因的PTC－mRNA引导下，靶向到同源基因并改变其启动子区域组蛋白H3K4me3的修饰，__促进__(填“促进”或“抑制”)同源基因表达形成遗传补偿效应。
(2) 研究人员在PTC－mRNA如何激发补偿效应(GCR)时需要的关键因子上存在争议：步骤①的观点认为需要upf3a，与NMD过程中upf1、upf2、upf3b无关；步骤②的观点认为需要NMD过程中的upf3b。研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建的upf1－/－、upf2－/－、upf3b－/－、upf3a－/－四种突变体，分别与__Capn3a－/－__相互杂交，可以在子__二__代分别获得上述四个因子与Capn3a形成的双敲除突变体，通过观察其遗传补偿效应，支持了步骤①的观点，则相关的实验结果是__Capn3a－/－和upf3a－/－的双敲除突变体没有观察到遗传补偿效应(或观察到小肝脏)，其他双敲除组合均观察到遗传补偿效应(或观察到正常肝脏)__。
(3) 根据遗传补偿效应机制，Capn3a－MO之所以没有观察到遗传补偿效应，是因为缺少__PTC－mRNA__。
解析：(1) 由图可知，无义突变基因表达的PTC－mRNA通过核孔进入细胞质进行首轮翻译时会触发NMD途径，引起降解。据图分析，COMPASS在无义基因的PTC－mRNA引导下，靶向到同源基因并改变其启动子区域组蛋白H3K4me3的修饰，促进同源基因表达形成遗传补偿效应。(2) upf1－/－、upf2－/－、upf3b－/－、upf3a－/－四种突变体，其Capn3a基因是正常的；Capn3a－/－突变体，其upf1、upf2、upf3b、upf3a是正常的，四种突变体分别与Capn3a－/－相互杂交，子一代都是双杂合，则F1继续自由交配得F2，可得到上述四个因子与Capn3a形成的双敲除突变体。若遗传补偿效应(GCR)需要的关键因子是upf3a，则Capn3a－/－和upf3a－/－的双敲除突变体无法实现遗传补偿，会出现小肝脏，其他双敲除组合因含有正常的关键因子upf3a，均可观察到遗传补偿效应，会出现正常肝脏。(3) 单基因敲除的Capn3a－MO没有出现遗传补偿效应，是因为缺少转录的PTC－mRNA，进而缺乏PTC－mRNA的诱导。
突破3 翻译水平调控——RNA干扰
7．(2025·云南卷)RNA干扰原理是指mRNA形成局部互补结构后阻断mRNA翻译。X菌是兼性厌氧菌，能杀伤正常细胞和处于缺氧微环境的肿瘤细胞。我国科学家基于RNA干扰原理改造X菌获得Y菌时，将厌氧启动子PT置于X菌生存必需基因asd上游，启动基因asd转录，PT启动转录效率与氧浓度成反比；同时将好氧启动子PA置于基因asd下游，启动互补链转录，PA启动转录效率与氧浓度成正比。下列说法正确的是( A )
A．Y菌存在asd基因DNA双链同时启动转录的状态
B．PT和PA分别启动转录得到的mRNA相同
C．PA的作用是防止有氧环境下Y菌死亡
D．改造X菌的目的是增强无氧环境下杀伤肿瘤细胞的能力
解析：将厌氧启动子PT置于X菌生存必需基因asd上游，启动基因asd转录，将好氧启动子PA置于基因asd下游启动互补链转录，因此在一定的氧浓度条件下，Y菌的asd基因DNA双链同时启动转录，厌氧启动子PT启动其一条链的转录，好氧启动子PA启动其另一条链转录，由于DNA的两条链互补，根据碱基互补配对原则可知，PT和PA分别转录得到的mRNA是互补的，A正确，B错误；在有氧环境中，PA启动转录效率高，其转录产生的mRNA与PT启动asd基因转录产生的mRNA形成局部互补结构，从而阻断生存必需基因asd转录出的mRNA进行翻译，使得Y菌无法存活，避免对正常细胞造成杀伤，而在缺氧微环境(肿瘤细胞)中，PT启动转录效率高，asd基因正常表达，Y菌可生存并杀伤肿瘤细胞，因此，改造X菌目的是使其能特异性作用于肿瘤细胞，避免损伤正常细胞，C、D错误。
8．(多选)(2025·连云港期中)MicroRNA(miRNA)是一类非编码单链小分子RNA，可导致基因“沉默”。如图是某miRNA使W基因沉默的具体过程。下列相关叙述正确的是( BD )
A．miRNA基因一条链上三个相邻的碱基称为一个密码子
B．miRNA与W基因的mRNA结合时不存在A—T的配对方式
C．miRNA与W基因的mRNA之间通过磷酸二酯键连接
D．miRNA通过阻止W基因表达时的翻译过程使其“沉默”
解析：密码子存在于mRNA中，A错误；miRNA与mRNA中含有的碱基都是A、U、G、C，因此miRNA与W基因的mRNA结合时不存在A—T的配对方式，B正确；miRNA与W基因的mRNA之间通过碱基互补配对连接在一起，碱基之间通过氢键相连，C错误；miRNA与W基因的mRNA之间结合形成双链，可阻止W基因的mRNA与核糖体结合，从而抑制翻译过程，D正确。
9．(2025·四川卷)为杀死蜜蜂寄生虫瓦螨，研究人员对蜜蜂肠道中的S菌进行改造，使其能释放特定的双链RNA(dsRNA)。进入瓦螨体内的dsRNA被加工成siRNA后，能与瓦螨目标基因的mRNA特异性结合，使其降解，导致瓦螨死亡。下列叙述正确的是( A )
A．siRNA的嘌呤与嘧啶之比和dsRNA相同
B．dsRNA加工成siRNA会发生氢键的断裂
C．瓦螨死亡的原因是目标基因的转录被抑制
D．用改造后的S菌来杀死瓦螨属于化学防治
解析：dsRNA为双链结构，嘌呤数等于嘧啶数，其嘌呤与嘧啶之比为1∶1，siRNA是由dsRNA加工而来的双链小片段，其嘌呤与嘧啶之比仍为1∶1，A正确；dsRNA加工成siRNA的过程是通过特定的酶切割磷酸二酯键，而非断裂氢键，B错误；siRNA能与瓦螨目标基因的mRNA特异性结合使其降解，导致瓦螨死亡，所以siRNA直接抑制的是翻译过程，C错误；用改造后的S菌来杀死瓦螨属于生物防治，D错误。
10．科学家发现了RNA干扰现象，其机制如下：当细胞内存在与特定基因序列互补的双链RNA时，会被能特异性识别双链RNA的Dicer酶切割成小分子RNA(siRNA)。下图为小分子RNA干扰基因表达过程导致基因“沉默”的示意图，RISC是RNA诱导沉默复合体。请回答下列问题：
(1) 根据示意图，相关基因“沉默”的调控主要发生在转录过程之__后__(填“前”或“后”)，影响基因表达的__翻译__过程。Dicer酶切割形成的siRNA使基因“沉默”的条件是siRNA上具有__与mRNA互补配对__的碱基序列。
(2) 由上述示意图可推知，siRNA的一条链与RISC结合形成的“复合体”发挥了__RNA(水解)酶__(填酶名称)的催化作用。
(3) 有科学家将能引起RNA干扰的双链RNA的两条单链分别注入细胞，结果Dicer酶却没有引起RNA干扰现象，请分析可能的原因是__Dicer酶具有专一性，只能特异性识别双链RNA，不能识别单链RNA__。
(4) 基因Bax和Bcl－2分别促进和抑制细胞凋亡。研究人员利用siRNA干扰技术降低TRPM7基因表达，研究其对细胞凋亡的影响，结果如右图所示。下列叙述正确的有__ABC__(填标号)。
A．细胞凋亡受遗传信息的调控
B．TRPM7基因的功能可能是抑制细胞凋亡
C．TRPM7基因可能通过抑制Bax基因的表达来抑制细胞凋亡
D．可通过特异性促进癌细胞中TRPM7基因的表达来治疗相关癌症
解析：(1) 根据题图可知，相关基因“沉默”主要发生在转录之后，通过影响mRNA的稳定性和翻译过程来实现，而不是直接作用于转录过程。只有复合体上的siRNA有与mRNA互补配对的碱基序列时，siRNA才能和mRNA结合。(2) “复合体”的作用是把RNA降解(示意图中最终为小黑点)，相当于RNA(水解)酶。(3) 由于Dicer酶只能特异性识别双链RNA，不能识别单链RNA，因此将能引起RNA干扰的双链RNA的两条单链分别注入细胞，不会出现RNA干扰现象。(4) 细胞凋亡是由基因控制的细胞正常的生命活动，受遗传信息的调控，A正确；由题图可知，siRNA干扰TRPM7基因实验组的TRPM7基因表达量下降，细胞凋亡率增加，TRPM7基因的功能可能是抑制细胞凋亡，B正确；由题图可知，siRNA干扰TRPM7基因实验组的TRPM7基因表达量下降，Bax基因促进细胞凋亡，Bax基因表达量增加，细胞凋亡率增加，由此可以得出，TRPM7基因可能通过抑制Bax基因的表达来抑制细胞凋亡，C正确；由图可知，siRNA干扰TRPM7基因实验组，Bax基因表达量增加，Bcl－2基因表达量减少，细胞凋亡率增加，所以可以通过抑制癌细胞中TRPM7基因的表达来治疗相关癌症，D错误。
