第七章 細菌和病毒的遺傳

1．解釋下列名詞：F-菌株、F+菌株、Hfr菌株、F因子、F'因子、烈性噬菌體、溫和性噬菌體、溶原性細菌、部分二倍體。
F-菌株：未攜帶F因子的大腸桿菌菌株。
F+菌株：包含一個游離狀態(tài)F因子的大腸桿菌菌株。
Hfr菌株：包含一個整合到大腸桿菌染色體組內的F因子的菌株。
F因子：大腸桿菌中的一種附加體，控制大腸桿菌接合過程而使其成為供體菌的一種致育因子。
F'因子：整合在宿主細菌染色體上的F因子，在環(huán)出時不夠準確而攜帶有染色體一些基因的一種致育因子。
烈性噬菌體：侵染宿主細胞后，進入裂解途徑，破壞宿主細胞原有遺傳物質，合成大量的自身遺傳物質和蛋白質并組裝成子噬菌體，最后使宿主裂解的一類噬菌體。
溫和性噬菌體：侵染宿主細胞后，并不裂解宿主細胞，而是走溶原性生活周期的一類噬菌體。
溶原性細菌：含有溫和噬菌體的遺傳物質而又找不到噬菌體形態(tài)上可見的噬菌體粒子的宿主細菌。
部分二倍體：當F+和Hfr的細菌染色體進入F-后，在一個短時期內，F-細胞中對某些位點來說總有一段二倍體的DNA狀態(tài)的細菌。

2． 為什么說細菌和病毒是研究遺傳學的好材料？
答：與其他生物體相比，細菌和病毒能成為研究遺傳學的好材料，具有以下7個方面的優(yōu)越性：
?。?/span>1）世代周期短：每個世代以min或h計算，繁殖速度快，大大縮短了實驗周期。
?。?/span>2）易于管理和進行化學分析 個體小，繁殖方便，可以大量節(jié)省人力、物力和財力；且代謝旺盛，繁殖又快，累積大量的代謝產物。
?。?/span>3）便于研究基因的突變 細菌和病毒均屬于單倍體，所有突變都能立即表現出來，不存在顯性掩蓋隱性的問題。
?（4）便于研究基因的作用 通過基本培養(yǎng)基和選擇培養(yǎng)基的影印培養(yǎng)，很容易篩選出營養(yǎng)缺陷型，利于生化[研究。
　（5）便于基因重組的研究 通過細菌的轉化、轉導和接合作用，在一支試管中可以產生遺傳性狀不相同的后代。
?。?/span>6）便于用于研究基因結構、功能及調控機制的材料 細菌和病毒的遺傳物質簡單，基因定位和結構分析等易于進行且可用生理生化方法進行基因的表達和調控分析。
（7）便于進行遺傳操作 細菌質粒和病毒作為載體，已成為高等生物的分子遺傳學研究和生物工程的重要工具。

3．試比較大腸桿菌和玉米的染色體組。
答：大腸桿菌屬于原核生物、而玉米是真核生物，二者基因組存在很大的區(qū)別：
⑴.基因組大小不同：大腸桿菌DNA以單個染色體的形式存在，長約1100μm，分子量約為2.6×109；玉米以10對染色體存在（n=10），基因組非常龐大。
⑵.染色體組成不同：大腸桿菌DNA不與組蛋白結合，也不形成核小體結構，是一個封閉的大環(huán)結構；而玉米DNA與組蛋白結合，形成典型的核小體結構，呈直線排列，并多級折疊成光學顯微鏡下可見的染色體結構。
⑶.大腸桿菌的基因發(fā)生突變，在當代個體中即可表現出來，而在玉米中基因組中則存在基因的顯隱性關系。
⑷.DNA合成時期不同：大腸桿菌DNA在整個細胞生長過程中都可進行，而玉米DNA只在細胞周期的S期合成。
⑸.復制起點不同：大腸桿菌只有一個復制起點，在而玉米存在多個復制起點。
⑹.DND組成不同：大腸桿菌中一般由單一序列組成，且基因的排列方式非常緊湊，存在重疊基因現象；而玉米中則存在大量的重復序列，許多基因以基因家族方式存在。

