基因芯片还可用于进行基因诊断。先建立正常人特定组织、器官的基因芯片，给出标准杂交信号图，用可疑病人的cDNA做探针与之杂交，确定哪些基因的表达受抑制或激活。
课外作业了解基因克隆方法和基因功能研究方法。
第六章 基因的表达与调控(初步了解)(上)原核基因表达调控模式
引   言：自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在每30分钟增殖一次的109细菌群体中，若一个细菌变成29.5分钟增殖，经过80天的连续生长后，这个群体中的99.9%都将具有29.5分钟增殖一倍的生长速度。
原核生物细胞的基因和蛋白质种类较少，如大肠杆菌基因组约为4.20×106bp共有4 288个开放读码框（表6-1）。据估计，一个细胞中总共含有107个蛋白质分子。
每个大肠杆菌细胞有约15 000个核糖体，50种核糖体蛋白、糖酵解体系的酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中必需的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质被称为永久型（constitutive）合成的蛋白质。
另一类则被称为适应型或调节型（adaptive or regulated），因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。如大肠杆菌细胞中一般只有15个β-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。
6. 1 原核基因表达调控总论
随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。科学家把从DNA到蛋白质的过程称为基因表达（gene expression），对这个过程的调节就称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。
基因表达调控主要表现在以下二方面：
转录水平上的调控（transcriptional regulation）；
转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation），包括：（1）mRNA加工成熟水平调控（differential processing of RNA transcrpt）；（2）翻译水平调控（differential translation of mRNA）。
细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupled transcription and translation）。真核生物中，转录产物（primary transcript）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。
原核生物的基因调控主要是转录调控，包括负转录调控和正转录调控。在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），阻止结构基因转录。根据其作用特征又分为负控诱导和负控阻遏二大类。
在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不转录；
在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白作用于操纵区。
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。根据其作用特性分为正控诱导系统和正控阻遏系统。
在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态（图6-3，表6-2）。
σ因子在结构上具有同源性，所以统称σ70家族，含有4个保守区（图6-4），其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。
σ54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合（图6-5）。
σ70启动子只有在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合，而σ54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白（TBP），可以在无核心酶时独立结合到启动子上。
6. 2 乳糖操纵子与负控诱导系统
大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。
3个结构基因各决定一种酶：Z编码-半乳糖苷酶；Y编码-半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。
β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。
β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
6. 2. 1 酶的诱导—lac体系受调控的证据
一般情况下，lac+基因型大肠杆菌细胞内β-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞只有1～2个酶分子。但是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，超过105个酶分子/细胞。
在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+细菌中将同时合成β-半乳糖苷酶和透过酶。
用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基中加入乳糖1～2分钟后，编码β-半乳糖苷酶和透过酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，lac mRNA量立即下降。
实验室常用两种乳糖类似物—异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用发色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物（gratuitous inducer）。
用35S标记大肠杆菌细胞（培养基中没有半乳糖），将这些带有放射性的细菌转移到不含35S的培养基中，加入诱导物后β-半乳糖苷酶便开始合成。分离纯化β-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记，说明这种酶是加入诱导物后新合成的。
6. 2. 2 操纵子模型及其影响因子
Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调控问题，而且可以用实验方法进行研究，他们通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。
A.Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。
B. 该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。
C. 操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。
D. 当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。
E. 诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区相结合，诱发lacmRNA的合成。
阻遏物lacI基因产物及功能
lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下永久型合成的，该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与1分子IPTG结合,每个细胞中有5～10个阻遏物分子。
β-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子（图6-11）。
某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lacmRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应（cataboliterepression）。
cAMP与代谢物激活蛋白
cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP转变而来的，在真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。
将细菌放在含葡萄糖的培养基中培养，cAMP的浓度就低；如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，cAMP的浓度就会很高。
大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的
cAMP-CRP复合物与启动子区的结合是lacmRNA合成起始所必需的，因为这个复合物结合于启动子上游，能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构。阻遏物则是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结构，从而抑制RNA聚合酶的功能。
6. 2. 3 lac操纵子的调控区域—P、O区
P区（即启动子区）一般是从I基因结束到mRNA转录起始位点下游5-10bp，而O区（即阻遏物结合区）位于-7～+28位，该区的碱基序列有对称性，其对称轴在+11位碱基对。
6. 2. 4 lac操纵子中的其他问题
1）lac基因产物数量上的比较
在完全被诱导的细胞中，β-半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为1：0.5：0.2，这个比例在一定程度上反映了以β-半乳糖苷作为唯一碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差异是由于在翻译水平上受到调节所致。
2）操纵子的融合与基因工程
pur操纵子在染色体上位于lac操纵子沿转录方向的下游，中间只隔了一个控制细胞对T6噬菌体敏感性的tsx基因。pur操纵子被“嫁接”到lac启动子上，形成融合基因。因为lac启动子是一个很强的启动子，通过它可以使较弱启动子的转录增强。
6. 3 色氨酸操纵子与负控阻遏系统
trp体系参与生物合成，它不受葡萄糖或cAMP-CRP的调控。色氨酸的合成主要分5步完成，有7个基因参与整个合成过程（图6-17）。
trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶，trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，trpF编码异构酶，trpC编码吲哚甘油磷酸合酶，trpA和trpB则分别编码色氨酸合酶的α和β亚基。
在许多细菌中，trpE和trpG，trpC和trpB分别融合成一个基因，产生具有双重功能的蛋白质。
trpE基因是第一个被翻译的基因，与trpE紧邻的是启动子区和操纵区。前导区和弱化子区分别定名为trpL和trpa。
trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，该基因距trp基因簇很远。后者位于大肠杆菌染色体图上25分钟处，而前者则位于90分钟处。在位于65分钟处还有一个trpS（色氨酸tRNA合成酶），它与携带有色氨酸的tRNATrp共同参与trp操纵子的调控作用。
6. 3. 1 trp操纵子的阻遏系统
trpR基因突变常引起trpmRNA的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白（aporepressor）。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trpmRNA转录。
效应物分子色氨酸是trp操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。
当培养基中色氨酸含量较高时，它与游离的辅阻遏蛋白相结合，并使之与操纵区DNA紧密结合；当培养基中色氨酸供应不足时，辅阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离，trp操纵子去阻遏。
6. 3. 2 弱化子与前导肽
1）弱化子：在trpmRNA 5’端有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区，其中123～150位碱基序列如果缺失，trp基因表达可提高6-10倍。mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录。这个区域被称为弱化子，该区mRNA可通过自我配对形成茎-环结构。
2）前导肽：分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为前导肽。
在前导序列的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。组氨酸操纵子含有7个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵子也有7个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的转录弱化机制。
3）mRNA前导区的序列分析
trp前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中4个分别以1、2、3和4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。
4）转录弱化作用
培养基中色氨酸浓度低，负载有色氨酸的tRNATrp就少，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子处），前导区2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，转录继续进行。
培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前就到达2区，3-4区自由配对形成茎-环状终止子结构，转录停止。所以，弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。
6. 4 其他操纵子
6. 4. 1 半乳糖操纵子
6. 4. 2 阿拉伯糖操纵子
6. 4. 3 组氨酸操纵子
6. 4. 4 阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答
6. 4. 5 二组分调控系统和信号转导
最简单的细胞信号系统称为二组分系统（two-component systems），由二种不同的蛋白质组成：即位于细胞质膜上的传感蛋白（sensor protein）及位于细胞质中的应答调节蛋白（response regulator protein）