11.2024年诺贝尔生理学或医学奖表彰科学家发现“miRNA及其在转录后基因调控中的作用”。其实早在2006年，诺贝尔奖就颁给了一项极其相似的研究——siRNA。miRNA和siRNA能通过对mRNA进行干扰，介导基因沉默即RNA干扰(RNAi)，是表观遗传学的研究热点。miRNA由基因组内源DNA编码产生，其可与目标mRNA配对；siRNA主要来源于外来生物，例如寄生在宿主体内的病毒会产生异源双链RNA(dsRNA)，dsRNA经过核酸酶Dicer的加工后成为siRNA。据图回答：
(1) 催化过程①的酶是__RNA聚合酶__，过程①所需的原料是__核糖核苷酸__。
(2) Drosha和Dicer都可以催化__磷酸二酯__键的水解，Exportin5的功能是__将前体miRNA2从细胞核转运到细胞质__。
(3) 过程③中miRNA可与目标mRNA配对，进而会导致__翻译__终止。
(4) 利用siRNA特异性地作用于致病靶基因的mRNA，可达到精准治疗疾病的目的。但siRNA具有亲水性，且化学性质不稳定，在体内给药后会被迅速清除，因此科学家尝试将siRNA药物包装在脂质体颗粒中，目的是__防止siRNA降解，协助siRNA跨膜进入细胞__。
(5) 寄生在宿主体内的病毒通过形成siRNA实现基因沉默，其意义是__使宿主细胞的基因表达终止，而病毒基因指导的蛋白质能顺利合成__。
解析：(1) ①过程是转录过程，由RNA聚合酶催化，以4种核糖核苷酸作为原料。(2) Drosha和Dicer在加工前体miRNA的过程中水解了磷酸二酯键；前体miRNA在细胞核合成，Exportin5将前体miRNA运出细胞核，使其进入细胞质。(3) mRNA是翻译的模板，miRNA可与目标mRNA配对，会导致翻译的终止。(4) 将siRNA药物包装在脂质体颗粒中，可防止siRNA降解，协助siRNA跨膜进入细胞，从而达到治疗相关疾病的目的。(5) 病毒通过形成siRNA实现基因沉默，使宿主细胞的基因表达终止，而病毒基因指导的蛋白质能顺利合成，有利于病毒的大量复制。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)突破1 原核生物的操纵子模型
深解构
模型一 乳糖操纵子
大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因/元件：①结构基因、②启动子、③操纵子、④调节基因，其中结构基因能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白。乳糖操纵子的3个结构基因：lacZ、lacY、lacA，分别产生图2中相对应的酶，而结构基因的上游有3个对结构基因起调控作用的序列，其中启动子P启动转录；操纵子O起着“开关”的作用，调控结构基因表达；调节基因(lacI)能够调节操纵子状态，从而对“开关”起着控制作用。在只含葡萄糖或乳糖条件下基因表达如图1和图2：
图1 只含葡萄糖条件下的基因表达
图2 只含乳糖条件下的基因表达
(1)在只含葡萄糖条件下，阻遏蛋白会与操纵子结合，阻碍__ __ 与启动子P结合，在__ __水平上抑制结构基因的表达。
(2)在只含乳糖条件下，乳糖异构物与阻遏蛋白结合而使后者失活，造成__ __ ，可使结构基因__ __(填“表达”或“不表达”)。
(3)启动子P属于调控序列，属于基因的__ __(填“编码区”或“非编码区”)。
模型二 色氨酸操纵子
色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定。大肠杆菌色氨酸合成过程中基因的转录调节机制如下图所示：
注：色氨酸操纵子所在的基因可以编码色氨酸。
(1)当培养基中有足够的色氨酸时，色氨酸和__ __结合，形成色氨酸—阻遏蛋白复合物，该复合物结合到__ __上，色氨酸操纵子关闭，不能转录，导致色氨酸不能合成。
(2)当色氨酸不足量时，__ __不发挥作用，在__ __的作用下，基因转录生成mRNA，编码色氨酸的合成。
鉴典例
原核生物中，大多数基因表达的调控是通过操纵子机制实现的。如大肠杆菌中，结构基因trpE、trpD、trpC、trpB、trpA直接编码色氨酸合成所需酶类，其上游的操纵基因对这些基因起着“开关”的作用，直接控制它们的表达，调节基因能够对“开关”起控制作用。图1表示缺乏色氨酸时，阻遏蛋白无活性，操纵子开启；图2表示色氨酸足量时，阻遏蛋白与之结合到操纵子序列上，操纵子关闭。请回答下列问题：
图1
图2
(1)在大肠杆菌中①过程发生的场所是__ __，与②过程相比，其特有的碱基互补配对方式是__ __。
(2)构成启动子的基本单位是__ __，启动子的作用是__ __ 。
(3)当培养基中存在色氨酸时，色氨酸与阻遏蛋白结合，使其功能被激活，被激活的阻遏蛋白与__ __结合，进而使RNA聚合酶移动停止，在__ __ (填“转录”或“翻译”)水平抑制结构基因的表达。
(4)大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效，原因之一是没有核膜，__ __ 。
(5)真核生物转录的前体RNA往往含有无效的核苷酸片段，需要经相关酶切除后再与核糖体结合，否则会形成异常的mRNA。若异常mRNA合成了蛋白质，则该蛋白质的氨基酸数目__ __(填“一定”或“不一定”)比正常蛋白质的多，理由是__ __。
突破2 转录水平及转录后调控
调控一 DNA甲基化
深解构
DNA碱基上增加甲基基团的化学修饰称为DNA甲基化，多发生在胞嘧啶的第5位碳原子上，形成5mC。DNA甲基化与基因沉默有关，并参与导致X染色体失活沉默(如形成巴氏小体)。能够结合甲基化CpG二核苷酸的蛋白质称作甲基化CpG结合蛋白，它们能够募集抑制因子到发生甲基化的启动子区域，阻止其与转录因子的结合，从而引起基因转录的沉默。
鉴典例
(2025·南京期末)血橙因果肉富含花色苷，颜色像血一样鲜红而得名。当遇极寒天气时，为避免血橙冻伤通常提前采摘，此时果肉花色苷含量极少而“血量”不足。血橙中花色苷合成和调节途径如图。下列分析正确的是( )
注：T序列和G序列是Ruby基因启动子，两条途径任一启动都可激活Ruby基因表达。
A．T序列甲基化影响RNA聚合酶与Ruby基因启动子的碱基互补配对
B．提前采摘的血橙果实置于低温环境可提高果肉的“血量”
C．血橙果肉颜色的形成属于基因对性状的直接控制
D．去甲基化可通过改变T序列的碱基序列而使血橙“血量”增多
调控二 巴氏小体、组蛋白修饰
深解构
转录发生之前，染色质往往在特定区域被解旋或松弛，导致结构基因暴露，RNA聚合酶能够发生作用，促进转录因子与启动区DNA的结合，推动基因转录。而染色体臂的某些节段部分的重复序列和巴氏小体均不能表达。巴氏小体是异固缩的X染色体，哺乳动物体细胞核中除一条X染色体外，其余X染色体常形成巴氏小体而失活。
参与核小体装配的组蛋白发生特定的修饰，会影响基因的复制、表达或使基因“关闭”。这些修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等。组蛋白乙酰化会激活基因转录，去乙酰化则使基因沉默。基因的乙酰化和去乙酰化过程处于动态变化中。组蛋白甲基化可能会促进或抑制靶基因的表达。
鉴典例
(2024·江苏卷)下图表示果蝇细胞中基因沉默蛋白(PcG)的缺失，引起染色质结构变化，导致细胞增殖失控形成肿瘤。下列叙述错误的是( )
A．PcG使组蛋白甲基化和染色质凝集，抑制了基因表达
B．细胞增殖失控可由基因突变引起，也可由染色质结构变化引起
C．DNA和组蛋白的甲基化修饰都能影响细胞中基因的转录
D．图示染色质结构变化也是原核细胞表观遗传调控的一种机制
(2025·南通三模)XY型哺乳动物雌性个体的一条X染色体失活(形成巴氏小体)对于维持基因表达平衡至关重要。细胞分化时一条X染色体上的Xist基因转录增强，产生较多的Xist RNA，Xist RNA与该X染色体结合导致其失活。相关叙述错误的是( )