4．對兩個基因的噬菌體雜交所測定的重組頻率如下：

試問:（1）a、b、c 3個突變在連鎖圖上的次序如何？為什么它們之間的距離不是累加的？
　　（2）假定三因子雜交，ab+c×a+bc+，你預期哪種類型的重組體頻率最低？
　　（3）計算從 ⑵ 所假定的三因子雜交中出現的各種重組類型的頻率。

答：⑴.a、b、c3個突變在連鎖圖上的次序為右圖，由于噬菌體的DNA是環(huán)狀結構，而不是線狀排列，因此它們之間的距離不是累加的。
⑵.根據⑴的三個基因間的連鎖距離可知，基因間重組率較低的是ac和bc，因此ab+c+和a+bc兩種類型的重組體頻率最低。

?

⑶. 根據 ⑴ 的重組率可知：c基因在中間：
bc間單交換產生acb和a+ c+b+的頻率共為1.5%；　ac間單交換產生a+cb+和a c+b的頻率共為2.0%；
　　雙交換a c+b+和a+cb的頻率共為0.03%?！?/span>

5． 噬菌體三基因雜交產生以下種類和數目的后代：

試問：（1）這一雜交中親本噬菌體的基因型是什么？
　?。?/span>2）基因次序如何？
　　（3）基因之間的圖距如何？
答：（1）這一雜交中親本基因型是+++和pqr；
　?。?/span>2）根據雜交后代中雙交換類型和親本基因型，便可推斷出基因次序為：qpr或rpq；
　?。?/span>3）基因之間的圖距：

pr之間的遺傳距離為18.3遺傳單位；pq之間的遺傳距離為13.6遺傳單位；因為有雙交換的存在，qr之間的遺傳距離為：28.9＋2×1.5=31.9遺傳單位。

6．試比較轉化、接合、轉導、性導在細菌遺傳物質傳遞上的異同。
答：這四種現象的相同之處是：都是細菌的遺傳物質DNA在不同的細菌細胞之間傳遞，從而使受體細胞遺傳物質發(fā)生重組。
　　不同之處是：轉化是裸露的DNA直接與處于感受態(tài)的細胞之間的互作，進入受體細胞，發(fā)生重組；接合是由于F因子的整合產生Hfr菌株，在F因子進行轉移時，供體菌遺傳物質也被帶入受體菌，實現重組；性導是Hfr菌株中F因子的錯誤環(huán)出，產生了攜帶有供體菌遺傳物質的F'因子，接合時隨F'因子的轉移而使供體菌遺傳物質導入到受體菌中；轉導是細菌的一段染色體被錯誤地包裝在噬菌體的蛋白質外殼內，并通過感染而轉移到另一個受體菌內。

7．7． 假定你證明對過去一個從未描述過的細菌種有遺傳重組，如使ab+菌株與a+b菌株混合培養(yǎng)，形成a+b+、ab的重組類型，試說明將采用哪種方式來確定這種重組是轉化、轉導還是接合的結果。
答：參照戴維斯的U型管試驗，將兩菌株放入培養(yǎng)，后代中發(fā)現如無重組類型，則該遺傳重組類型為接合產生的；后代中如有重組類型，可能是轉化或轉導產生的；可進一步試驗，在U型管中加入DNA酶，檢測后代有無重組，如無重組則為該類型為轉化產生的，如有則是轉導產生的。

8．在接合實驗中，Hfr菌株應帶有一個敏感的位點（如azis或strs），這樣，在發(fā)生接合后可用選擇培養(yǎng)基消除Hfr供體。試問這個位點距離Hfr染色體的轉移起點（O）應該遠還是近，為什么？
答：這個位點距離Hfr染色體的轉移起點（O）應該是遠。
　　因為如這個敏感位點距轉移起點（O）近情況下，Hfr菌株的基因從原點處開始進入受體菌，使得敏感位點較早地重組進受體菌中，在中斷雜交后，除去Hfr菌株的同時也除去了重組有敏感位點的重組個體，這樣就無法檢測敏感位點之后的基因重組距離了。

