备课素材：真核生物基因结构及信使RNA的加工-高一下学期生物人教版必修2

真核生物基因结构及信使RNA的加工先看一道试题：可变剪接是指从一个mRNA前体中通过不同的剪接方式（选择不同的剪接位点组合）产生不同的mRNA剪接异构体的过程。可变剪接是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的重要机制，选择性剪接产生不同的RNA异构体，控制真核生物的表型复杂性。真核生物新生的mRNA前体经过5'戴帽，剪接，3'加尾等加工成为成熟的mRNA。在剪接反应过程中，含有内含子和外显子的新生的mRNA前体，在剪接体作用下切除内含子，并将外显子依次连接起来，过程如下图所示。

(1)若要获得图中的蛋白质A、B、C所对应的DNA序列，需要以_______为模板、_______为原料，还需在PCR反应体系中加入_________相关酶等成分，获得的产物是_______。(2)剪接反应由剪接体执行，剪接体包括5个小核糖核蛋白复合体组成。剪接体作用于___链中的_________，以精确切除每个内含子转录序列并以正确次序连接外显子对应的RNA片段。(3)真核细胞核内前体mRNA加工通过5加帽、剪接（移除内含子）、3末端切割加尾，从而形成成熟的mRNA。剪接后可通过探针鉴定（如下图所示），组成探针的基本单位是_____，若结果中出现_______，则表明获得相应长度的可变剪接片段。(4)BCAS2是一个多功能蛋白，参与前体RNA的剪接和DNA损伤修复。在精原干细胞中，BCAS2基因的缺失会导致“减数分裂促进因子”Dazl蛋白质的不同剪接异构体表达异常，下图对比了普通精原干细胞和去除BCAS2基因的精原干细胞中Dazl基因的表达水平。Dazl全长异构体和Dazl缺失8号外显子属于同源异构体（由一个基因的mRNA前体因可变剪接而产生的多种mRNA)。由图可知，Dazl全长异构体的表达水平显著性_____（填写“上调”或者“基本不变”或者“下调”)，Dazl缺失8号外显子后的表达水平明显______（填写“上调”或者“基本不变”或者“下调”)。由此得出结论是_______。【答案】(1)总RNA4种游离的脱氧核苷酸引物cDNA(2)mRNA

磷酸二酯键(3)核糖核苷酸

杂交带(4)下调

上调

该研究证明BCAS2参与小鼠精原干细胞中的可变剪接，且具体参与8号外显子的剪切这道试题考查了真核生物基因表达过程中信使RNA的加工。教材中没有相应的介绍。真核生物基因结构与原核生物有所不同，因此，在基因表达过程中，需对信使RNA进行加工。那么，真核生物基因结构是怎样的？信使RMA如何加工？真核生物结构基因的DNA顺序包括编码顺序和非编码顺序两部分。编码顺序在DNA分子中是不连续的，被非编码顺序分隔开，形成镶嵌排列的断裂形式，称为断裂基因（splitgene)。编码顺序称为外显子（exon)，非编码顺序称为内含子（intron），两者相间排列。不同基因所含内含子数目和大小不同。每一个基因在表达时内含子的转录片段被切除，编码不同肽链区段的外显子转录产物拼接起来，在细胞质内翻译出特定的基因产物。断裂基因结构中外显子-内含子的接头区是一高度保守的顺序，称为外显子-内含子接头。每一个内含子的两端具有同源性和互补性，5'端起始的两个碱基是GT，3'端最后的两个碱基是AG，通常把这种高度保守的接头形式叫做GT-AG法则，在各种真核生物基因的内含子中均相同，形成断裂基因结构上一个重要特点。同时，这种基因外显子-内含子接头的高度保守性，说明真核生物在hnRNA加工过程中存在着一个切除内含子、拼接外显子的共同剪接加工机制。侧翼顺序（flankingsequence)是在第一个外显子和最末一个外显子外侧的一段非编码区，包括启动子、增强子、终止子等基因调控序列（如下图），对基因活性起着调控作用。1.启动子（promoter)是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列，位于基因转录起点上游的100bp范围内。启动子决定转录活性大小，决定双链DNA中的转录链，包括一组转录控制组件。（1）TATA框或Hogness框（TATAbox，Hognessbox):位于转录起始位点上游-19~-27bp处，是高度保守的一段序列，由9个碱基所组成，即5'-TATAATAAT-3'，其中只有两个碱基可以有变化。TATA框能够与转录因子TFⅡ结合，再与RNA聚合酶Ⅱ形成复合物，从而准确地识别转录的起始位置，对于转录水平有着定量效应。（2）CAAT框（CAATbox)：位于转录起始点上游-70~-80bp，也是一段保守序列，由9个碱基组成，其顺序为GGC/TCAATCA，其中只有一个碱基可以变化。转录因子CTF能够识别CAAT框并且与之结合，其C端有着激活转录的功能。所以，CAAT框有促进转录的功能。（3）GC框（GCbox）：位于CAAT框两侧，顺序为GGCGGG，有两个拷贝。GC框能够与转录因子SP1结合，SP1的锌指区可以与DNA结合，N端有激活转录的作用。所以，GC框有激活转录的功能，可能与增强起始转录的效率有关。2.增强子（enhancer)指能增强启动子转录活性的一段DNA序列。作用特点为：①通过启动子增强转录，明显提高基因转录的效率；②具有远距离效应，增强子可位于转录起点前后的3kb或更远处，即无论在转录基因的上游或是下游，增强子均可以发生作用；③无明显方向性，增强子的取向可以是5'→3'方向，也可以是3'→5方向，这是由于DNA可以折成环状使增强子与启动子结合或与RNA聚合酶相结合的缘故，如β珠蛋白基因的增强子是由串联重复的两个72bp的相同序列组成，可以位于转录起点上游-1400bp或下游3300bp处，均可以增强转录活性200倍；④具有组织特异性，如免疫球蛋白基因的增强子只在B淋巴细胞中活性最高。3.终止子（terminator）是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。由位于真核基因3'端的一段保守序列（大多真核生物为AATAAA），加上其下游的一段富含GT的回文序列，两者一起组成终止子。转录终止信号也是多聚腺苷酸化（polyA)的附加信号，位于hnRNA3'端polyA位点上游10~35bp处。由于添加polyA修饰，要先在3’端水解掉10~15bp。所以，这段顺序又称为RNA裂解信号，其作用是：①指导核酸内切酶在此信号下游10~15bp特定位点处裂解mRNA；②在聚合酶的作用下，在成熟mRNA3'端加上200~250个A的polyA尾部。