A．细胞分化前雌性个体中Xist基因表达量较低
B．Xist RNA阻止RNA聚合酶与起始密码结合，抑制基因转录
C．Xist基因在X染色体失活前表达，导致该染色体形成巴氏小体
D．正常雌性个体中，同时存在父源和母源X染色体上的Xist基因表达
调控三 转录后调控——hnRNA的剪接加工
深解构
大多数真核基因转录产生的mRNA前体是按一种方式剪接产生出一种mRNA，因而只产生一种蛋白质。但有些基因产生的mRNA前体可按不同的方式剪接，产生两种或更多种mRNA，即可变剪接。部分过程如下图所示。
(1)可变剪接过程发生在__ __(填场所)中。
(2)剪接反应由剪接体执行，剪接体由5个小核糖核蛋白复合体组成。剪接体作用于__ __链中的__ __键，以精确切除每个__ __ 并以正确次序连接外显子对应的RNA片段。
鉴典例
基因最初转录形成的是核内不成熟的RNA(hnRNA)，其在细胞核内经加工成为成熟的mRNA。甲、乙为小鼠的β－球蛋白基因(图中的实线为基因的一条链)分别与其hnRNA、mRNA的杂交结果示意图。下列叙述正确的是( )
甲
乙
A．hnRNA的生成过程中需要解旋酶和RNA聚合酶的参与
B．hnRNA和mRNA之间杂交会出现较大比例的杂交带
C．甲、乙两图中碱基配对方式为A—U、U—A、G—C、C—G
D．β－球蛋白基因中存在不编码蛋白质的核苷酸序列
突破3 翻译水平的调控——RNA干扰
深解构
RNA干扰(RNAi)是由小分子RNA介导的一种抑制基因表达的现象，主要是对mRNA进行干扰。干扰RNA是与靶基因序列同源的、短的双链RNA(dsRNA)，包括小分子干扰RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)等，前者一般来自外部，后者由内源DNA编码产生(如内含子、非编码区、非基因序列都可以编码)。siRNA和miRNA的产生及作用机制如下：
注：Drosha是一种核酸内切酶，Pasha是其辅助因子；Dicer是对双链RNA进行切割的核酸内切酶；AGO蛋白与小RNA形成RNA诱导靶向复合体(RISC)，引导RISC定位于mRNA上，从而诱导mRNA降解或抑制翻译。
鉴典例
基因什么时候表达以及表达水平的高低受多种因素的调控，下图表示三种调控基因表达的途径，且这三种调控途径都直接影响生物的性状，并可遗传给下一代。
(1)图中属于表观遗传机制的途径有__ __(填序号)，理由是__ __ 。
(2)途径1和途径2分别是通过干扰__ __、__ __(填过程)调控基因表达的，正常情况下，通过这两个过程实现了遗传信息从__ __ 到__ __的流动。
(3)依据途径3推测，在神经细胞中，控制呼吸酶合成的基因与组蛋白的紧密程度__ __(填“高于”“低于”或“等于”)肌蛋白基因，原因是__ __ 。
突破1 原核生物的操纵子模型
1．(2025·江苏期末)大肠杆菌色氨酸操纵子可控制色氨酸合成酶的合成，其调节机制如下图所示。下列叙述正确的是( )
注：P为启动子；O为操纵基因；结构基因(trpE、trpD、trpC、trpB、trpA)为合成色氨酸合成酶的有关基因。阻遏蛋白单独存在时没有活性。
A．图示体现了基因在染色体上呈线性排列
B．色氨酸合成酶基因的转录调控机制属于负反馈调节
C．5个色氨酸合成酶基因表达时共用一个起始密码子
D．RNA聚合酶与启动子识别结合的过程遵循碱基互补配对原则
2．细胞内多数基因的表达需要调控，基因表达的调控机制极其复杂。图1是大肠杆菌利用培养基中葡萄糖和乳糖的情况，图2是大肠杆菌分解乳糖前合成3－半乳糖苷酶时有关基因的调控机制。回答下列问题：
图2
(1) 若将某大肠杆菌的DNA双链均用32P标记，置于只含有31P的环境中复制4次，子代中含32P的单链与含31P的单链数目之比为__ __；若某基因片段的模板链序列为5′－GGACTGATT－3′，则其复制产生的子链的序列为__ __。
(2) 分析图1，将一定数量的大肠杆菌接种在仅含有葡萄糖和乳糖的培养基中，大肠杆菌最先利用的糖类是__ __。结合图2，从基因表达是否需要调控的角度分析，大肠杆菌细胞内分解葡萄糖和乳糖两种糖类的基因的表达调控情况为__ __ 。
(3) 图2中②过程除图示mRNA外，还需要__ __两种RNA的参与。若某RNA分子中U∶A∶C∶G＝1∶2∶3∶4，则形成该RNA的DNA片段中碱基比例为__ __。
(4) 结构基因的表达受到操纵子的调控，当培养基中的葡萄糖被消耗完毕，只剩下乳糖时，此时大肠杆菌细胞内的操纵子处于__ __状态，简述此状态下操纵子对结构基因的调控过程：__ __ 。
3．大肠杆菌可通过色氨酸操纵子结构(图1)来巧妙地调控色氨酸的合成。阻遏蛋白—色氨酸复合物可与色氨酸操纵子O片段紧密结合，阻止trpL及后续序列的转录。trpL转录出的前导mRNA序列的4个序列之间可两两配对形成“发夹”结构(图2)，其中序列1中第10位和11位为连续的两个色氨酸密码子，若细胞中色氨酸浓度很低，则核糖体长时间停留在序列1,1/2发夹结构不能形成，此时形成2/3发夹结构，但不影响编码区的转录及翻译；若细胞中色氨酸浓度较高，则核糖体很容易到达序列2，此时会形成3/4发夹结构，减弱编码区基因的转录。请回答下列问题：
图1
图2
(1) trpR转录过程需要解旋DNA双链，所用的酶是__ __。
(2) 大肠杆菌中色氨酸浓度__ __(填“很低”或“较高”)时，trpL不会被转录，即便被转录也会在前导mRNA序列__ __之间配对形成发夹结构，从而减弱编码区基因的转录。
(3) 在__ __的情况下，trpL刚转录形成的mRNA中不会出现序列1与序列2的配对，结合原核生物基因表达的特点，分析出现上述现象的原因：__ __ 。
(4) 大肠杆菌通过色氨酸操纵子调控色氨酸合成的调节机制属于__ __ ，对大肠杆菌的生物学意义有__ __ 。
突破2 转录水平及转录后调控
4．(2025·南京、盐城一模)研究表明，吸烟会使人体细胞内的DNA甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。DNA甲基化不改变基因的碱基序列，但抑制基因的表达。下列叙述错误的是( )
A．某基因的启动子发生了甲基化，会影响该基因的转录过程
B．吸烟者易患肺癌，不可能是原癌基因或抑癌基因甲基化的结果
C．一般情况下，DNA去甲基化后，被抑制表达的基因会被重新激活
D．构成染色体的组蛋白发生甲基化或乙酰化也属于表观遗传
5．(2025·连云港四模二)某种实验小鼠的毛色受一对等位基因Avy和a的控制，Avy为显性基因，表现为黄色体毛，a为隐性基因，表现为黑色体毛。将纯种黄色体毛的小鼠与黑色体毛的小鼠杂交，F1出现介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型。对此实验现象的合理解释是( )
A．此遗传现象是由基因突变引起的，基因中的碱基序列发生了改变
B．Avy基因中某些位点甲基化，引起Avy基因表达受到不同程度的抑制，从而出现过渡色
C．该现象与RNA聚合酶识别Avy的启动子难易程度有关，影响了翻译过程
D．毛色表型的变化与外界环境关系密切，因而是不可遗传的
6．一个影响斑马鱼肝脏发育的钙调蛋白酶的两个控制基因Capn3a均正常(基因型表示为Capn3a＋/＋)时肝脏正常，当该基因被敲低(基因型无变化，降低mRNA的含量，简称Capn3a－MO)时，会出现小肝脏表型，但当两个Capn3a基因都被敲除[终止密码子提前，形成无功能的蛋白质，称无义突变(PTC)，基因型表示为Capn3a－/－]时，该突变体的肝脏却发育正常。对这一反常现象，我国研究人员用下图所示的机制——“遗传补偿效应”(GCR)来解释。请回答下列问题：
(1) 据图可知，当无义突变基因表达的PTC－mRNA通过__ __(填结构)进入细胞质进行首轮翻译时会触发NMD途径，引起降解。COMPASS在无义基因的PTC－mRNA引导下，靶向到同源基因并改变其启动子区域组蛋白H3K4me3的修饰，__ __(填“促进”或“抑制”)同源基因表达形成遗传补偿效应。