9.供體菌株為Hfr arg- leu+ aziS strS，受體菌株F- arg+ leu- aziR strS。為檢出和收集重組體F- arg+ leu+ aziR，應用下列哪一種培養(yǎng)基可以完成這一任務，為什么其它的培養(yǎng)基不可以？⑴. 基本培養(yǎng)基加鏈霉素，⑵. 基本培養(yǎng)基加疊氮化鈉和亮氨酸，⑶. 基本培養(yǎng)基加疊氮化鈉，⑷. 選擇培養(yǎng)基中不加精氨酸和亮氨酸，加鏈霉素，⑸. 基本培養(yǎng)基加鏈霉素和疊氮化鈉。
答：3號培養(yǎng)基合適，因為：1號培養(yǎng)基，所有菌株均為鏈霉素敏感，在該培養(yǎng)基中將抑制所有的菌株；2號培養(yǎng)基，無法區(qū)分重組體和受體菌；3號培養(yǎng)基，加疊氮化鈉可以抑制供體菌的生長，同時又不加亮氨酸，受體菌也無法生長；4號培養(yǎng)基中，加鏈霉素將抑制所有菌株；5號培養(yǎng)基，加鏈霉素也將將抑制所有菌。

10．大腸桿菌3個Hfr菌株利用中斷交配技術，分別與營養(yǎng)缺陷型F-菌株交配，獲得下表結果：

試利用上述資料建立一個大腸桿菌染色體圖，包括以min表示的圖距。并標出各Hfr菌株F因子的插入位點及轉移方向。
答：根據上表結果可知各基因位點在不同菌株中的排列順序：

11．利用大腸桿菌菌株雜交，一個是a+b+c-d+，另一個是a-b-c+d-。從重組體中選擇b+c+基因，而不選a及d的等位基因，當檢查b+c+時，大部分都是a-d-。試問：⑴.哪一個菌株是供體？⑵.從這個實驗可以得到什么結論？
答：（1）一般重組類型占比例比親本類型少，當檢查b+c+時，大部分都是a-d-，因此a-b-c+d-基因型為受體菌。
　　（2）本實驗說明了F因子插入位點位于b c 之前，而離ad較遠。

12．如果把一個大腸桿菌放在含λ的培養(yǎng)基上它并不裂解，你是否認為這個大腸桿菌是溶原性的？
答：這個原始大腸桿菌是溶原性的。
　　因為：當溶原性的大腸桿菌放入含λ噬菌體的培養(yǎng)基中時，由于大腸桿菌本身存在抗超數感染性質，因此不裂解；另外λ噬菌體是溫和性噬菌體，侵染大腸桿菌之后，進入溶原狀態(tài)，并不馬上走裂解途徑。

13．Hfr met+ thi+ pur+×F- met- thi- pur-雜交。中斷雜交試驗表明，met+最后進入受體。所以只在含thi和pur 的培養(yǎng)基上選擇met+接合后重組體。檢驗這些接合后體存在的thi+和pur+，發(fā)現各基因型個體數如下：

試問：（1）選擇培養(yǎng)基中為什么不考慮met? ???（2）基因次序是什么？
　　　　　（3）重組單位的圖距有多大？ ???（4）這里為什么不出現基因型met+ thi+ pur-的個體？
答：（1）因為met+最后進入受體，易于檢測出。 ?（2）基因次序是thi+ pur+ met+。
　　　?。?/span>3）重組單位的圖距是： ????（4）在三個位點間發(fā)生雙交換才有可能發(fā)生met+ thi+ pur-的個體，由