启动子、增强子和终止子均属于基因转录的顺式作用元件（cis-actingelement），是人类基因组的一些特殊序列，称为调控序列，如TATA框、CAAT框及AATAAA序列和反向重复序列等，它们都起着调控基因表达的作用。在侧翼序列中还有前导区和尾部区；前导区决定mRNA分子的5'端的非编码片段即5'非翻译区（untranslatedregion，UTR）；尾部区决定mRNA分子的3’端的非编码片段即3非翻译区。例1．TATA框（TATAbox）是真核细胞中基因的重要组成部分，位于基因的转录起始点上游，其碱基序列为5'-TATAATAAT-3'。基因表达时RNA聚合酶需与TATA框牢固结合之后才能起始转录。下列说法错误的是（

）A．TATA框是一段DNA序列，彻底水解可得到6种产物B．RNA聚合酶与TATA框结合后，以DNA的一条链为模板转录C．TATA框一旦发生突变将导致转录效率降低甚至转录被阻止D．可通过干扰RNA聚合酶与TATA框的结合“关闭”某种异常基因【答案】A例2．下图是人体细胞内细胞核基因的表达过程示意图，前体miRNA在细胞核内剪切、拼接后参与翻译过程。下列叙述正确的是（

）A．基因的转录需要解旋酶和DNA聚合酶的催化B．一个基因控制合成不同的多肽链与转录时的模板链不同有关C．翻译过程需要成熟的mRNA、tRNA、氨基酸，能量和核糖体等D．若该基因为呼吸酶基因，则图示过程可发生在任何成熟的细胞中【答案】C例3．发现真核生物中编码A蛋白的基因上游有能够增强基因表达的DNA序列，被称之为增强子，增强子的作用机理如下图。则以下说法不正确的是（

）A．增强子的核苷酸序列与其周围的核苷酸序列有明显的差别B．增强子发挥作用需要依靠激活因子、介导因子和转录因子C．增强子的核苷酸序列改变将引起A蛋白空间结构的改变D．图中？处代表RNA聚合酶，增强子可以增强其与启动子的结合【答案】C例4．人类先天性肢体畸形是一种遗传病，某研究小组对患者甲的家系进行了调查，结果如图1。（1）由图1可知，该病为__________遗传病。EN1基因是肢体发育的关键基因。对患者甲和健康志愿者的EN1基因进行测序，结果如图2。推测甲患病的可能原因是EN1基因的碱基对__________，使其指导合成肽链的__________，蛋白质的空间结构发生改变，导致肢体发育异常。若对II-3个体的EN1基因进行测序，结果可能为__________。（2）对另一先天肢体畸形患者乙的相关基因进行测序，乙的EN1基因序列正常，但该基因附近有一段未知功能的DNA片段（MCR）缺失。研究人员对EN1基因正常，但MCR缺失的肢体畸形纯合小鼠（E+E+M-M-）进行检测，发现其EN1基因表达量显著低于野生型。由此推测患者乙的致病机理为_________。（3）为确定MCR的作用机制，研究人员用表现型正常的MCR缺失杂合小鼠（E+E+M+M-）与表现型正常的EN1基因突变杂合小鼠（E+E-M+M+）杂交，子代表现型及比例为发育正常：肢体畸形=3：1。①子代肢体畸形小鼠的基因型为___________。②真核生物的转录调控大多是通过顺式作用元件与反式作用因子相互作用而实现的。顺式作用元件是指存在于基因旁侧，能影响基因表达的DNA序列，如图3中的增强子、TATAbox；反式作用因子是一类蛋白质分子，通过与顺式作用元件结合调控基因转录起始，如图3中的___________。据此研究人员提出两种假设：假设一：MCR作为顺式作用元件调控EN1基因的表达；假设二：MCR的表达产物作为反式作用因子调控EN1基因的表达。请根据杂交实验结果判断上述假设是否成立，并说明理由_______。【答案】

（1）常染色体隐性

增添

氨基酸序列改变

均与正常基因序列一致或既有正常基因序列又有突变基因序列

（2）由于MCR的缺失，使EN1基因表达量降低，导致患者肢体发育异常

（3）E+E-M+M-

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