(2) 研究人员在PTC－mRNA如何激发补偿效应(GCR)时需要的关键因子上存在争议：步骤①的观点认为需要upf3a，与NMD过程中upf1、upf2、upf3b无关；步骤②的观点认为需要NMD过程中的upf3b。研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建的upf1－/－、upf2－/－、upf3b－/－、upf3a－/－四种突变体，分别与__ __相互杂交，可以在子__ __代分别获得上述四个因子与Capn3a形成的双敲除突变体，通过观察其遗传补偿效应，支持了步骤①的观点，则相关的实验结果是__ __ 。
(3) 根据遗传补偿效应机制，Capn3a－MO之所以没有观察到遗传补偿效应，是因为缺少__ __。
突破3 翻译水平调控——RNA干扰
7．(2025·云南卷)RNA干扰原理是指mRNA形成局部互补结构后阻断mRNA翻译。X菌是兼性厌氧菌，能杀伤正常细胞和处于缺氧微环境的肿瘤细胞。我国科学家基于RNA干扰原理改造X菌获得Y菌时，将厌氧启动子PT置于X菌生存必需基因asd上游，启动基因asd转录，PT启动转录效率与氧浓度成反比；同时将好氧启动子PA置于基因asd下游，启动互补链转录，PA启动转录效率与氧浓度成正比。下列说法正确的是( )
A．Y菌存在asd基因DNA双链同时启动转录的状态
B．PT和PA分别启动转录得到的mRNA相同
C．PA的作用是防止有氧环境下Y菌死亡
D．改造X菌的目的是增强无氧环境下杀伤肿瘤细胞的能力
8．(多选)(2025·连云港期中)MicroRNA(miRNA)是一类非编码单链小分子RNA，可导致基因“沉默”。如图是某miRNA使W基因沉默的具体过程。下列相关叙述正确的是( )
A．miRNA基因一条链上三个相邻的碱基称为一个密码子
B．miRNA与W基因的mRNA结合时不存在A—T的配对方式
C．miRNA与W基因的mRNA之间通过磷酸二酯键连接
D．miRNA通过阻止W基因表达时的翻译过程使其“沉默”
9．(2025·四川卷)为杀死蜜蜂寄生虫瓦螨，研究人员对蜜蜂肠道中的S菌进行改造，使其能释放特定的双链RNA(dsRNA)。进入瓦螨体内的dsRNA被加工成siRNA后，能与瓦螨目标基因的mRNA特异性结合，使其降解，导致瓦螨死亡。下列叙述正确的是( )
A．siRNA的嘌呤与嘧啶之比和dsRNA相同
B．dsRNA加工成siRNA会发生氢键的断裂
C．瓦螨死亡的原因是目标基因的转录被抑制
D．用改造后的S菌来杀死瓦螨属于化学防治
10．科学家发现了RNA干扰现象，其机制如下：当细胞内存在与特定基因序列互补的双链RNA时，会被能特异性识别双链RNA的Dicer酶切割成小分子RNA(siRNA)。下图为小分子RNA干扰基因表达过程导致基因“沉默”的示意图，RISC是RNA诱导沉默复合体。请回答下列问题：
(1) 根据示意图，相关基因“沉默”的调控主要发生在转录过程之__ __ (填“前”或“后”)，影响基因表达的__ __过程。Dicer酶切割形成的siRNA使基因“沉默”的条件是siRNA上具有__ __的碱基序列。
(2) 由上述示意图可推知，siRNA的一条链与RISC结合形成的“复合体”发挥了__ __(填酶名称)的催化作用。
(3) 有科学家将能引起RNA干扰的双链RNA的两条单链分别注入细胞，结果Dicer酶却没有引起RNA干扰现象，请分析可能的原因是__ __ 。
(4) 基因Bax和Bcl－2分别促进和抑制细胞凋亡。研究人员利用siRNA干扰技术降低TRPM7基因表达，研究其对细胞凋亡的影响，结果如右图所示。下列叙述正确的有__ __(填标号)。
A．细胞凋亡受遗传信息的调控
B．TRPM7基因的功能可能是抑制细胞凋亡
C．TRPM7基因可能通过抑制Bax基因的表达来抑制细胞凋亡
D．可通过特异性促进癌细胞中TRPM7基因的表达来治疗相关癌症
11.2024年诺贝尔生理学或医学奖表彰科学家发现“miRNA及其在转录后基因调控中的作用”。其实早在2006年，诺贝尔奖就颁给了一项极其相似的研究——siRNA。miRNA和siRNA能通过对mRNA进行干扰，介导基因沉默即RNA干扰(RNAi)，是表观遗传学的研究热点。miRNA由基因组内源DNA编码产生，其可与目标mRNA配对；siRNA主要来源于外来生物，例如寄生在宿主体内的病毒会产生异源双链RNA(dsRNA)，dsRNA经过核酸酶Dicer的加工后成为siRNA。据图回答：
(1) 催化过程①的酶是__ __，过程①所需的原料是__ __ 。
(2) Drosha和Dicer都可以催化__ __键的水解，Exportin5的功能是__ __。
(3) 过程③中miRNA可与目标mRNA配对，进而会导致__ __终止。
(4) 利用siRNA特异性地作用于致病靶基因的mRNA，可达到精准治疗疾病的目的。但siRNA具有亲水性，且化学性质不稳定，在体内给药后会被迅速清除，因此科学家尝试将siRNA药物包装在脂质体颗粒中，目的是__ __ 。
(5) 寄生在宿主体内的病毒通过形成siRNA实现基因沉默，其意义是__ __ 。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)(共62张PPT)
专题4 遗传的分子基础
2 基因表达的调控
模型一 乳糖操纵子
大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因/元件：①结构基因、②启动子、③操纵子、④调节基因，其中结构基因能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白。乳糖操纵子的3个结构基因：lacZ、lacY、lacA，分别产生图2中相对应的酶，而结构基因的上游有3个对结构基因起调控作用的序列，其中启动子P启动转录；操纵子O起着“开关”的作用，调控结构基因表达；调节基因(lacI)能够调节操纵子状态，从而对“开关”起着控制作用。在只含葡萄糖或乳糖条件下基因表达如图1和图2：
深解构
突破1 原核生物的操纵子模型
图1 只含葡萄糖条件下的基因表达
图2 只含乳糖条件下的基因表达
(2)在只含乳糖条件下，乳糖异构物与阻遏蛋白结合而使后者失活，造成______ ______________________，可使结构基因________(填“表达”或“不表达”)。
(3)启动子P属于调控序列，属于基因的____________(填“编码区”或“非编码区”)。
(1)在只含葡萄糖条件下，阻遏蛋白会与操纵子结合，阻碍________________与启动子P结合，在________水平上抑制结构基因的表达。
RNA聚合酶
转录
阻遏
蛋白与操纵子不能结合
表达
非编码区
模型二 色氨酸操纵子
色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定。大肠杆菌色氨酸合成过程中基因的转录调节机制如下图所示：
注：色氨酸操纵子所在的基因可以编码色氨酸。
(1)当培养基中有足够的色氨酸时，色氨酸和____________结合，形成色氨酸—阻遏蛋白复合物，该复合物结合到________________上，色氨酸操纵子关闭，不能转录，导致色氨酸不能合成。
(2)当色氨酸不足量时，___________不发挥作用，在________________的作用下，基因转录生成mRNA，编码色氨酸的合成。
阻遏蛋白
色氨酸操纵子
阻遏蛋白
RNA聚合酶
原核生物中，大多数基因表达的调控是通过操纵子机制实现的。如大肠杆菌中，结构基因trpE、trpD、trpC、trpB、trpA直接编码色氨酸合成所需酶类，其上游的操纵基因对这些基因起着“开关”的作用，直接控制它们的表达，调节基因能够对“开关”起控制作用。图1表示缺乏色氨酸时，阻遏蛋白无活性，操纵子开启；图2表示色氨酸足量时，阻遏蛋白与之结合到操纵子序列上，操纵子关闭。请回答下列问题：
鉴典例
1
图1
图2
(1)在大肠杆菌中①过程发生的场所是________，与②过程相比，其特有的碱基互补配对方式是__________。
(2)构成启动子的基本单位是______________，启动子的作用是_____________ ___________________。
(3)当培养基中存在色氨酸时，色氨酸与阻遏蛋白结合，使其功能被激活，被激活的阻遏蛋白与__________结合，进而使RNA聚合酶移动停止，在________(填“转录”或“翻译”)水平抑制结构基因的表达。