于中斷雜交的時間短或者所篩選的群體小，未能發(fā)現該個體。

14．大腸桿菌中3個位點ara、leu和ilvH是在1/2min的圖距內，為了確定三者之間的正確順序及圖距，用轉導噬菌體P1侵染原養(yǎng)型菌株ara+leu+ilvH+，然后使裂解物侵染營養(yǎng)缺陷型菌株ara-leu-ilvH-，對每個有選擇標記基因進行實驗，確定其未選擇標記基因的頻率，獲下表結果：

根據上表3個實驗結果，試說明：（1）三個基因間的連鎖順序如何？（2）這個轉導片段的大小。
答：⑴. 三個基因間的連鎖順序：由實驗1可知，ara基因距l(xiāng)eu基因近，而距ilvH基因遠；由實驗2可知，ilvH基因距ara基因近，而距l(xiāng)eu基因遠；由實驗3進一步驗證，ilvH基因與ara基因間，無leu基因。因此三個基因的連鎖順序為：
⑵. 這個轉導片段的大?。篿lvH基因與ara基因間的并發(fā)轉導中有1~5％，與leu基因間未發(fā)生過轉導，因此，這個轉導片段的大小是從ilvH位點到ara和leu位點之間。

15．肺炎雙球菌中基因型為strS mtl -（mtl +為發(fā)酵甘露醇（mannitol）的基因，mtl -不能發(fā)酵甘露醇）的細菌在一個試驗中由具有strRmtl + 的DNA進行轉化，在另一個試驗中由具有strRmtl -的以及具有strSmtl+的兩種DNA混合物進行轉化，其結果如下：

試問：（1） 上表中第一橫行所列結果說明了什么？為什么？
　?。?/span>2） 上表中第二橫行所列結果說明了什么？為什么？
答：⑴. strRmtl+的比例很小，說明這兩個位點的相距較遠。因為，DNA轉化只能以小片段的形式進入受體，距離遠的兩個基因同時位于同一個片段的機會小，并發(fā)轉化的機會也小。
⑵. 兩基因位于不同的片段上，并發(fā)轉化的概率是兩個位點單個轉化的概率的乘積，因此產生strRmtl+基因型的個體更少，且明顯少于共存于同一染色體上的兩個位點的共轉化。

16．在普遍性轉導中，供體大腸桿菌細胞的基因型是trpC+pyrF-trpA-，受體細胞的基因型是trpC-pyrF+trpA+。由P1噬菌體媒介轉導，對trpC+進行選擇，用選擇的細胞進一步檢查其它基因的轉導情況，得到以下的結果：

試問：（1）這3個基因的次序是什么？
答：⑴. 這3個基因的次序：
　　由上表可知，后代數目最少的基因型為trpC+ pyrF- trpA+，因為三個基因位點中，只有發(fā)生了雙交換的頻率是最少的，可以推斷基因順序為：trpC trpA pyrF；

17．大腸桿菌Hfr gal+lac+（A）與F-gal-lac-（B）雜交，A向B轉移gal+比較早而且頻率高，但是轉移lac+遲而且效率低。菌株B的gal+重組體仍舊是F-。從菌株A可以分離出一個變體叫做菌株C，菌株C向B轉移lac+早而且頻率高，但不轉移gal+。在C×B的雜交中，B菌株的lac+重組體一般是F+。問菌株C的性質是什么？
答：根據題意可推斷，Hfr菌株A是高頻同源重組菌株，F因子插入的位置是位于gal+lac+之間，且gal+基因靠近于F因子轉移的起點，lac+基因則相反，因此A向轉移gal+比較早而且頻率高，但是轉移lac+遲而且效率低。由于細菌染色體很長，一般容易中斷，很難轉移完整的一個F因子，因此，菌株B的gal+重組體仍為F-。
　　從菌株A的變體菌株C，可推斷為，由于lac+基因靠近F因子的另一端，F因子環(huán)出時錯誤地包裝了lac+基因而未包裹gal+基因，因此，C×B的雜交中，B菌株的lac+重組體一般是F+。菌株C向B轉移lac+早，而且頻率高，但不轉移gal+。