拟核
T—A
脱氧核苷酸
RNA聚合酶识别和结合的位点
操纵子
转录
(4)大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效，原因之一是没有核膜，_________ _____________。
(5)真核生物转录的前体RNA往往含有无效的核苷酸片段，需要经相关酶切除后再与核糖体结合，否则会形成异常的mRNA。若异常mRNA合成了蛋白质，则该蛋白质的氨基酸数目__________(填“一定”或“不一定”)比正常蛋白质的多，理由是__________________________________________________________。
转录和翻译同时进行
不一定
未切除的核苷酸片段中可能存在终止密码子，使翻译提前终止
解析：(1)①是以DNA为模板合成RNA的过程，表示转录，大肠杆菌属于原核生物，发生上述过程的场所是拟核。转录的配对方式是A—U、T—A、G—C、C—G，②翻译的配对方式是A—U、U—A、G—C、C—G，故与②过程相比，①特有的碱基互补配对方式是T—A。(2)启动子是一段特殊结构的DNA片段，构成启动子的基本单位是脱氧(核糖)核苷酸；其作用是RNA聚合酶识别和结合的位点，用于驱动基因的转录。(3)分析图1和图2可知，当培养基中存在色氨酸时，色氨酸与阻遏蛋白结合，使其空间结构发生改变，从而激活其功能，被激活的阻遏蛋白与操纵子结合，使得RNA聚合酶的移动停止，在转录水平上导致结构基因不表达。(4)大肠杆菌属于原核生物，无以核膜为界限的细胞核，转录和翻译同时进行，故大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效。(5)终止密码子用于终止翻译过程，未切除的核苷酸片段中可能存在终止密码子，使翻译提前终止，产生的蛋白质的氨基酸数目不一定比正常蛋白质的多。
DNA碱基上增加甲基基团的化学修饰称为DNA甲基化，多发生在胞嘧啶的第5位碳原子上，形成5mC。DNA甲基化与基因沉默有关，并参与导致X染色体失活沉默(如形成巴氏小体)。能够结合甲基化CpG二核苷酸的蛋白质称作甲基化CpG结合蛋白，它们能够募集抑制因子到发生甲基化的启动子区域，阻止其与转录因子的结合，从而引起基因转录的沉默。
深解构
突破2 转录水平及转录后调控
调控一 DNA甲基化
(2025·南京期末)血橙因果肉富含花色苷，颜色像血一样鲜红而得名。当遇极寒天气时，为避免血橙冻伤通常提前采摘，此时果肉花色苷含量极少而“血量”不足。血橙中花色苷合成和调节途径如图。
鉴典例
2
注：T序列和G序列是Ruby基因启动子，两条途径任一启动都可激活Ruby基因表达。
下列分析正确的是 ( )
A．T序列甲基化影响RNA聚合酶与Ruby基因启动子的碱基互补配对
B．提前采摘的血橙果实置于低温环境可提高果肉的“血量”
C．血橙果肉颜色的形成属于基因对性状的直接控制
D．去甲基化可通过改变T序列的碱基序列而使血橙“血量”增多
B
解析：RNA聚合酶与基因启动子结合，启动转录过程，T序列甲基化影响RNA聚合酶与Ruby基因启动子的结合，而不是碱基互补配对，A错误；提前采摘的血橙果实置于低温环境，由图可知，低温胁迫可激活Ruby基因表达，促进花色苷合成，提高果肉的“血量”，B正确；从图中可知，基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制血橙果肉颜色，这属于基因对性状的间接控制，C错误；去甲基化是对T序列的修饰，不会改变T序列的碱基序列，D错误。
转录发生之前，染色质往往在特定区域被解旋或松弛，导致结构基因暴露，RNA聚合酶能够发生作用，促进转录因子与启动区DNA的结合，推动基因转录。而染色体臂的某些节段部分的重复序列和巴氏小体均不能表达。巴氏小体是异固缩的X染色体，哺乳动物体细胞核中除一条X染色体外，其余X染色体常形成巴氏小体而失活。
参与核小体装配的组蛋白发生特定的修饰，会影响基因的复制、表达或使基因“关闭”。这些修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等。组蛋白乙酰化会激活基因转录，去乙酰化则使基因沉默。基因的乙酰化和去乙酰化过程处于动态变化中。组蛋白甲基化可能会促进或抑制靶基因的表达。
深解构
调控二 巴氏小体、组蛋白修饰
(2024·江苏卷)下图表示果蝇细胞中基因沉默蛋白(PcG)的缺失，引起染色质结构变化，导致细胞增殖失控形成肿瘤。下列叙述错误的是 ( )
A．PcG使组蛋白甲基化和染色质凝集，抑制了基因表达
B．细胞增殖失控可由基因突变引起，也可由染色质结构变化引起
C．DNA和组蛋白的甲基化修饰都能影响细胞中基因的转录
D．图示染色质结构变化也是原核细胞表观遗传调控的一种机制
鉴典例
3
D
解析：PcG使组蛋白甲基化和染色质凝集，影响RNA聚合酶与DNA分子的结合，抑制了基因表达，A正确。细胞增殖失控可由基因突变(如原癌基因和抑癌基因发生突变)引起；根据题意“基因沉默蛋白(PcG)的缺失，引起染色质结构变化，导致细胞增殖失控形成肿瘤”可知，细胞增殖失控也可由染色质结构变化引起，B正确。DNA和组蛋白的甲基化修饰属于表观遗传，都能影响细胞中基因的转录，C正确。原核细胞没有染色质，D错误。
(2025·南通三模)XY型哺乳动物雌性个体的一条X染色体失活(形成巴氏小体)对于维持基因表达平衡至关重要。细胞分化时一条X染色体上的Xist基因转录增强，产生较多的Xist RNA，Xist RNA与该X染色体结合导致其失活。相关叙述错误的是 ( )
A．细胞分化前雌性个体中Xist基因表达量较低
B．Xist RNA阻止RNA聚合酶与起始密码结合，抑制基因转录
C．Xist基因在X染色体失活前表达，导致该染色体形成巴氏小体
D．正常雌性个体中，同时存在父源和母源X染色体上的Xist基因表达
B
4
解析：Xist基因主要在细胞分化时开始表达，导致X染色体失活，分化前其表达量较低，A正确；Xist RNA通过阻止RNA聚合酶与启动子结合，抑制基因转录，起始密码子是翻译的起点，B错误；根据“Xist RNA与该X染色体结合导致其失活”推测，Xist基因在X染色体失活前表达，导致该染色体形成巴氏小体，C正确；雌性个体的不同体细胞中X染色体随机失活，所以同时存在父源和母源X染色体上的Xist基因表达，D正确。
大多数真核基因转录产生的mRNA前体是按一种方式剪接产生出一种mRNA，因而只产生一种蛋白质。但有些基因产生的mRNA前体可按不同的方式剪接，产生两种或更多种mRNA，即可变剪接。部分过程如右图所示。
深解构
调控三 转录后调控——hnRNA的剪接加工
(1)可变剪接过程发生在__________(填场所)中。
(2)剪接反应由剪接体执行，剪接体由5个小核糖核蛋白复合体组成。剪接体作用于______________链中的____________键，以精确切除每个__________________ _________________________并以正确次序连接外显子对应的RNA片段。
细胞核
mRNA前体
磷酸二酯
内含子转录序列 (内含子对应的RNA片段)
基因最初转录形成的是核内不成熟的RNA (hnRNA)，其在细胞核内经加工成为成熟的mRNA。甲、乙为小鼠的β－球蛋白基因(图中的实线为基因的一条链)分别与其hnRNA、mRNA的杂交结果示意图。下列叙述正确的是 ( )
鉴典例
5
A．hnRNA的生成过程中需要解旋酶和RNA聚合酶的参与
B．hnRNA和mRNA之间杂交会出现较大比例的杂交带
C．甲、乙两图中碱基配对方式为A—U、U—A、G—C、C—G
D．β－球蛋白基因中存在不编码蛋白质的核苷酸序列
甲
乙
D
解析：RNA聚合酶兼有解旋作用，故hnRNA的生成过程(即转录过程)不需要解旋酶参与，A错误；成熟的mRNA由hnRNA加工而成，故大部分序列是相同的，而不是互补的，故二者不能形成杂交带，B错误；甲、乙两图中是基因的一条链与RNA链配对，故碱基配对方式为A—U、T—A、C—G、G—C，C错误；由图乙中存在未配对的环可知，β－球蛋白基因中存在不编码蛋白质的核苷酸序列，如编码区的内含子等，D正确。
RNA干扰(RNAi)是由小分子RNA介导的一种抑制基因表达的现象，主要是对mRNA进行干扰。干扰RNA是与靶基因序列同源的、短的双链RNA(dsRNA)，包括小分子干扰RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)等，前者一般来自外部，后者由内源DNA编码产生(如内含子、非编码区、非基因序列都可以编码)。siRNA和miRNA的产生及作用机制如下：
深解构
突破3 翻译水平的调控——RNA干扰
注：Drosha是一种核酸内切酶，Pasha是其辅助因子；Dicer是对双链RNA进行切割的核酸内切酶；AGO蛋白与小RNA形成RNA诱导靶向复合体(RISC)，引导RISC定位于mRNA上，从而诱导mRNA降解或抑制翻译。
基因什么时候表达以及表达水平的高低受多种因素的调控，下图表示三种调控基因表达的途径，且这三种调控途径都直接影响生物的性状，并可遗传给下一代。
(1)图中属于表观遗传机制的途径有_____ ______(填序号)，理由是__________________ ________________________________________________。
鉴典例
6
1、
2、3
基因的核苷酸序列保持不变，基因的表达和表型发生了可遗传的变化
(2)途径1和途径2分别是通过干扰______、________(填过程)调控基因表达的，正常情况下，通过这两个过程实现了遗传信息从____________________到________的流动。
(3)依据途径3推测，在神经细胞中，控制呼吸酶合成的基因与组蛋白的紧密程度______ (填“高于”“低于”或“等于”)肌蛋白基因，原因是________________ ___________________________________________________。
转录
翻译
DNA/脱氧核糖核酸
蛋白质
低于
呼吸酶合成基因在神经细胞中表达，而肌蛋白基因在神经细胞中不表达
解析：(1)图中DNA甲基化、RNA干扰以及组蛋白修饰都没有改变基因的核苷酸序列，但都使基因的表达发生了改变，都属于表观遗传机制。(2)转录是指以DNA一条链为模板合成RNA的过程；翻译是指以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程，故途径1和途径2分别干扰了转录和翻译过程，从而调控基因的表达。转录实现了遗传信息从DNA到RNA的流动，翻译实现了遗传信息从RNA到蛋白质的流动。(3)由途径3知，组蛋白与DNA结合的紧密程度发生变化，从而促成或关闭相关基因的表达，且组蛋白与DNA结合的紧密程度越高，对基因表达的抑制作用越强。由于基因的选择性表达，呼吸酶合成基因在神经细胞中表达，而肌蛋白基因在神经细胞中不表达，因此控制呼吸酶合成的基因与组蛋白的紧密程度低于肌蛋白基因。
热练
1．(2025·江苏期末)大肠杆菌色氨酸操纵子可控制色氨酸合成酶的合成，其调节机制如下图所示。
突破1 原核生物的操纵子模型
注：P为启动子；O为操纵基因；结构基因(trpE、trpD、trpC、trpB、trpA)为合成色氨酸合成酶的有关基因。阻遏蛋白单独存在时没有活性。
下列叙述正确的是 ( )
A．图示体现了基因在染色体上呈线性排列
B．色氨酸合成酶基因的转录调控机制属于负反馈调节
C．5个色氨酸合成酶基因表达时共用一个起始密码子
D．RNA聚合酶与启动子识别结合的过程遵循碱基互补配对原则
解析：大肠杆菌为原核生物，无染色体，A错误；如图所示，无色氨酸时，启动基因表达，有色氨酸时，基因不表达，色氨酸合成酶基因的转录调控机制属于负反馈调节，B正确；5个色氨酸合成酶基因表达(转录)时共用一个启动子，C错误；RNA聚合酶是蛋白质，与启动子识别结合的过程不遵循碱基互补配对原则，D错误。
B
2．细胞内多数基因的表达需要调控，基因表达的调控机制极其复杂。图1是大肠杆菌利用培养基中葡萄糖和乳糖的情况，图2是大肠杆菌分解乳糖前合成3－半乳糖苷酶时有关基因的调控机制。回答下列问题：
图2
图1
(1)若将某大肠杆菌的DNA双链均用32P标记，置于只含有31P的环境中复制4次，子代中含32P的单链与含31P的单链数目之比为_______；若某基因片段的模板链序列为5′－GGACTGATT－3′，则其复制产生的子链的序列为_____________________。
1∶15
5′－AATCAGTCC－3′
(2)分析图1，将一定数量的大肠杆菌接种在仅含有葡萄糖和乳糖的培养基中，大肠杆菌最先利用的糖类是__________。结合图2，从基因表达是否需要调控的角度分析，大肠杆菌细胞内分解葡萄糖和乳糖两种糖类的基因的表达调控情况为____________________________________________________________________________________。
葡萄糖
分解葡萄糖的酶的有关基因始终处于表达状态，而分解乳糖的酶的相关基因的表达需要调控
(3)图2中②过程除图示mRNA外，还需要__________________两种RNA的参与。若某RNA分子中U∶A∶C∶G＝1∶2∶3∶4，则形成该RNA的DNA片段中碱基比例为_____________________________。
tRNA和rRNA
T∶A∶C∶G＝3∶3∶7∶7
(4)结构基因的表达受到操纵子的调控，当培养基中的葡萄糖被消耗完毕，只剩下乳糖时，此时大肠杆菌细胞内的操纵子处于________状态，简述此状态下操纵子对结构基因的调控过程：__________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________。
开启
只有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合成阻遏蛋白—乳糖复合物，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，RNA聚合酶识别并与启动子结合，结构基因表达出β－半乳糖苷酶(合理即可)
解析：(1)一个双链均被32P标记的DNA分子，将其置于只含有31P的环境中复制4次，共得到16个DNA分子(32条单链)，根据DNA半保留复制特点，子代中含32P的单链有2条，含31P的单链为30条，因此含32P的单链与含31P的单链数目之比为1∶15；某基因片段的模板链序列为5′－GGACTGATT－3′，则根据A—T、G—C的配对原则及DNA分子反向平行特点可知，其复制产生的子链的序列为5′－AATCAGTCC－3′。(2)葡萄糖是单糖，可直接被细胞吸收利用，故将一定数量的大肠杆菌接种在仅含有葡萄糖和乳糖的培养基中，大肠杆菌最先利用的糖类是葡萄糖；结合图2，从基因表达是否需要调控的角度分析，大肠杆菌细胞内分解葡萄糖的酶的有关基因始终处于表达状态，而分解乳糖的酶的相关基因的表达需要调控。
(3)图2中②(翻译)过程除图示mRNA外，还需要tRNA(转运氨基酸)和rRNA(参与构成核糖体)两种RNA的参与；转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程，遵循A—U、G—C配对关系，若某RNA分子中U∶A∶C∶G＝1∶2∶3∶4，则形成该RNA的DNA模板链中A∶T∶G∶C＝1∶2∶3∶4，另一条链中T∶A∶C∶G＝1∶2∶3∶4，则DNA片段中碱基比例为T∶A∶C∶G＝3∶3∶7∶7。(4)结合图示可知，当培养基中的葡萄糖被消耗完，只剩下乳糖时，此时大肠杆菌细胞内的操纵子处于开启状态，此时操纵子对结构基因的调控过程为：只有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合成阻遏蛋白—乳糖复合物，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，RNA聚合酶识别并与启动子结合，结构基因表达出β－半乳糖苷酶。
3．大肠杆菌可通过色氨酸操纵子结构(图1)来巧妙地调控色氨酸的合成。阻遏蛋白—色氨酸复合物可与色氨酸操纵子O片段紧密结合，阻止trpL及后续序列的转录。trpL转录出的前导mRNA序列的4个序列之间可两两配对形成“发夹”结构(图2)，其中序列1中第10位和11位为连续的两个色氨酸密码子，若细胞中色氨酸浓度很低，则核糖体长时间停留在序列1,1/2发夹结构不能形成，此时形成2/3发夹结构，但不影响编码区的转录及翻译；若细胞中色氨酸浓度较高，则核糖体很容易到达序列2，此时会形成3/4发夹结构，减弱编码区基因的转录。请回答下列问题：
图1
图2
(1)trpR转录过程需要解旋DNA双链，所用的酶是______________。
(2)大肠杆菌中色氨酸浓度________(填“很低”或“较高”)时，trpL不会被转录，即便被转录也会在前导mRNA序列________之间配对形成发夹结构，从而减弱编码区基因的转录。
RNA聚合酶
较高
3和4
(3)在____________________________的情况下，trpL刚转录形成的mRNA中不会出现序列1与序列2的配对，结合原核生物基因表达的特点，分析出现上述现象的原因：__________________________________________________________________ ______________________________________________________________。
大肠杆菌中色氨酸浓度很低
原核细胞中基因边转录边翻译，若细胞中的色氨酸浓度很低，trpL转录后进行翻译时，核糖体会停留在序列1中，导致1/2发夹结构不能形成
(4)大肠杆菌通过色氨酸操纵子调控色氨酸合成的调节机制属于____________ ____，对大肠杆菌的生物学意义有__________________________________________ __________________________________________。
(负)反馈调
节
保证细胞中有足量的色氨酸，同时避免色氨酸
合成过多导致物质和能量浪费(答案合理即可)
4．(2025·南京、盐城一模)研究表明，吸烟会使人体细胞内的DNA甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。DNA甲基化不改变基因的碱基序列，但抑制基因的表达。下列叙述错误的是 ( )
A．某基因的启动子发生了甲基化，会影响该基因的转录过程
B．吸烟者易患肺癌，不可能是原癌基因或抑癌基因甲基化的结果
C．一般情况下，DNA去甲基化后，被抑制表达的基因会被重新激活
D．构成染色体的组蛋白发生甲基化或乙酰化也属于表观遗传
B
突破2 转录水平及转录后调控
解析：某基因的启动子发生了甲基化，将会抑制RNA聚合酶的识别与结合，从而影响基因的转录过程，A正确；吸烟可能会使人体细胞内抑癌基因的DNA甲基化水平升高，影响抑癌基因的表达，导致抑癌基因沉默，从而增加患肺癌的风险，B错误；一般情况下，DNA去甲基化后，RNA聚合酶可以正常识别并结合启动子，从而使得基因可以被正常转录，C正确；组蛋白的甲基化和乙酰化是常见的表观遗传修饰，这些修饰可以影响染色质的结构和基因的表达，是表观遗传调控的重要机制，D正确。
5．(2025·连云港四模二)某种实验小鼠的毛色受一对等位基因Avy和a的控制，Avy为显性基因，表现为黄色体毛，a为隐性基因，表现为黑色体毛。将纯种黄色体毛的小鼠与黑色体毛的小鼠杂交，F1出现介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型。对此实验现象的合理解释是 ( )
A．此遗传现象是由基因突变引起的，基因中的碱基序列发生了改变
B．Avy基因中某些位点甲基化，引起Avy基因表达受到不同程度的抑制，从而出现过渡色
C．该现象与RNA聚合酶识别Avy的启动子难易程度有关，影响了翻译过程
D．毛色表型的变化与外界环境关系密切，因而是不可遗传的
B
解析：纯种黄色体毛小鼠与黑色体毛小鼠杂交，F1出现过渡类型，不是基因突变导致的，基因突变具有低频性且不会出现一系列过渡类型，A不合理；Avy基因某些位点甲基化，会使基因表达受不同程度抑制，导致Avy基因控制黄色的程度不同，出现过渡色，B合理；RNA聚合酶识别启动子影响的是转录过程，C不合理；此现象是基因表达受影响，碱基序列未变，属于表观遗传，是可遗传的，D不合理。
6．一个影响斑马鱼肝脏发育的钙调蛋白酶的两个控制基因Capn3a均正常(基因型表示为Capn3a＋/＋)时肝脏正常，当该基因被敲低(基因型无变化，降低mRNA的含量，简称Capn3a－MO)时，会出现小肝脏表型，但当两个Capn3a基因都被敲除[终止密码子提前，形成无功能的蛋白质，称无义突变(PTC)，基因型表示为Capn3a－/－]时，该突变体的肝脏却发育正常。对这一反常现象，我国研究人员用下图所示的机制——“遗传补偿效应”(GCR)来解释。请回答下列问题：
(1)据图可知，当无义突变基因表达的PTC－mRNA通过________(填结构)进入细胞质进行首轮翻译时会触发NMD途径，引起降解。COMPASS在无义基因的PTC－mRNA引导下，靶向到同源基因并改变其启动子区域组蛋白H3K4me3的修饰，________(填“促进”或“抑制”)同源基因表达形成遗传补偿效应。
核孔
促进
(2)研究人员在PTC－mRNA如何激发补偿效应(GCR)时需要的关键因子上存在争议：步骤①的观点认为需要upf3a，与NMD过程中upf1、upf2、upf3b无关；步骤②的观点认为需要NMD过程中的upf3b。研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建的upf1－/－、upf2－/－、upf3b－/－、upf3a－/－四种突变体，分别与______________相互杂交，可以在子______代分别获得上述四个因子与Capn3a形成的双敲除突变体，通过观察其遗传补偿效应，支持了步骤①的观点，则相关的实验结果是____________________________________________________________________________________________________________________________________。
Capn3a－/－
二
Capn3a－/－和upf3a－/－的双敲除突变体没有观察到遗传补偿效应(或观察到小肝脏)，其他双敲除组合均观察到遗传补偿效应(或观察到正常肝脏)
(3)根据遗传补偿效应机制，Capn3a－MO之所以没有观察到遗传补偿效应，是因为缺少_________________。
PTC－mRNA
解析：(1)由图可知，无义突变基因表达的PTC－mRNA通过核孔进入细胞质进行首轮翻译时会触发NMD途径，引起降解。据图分析，COMPASS在无义基因的PTC－mRNA引导下，靶向到同源基因并改变其启动子区域组蛋白H3K4me3的修饰，促进同源基因表达形成遗传补偿效应。(2)upf1－/－、upf2－/－、upf3b－/－、upf3a－/－四种突变体，其Capn3a基因是正常的；Capn3a－/－突变体，其upf1、upf2、upf3b、upf3a是正常的，四种突变体分别与Capn3a－/－相互杂交，子一代都是双杂合，则F1继续自由交配得F2，可得到上述四个因子与Capn3a形成的双敲除突变体。若遗传补偿效应(GCR)需要的关键因子是upf3a，则Capn3a－/－和upf3a－/－的双敲除突变体无法实现遗传补偿，会出现小肝脏，其他双敲除组合因含有正常的关键因子upf3a，均可观察到遗传补偿效应，会出现正常肝脏。(3)单基因敲除的Capn3a－MO没有出现遗传补偿效应，是因为缺少转录的PTC－mRNA，进而缺乏PTC－mRNA的诱导。
7．(2025·云南卷)RNA干扰原理是指mRNA形成局部互补结构后阻断mRNA翻译。X菌是兼性厌氧菌，能杀伤正常细胞和处于缺氧微环境的肿瘤细胞。我国科学家基于RNA干扰原理改造X菌获得Y菌时，将厌氧启动子PT置于X菌生存必需基因asd上游，启动基因asd转录，PT启动转录效率与氧浓度成反比；同时将好氧启动子PA置于基因asd下游，启动互补链转录，PA启动转录效率与氧浓度成正比。下列说法正确的是 ( )
A．Y菌存在asd基因DNA双链同时启动转录的状态
B．PT和PA分别启动转录得到的mRNA相同
C．PA的作用是防止有氧环境下Y菌死亡
D．改造X菌的目的是增强无氧环境下杀伤肿瘤细胞的能力
A
突破3 翻译水平调控——RNA干扰
解析：将厌氧启动子PT置于X菌生存必需基因asd上游，启动基因asd转录，将好氧启动子PA置于基因asd下游启动互补链转录，因此在一定的氧浓度条件下，Y菌的asd基因DNA双链同时启动转录，厌氧启动子PT启动其一条链的转录，好氧启动子PA启动其另一条链转录，由于DNA的两条链互补，根据碱基互补配对原则可知，PT和PA分别转录得到的mRNA是互补的，A正确，B错误；在有氧环境中，PA启动转录效率高，其转录产生的mRNA与PT启动asd基因转录产生的mRNA形成局部互补结构，从而阻断生存必需基因asd转录出的mRNA进行翻译，使得Y菌无法存活，避免对正常细胞造成杀伤，而在缺氧微环境(肿瘤细胞)中，PT启动转录效率高，asd基因正常表达，Y菌可生存并杀伤肿瘤细胞，因此，改造X菌目的是使其能特异性作用于肿瘤细胞，避免损伤正常细胞，C、D错误。
8．(多选)(2025·连云港期中)MicroRNA(miRNA)是一类非编码单链小分子RNA，可导致基因“沉默”。如图是某miRNA使W基因沉默的具体过程。下列相关叙述正确的是 ( )
A．miRNA基因一条链上三个相邻的碱基称为一个密码子
B．miRNA与W基因的mRNA结合时不存在A—T的配对方式
C．miRNA与W基因的mRNA之间通过磷酸二酯键连接
D．miRNA通过阻止W基因表达时的翻译过程使其“沉默”
BD
解析：密码子存在于mRNA中，A错误；miRNA与mRNA中含有的碱基都是A、U、G、C，因此miRNA与W基因的mRNA结合时不存在A—T的配对方式，B正确；miRNA与W基因的mRNA之间通过碱基互补配对连接在一起，碱基之间通过氢键相连，C错误；miRNA与W基因的mRNA之间结合形成双链，可阻止W基因的mRNA与核糖体结合，从而抑制翻译过程，D正确。
9．(2025·四川卷)为杀死蜜蜂寄生虫瓦螨，研究人员对蜜蜂肠道中的S菌进行改造，使其能释放特定的双链RNA(dsRNA)。进入瓦螨体内的dsRNA被加工成siRNA后，能与瓦螨目标基因的mRNA特异性结合，使其降解，导致瓦螨死亡。下列叙述正确的是 ( )
A．siRNA的嘌呤与嘧啶之比和dsRNA相同
B．dsRNA加工成siRNA会发生氢键的断裂
C．瓦螨死亡的原因是目标基因的转录被抑制
D．用改造后的S菌来杀死瓦螨属于化学防治
A
解析：dsRNA为双链结构，嘌呤数等于嘧啶数，其嘌呤与嘧啶之比为1∶1，siRNA是由dsRNA加工而来的双链小片段，其嘌呤与嘧啶之比仍为1∶1，A正确；dsRNA加工成siRNA的过程是通过特定的酶切割磷酸二酯键，而非断裂氢键，B错误；siRNA能与瓦螨目标基因的mRNA特异性结合使其降解，导致瓦螨死亡，所以siRNA直接抑制的是翻译过程，C错误；用改造后的S菌来杀死瓦螨属于生物防治，D错误。
10．科学家发现了RNA干扰现象，其机制如下：当细胞内存在与特定基因序列互补的双链RNA时，会被能特异性识别双链RNA的Dicer酶切割成小分子RNA(siRNA)。右图为小分子RNA干扰基因表达过程导致基因“沉默”的示意图，RISC是RNA诱导沉默复合体。请回答下列问题：
(1)根据示意图，相关基因“沉默”的调控主要发生在转录过程之______(填“前”或“后”)，影响基因表达的________过程。Dicer酶切割形成的siRNA使基因“沉默”的条件是siRNA上具有_____________________的碱基序列。
(2)由上述示意图可推知，siRNA的一条链与RISC结合形成的“复合体”发挥了__________________(填酶名称)的催化作用。
(3)有科学家将能引起RNA干扰的双链RNA的两条单链分别注入细胞，结果Dicer酶却没有引起RNA干扰现象，请分析可能的原因是________________________ ________________________________________。
后
翻译
与mRNA互补配对
RNA(水解)酶
Dicer酶具有专一性，只能特异性识别双链RNA，不能识别单链RNA
(4)基因Bax和Bcl－2分别促进和抑制细胞凋亡。研究人员利用siRNA干扰技术降低TRPM7基因表达，研究其对细胞凋亡的影响，结果如右图所示。下列叙述正确的有__________(填标号)。
ABC
A．细胞凋亡受遗传信息的调控
B．TRPM7基因的功能可能是抑制细胞凋亡
C．TRPM7基因可能通过抑制Bax基因的表达来抑制细胞凋亡
D．可通过特异性促进癌细胞中TRPM7基因的表达来治疗相关癌症
解析：(1)根据题图可知，相关基因“沉默”主要发生在转录之后，通过影响mRNA的稳定性和翻译过程来实现，而不是直接作用于转录过程。只有复合体上的siRNA有与mRNA互补配对的碱基序列时，siRNA才能和mRNA结合。(2)“复合体”的作用是把RNA降解(示意图中最终为小黑点)，相当于RNA(水解)酶。(3)由于Dicer酶只能特异性识别双链RNA，不能识别单链RNA，因此将能引起RNA干扰的双链RNA的两条单链分别注入细胞，不会出现RNA干扰现象。
(4)细胞凋亡是由基因控制的细胞正常的生命活动，受遗传信息的调控，A正确；由题图可知，siRNA干扰TRPM7基因实验组的TRPM7基因表达量下降，细胞凋亡率增加，TRPM7基因的功能可能是抑制细胞凋亡，B正确；由题图可知，siRNA干扰TRPM7基因实验组的TRPM7基因表达量下降，Bax基因促进细胞凋亡，Bax基因表达量增加，细胞凋亡率增加，由此可以得出，TRPM7基因可能通过抑制Bax基因的表达来抑制细胞凋亡，C正确；由图可知，siRNA干扰TRPM7基因实验组，Bax基因表达量增加，Bcl－2基因表达量减少，细胞凋亡率增加，所以可以通过抑制癌细胞中TRPM7基因的表达来治疗相关癌症，D错误。
11．2024年诺贝尔生理学或医学奖表彰科学家发现“miRNA及其在转录后基因调控中的作用”。其实早在2006年，诺贝尔奖就颁给了一项极其相似的研究——siRNA。miRNA和siRNA能通过对mRNA进行干扰，介导基因沉默即RNA干扰(RNAi)，是表观遗传学的研究热点。miRNA由基因组内源DNA编码产生，其可与目标mRNA配对；siRNA主要来源于外来生物，例如寄生在宿主体内的病毒会产生异源双链RNA(dsRNA)，dsRNA经过核酸酶Dicer的加工后成为siRNA。据图回答：
(1)催化过程①的酶是______________，过程①所需的原料是______________。
(2)Drosha和Dicer都可以催化__________ 键的水解，Exportin5的功能是______ ___________________________________。
(3)过程③中miRNA可与目标mRNA配对，进而会导致________终止。
(4)利用siRNA特异性地作用于致病靶基因的mRNA，可达到精准治疗疾病的目的。但siRNA具有亲水性，且化学性质不稳定，在体内给药后会被迅速清除，因此科学家尝试将siRNA药物包装在脂质体颗粒中，目的是___________________________ ________________。
(5)寄生在宿主体内的病毒通过形成siRNA实现基因沉默，其意义是__________ ________________________________________________________。
RNA聚合酶
核糖核苷酸
磷酸二酯
将前体miRNA2从细胞核转运到细胞质
翻译
防止siRNA降解，协助siRNA跨膜进入细胞
使宿主细胞的基因表达终止，而病毒基因指导的蛋白质能顺利合成
解析：(1)①过程是转录过程，由RNA聚合酶催化，以4种核糖核苷酸作为原料。(2)Drosha和Dicer在加工前体miRNA的过程中水解了磷酸二酯键；前体miRNA在细胞核合成，Exportin5将前体miRNA运出细胞核，使其进入细胞质。(3)mRNA是翻译的模板，miRNA可与目标mRNA配对，会导致翻译的终止。(4)将siRNA药物包装在脂质体颗粒中，可防止siRNA降解，协助siRNA跨膜进入细胞，从而达到治疗相关疾病的目的。(5)病毒通过形成siRNA实现基因沉默，使宿主细胞的基因表达终止，而病毒基因指导的蛋白质能顺利合成，有利于病毒的大量复制。