18．在大腸桿菌中發(fā)現了一個帶有麥芽糖酶基因（mal）的F'因子。將F'mal+引入F-mal-菌株。這樣所產生的細胞多數能轉移F'mal+到F-細胞中，偶然有些細胞可以從mal-基因開始把整個細菌染色體轉移到F-中。這些細胞可分為兩類：（a）轉移mal+很早，mal-很遲；（b）轉移mal-很早，mal+很遲。
　　畫出F'因子與染色體相互作用的圖，表明（a）型細胞最大的可能是如何產生的，（b）型細胞又是如何產生的。
答：有些細胞可以從mal-基因開始把整個細菌染色體轉移到F-中，那么這些細胞肯定是Hfr類型，假定F'因子帶有A、B、C、D四個區(qū)域，轉移切口（O）發(fā)生在C和D之間，mal+基因位于A與B之間，則（a）型細胞產生最大的可能是：F'mal+整合在細胞染色體上，位置恰好相鄰于mal-基因，而mal+基因緊挨著轉移切口位點，而mal-基因則相反，具體見下圖。

?

　　（b）型細胞產生最大的可能是：F'mal+先與細胞染色體上的mal-基因發(fā)生同源重組，產生F'mal-因子，該因子再與主染色體發(fā)生整合，位置同（a），具體過程見下圖。

第八章 基因表達與調控

1． 經典遺傳學和分子遺傳學關于基因的概念有何不同？
　　答：孟德爾把控制性狀的因子稱為遺傳因子；約翰生提出基因（gene）這個名詞，取代遺傳因子；摩爾根等對果蠅、玉米等的大量遺傳研究，建立了以基因和染色體為主體的經典遺傳學。
　　經典遺傳學認為：基因是一個最小的單位，不能分割；既是結構單位，又是功能單位。具體指：⑴. 基因是化學實體：以念珠狀直線排列在染色體上；⑵. 交換單位：基因間能進行重組，而且是交換的最小單位。⑶. 突變單位：一個基因能突變?yōu)榱硪粋€基因。⑷. 功能單位：控制有機體的性狀。
　　分子遺傳學認為：⑴. 將基因概念落實到具體的物質上，并給予具體內容：一個基因是DNA分子上的一定區(qū)段，攜帶有特殊的遺傳信息。⑵. 基因不是最小遺傳單位，而是更復雜的遺傳和變異單位：例如在一個基因區(qū)域內，仍然可以劃分出若干起作用的小單位。現代遺傳學上認為： ①．突變子：是在性狀突變時，產生突變的最小單位。一個突變子可以小到只有一個堿基對，如移碼突變。②．重組子：在性狀重組時，可交換的最小單位稱為重組子。一個交換子只包含一個堿基對。 ③．順反子：表示一個作用的單位，基本上符合通常所描的基因大小或略小，包括的一段DNA與一個多鏈的合成相對應，即保留了基因是功能單位的解釋。⑶. 分子遺傳學對基因概念的新發(fā)展：結構基因：指可編碼RNA或蛋白質的一段DNA序列。調控基因：指其表達產物參與調控其它基因表達的基因。重疊基因：指在同一段DNA順序上，由于閱讀框架不同或終止早晚不同，同時編碼兩個以上基因的現象。隔裂基因：指一個基因內部被一個或更多不翻譯的編碼順序即內含子所隔裂。跳躍基因：即轉座因子，指染色體組上可以轉移的基因。假基因：同已知的基因相似，處于不同的位點，因缺失或突變而不能轉錄或翻譯，是沒有功能的基因。
2.有一個雙突變雜合二倍體，其基因型是 + a // b + ，如果有互補作用表示什么？如果無互補作用，表示什么？
答：有互補作用：表示該表現型為野生型，a、b兩突變不是等位的，是代表兩個不同的基因位點。
　　無互補作用：表示該表現型為突變型，a、b兩突變是等位的，是代表同一個基因位點的兩個基因座。
3.用T4噬菌體一個特殊基因區(qū)的不同突變體研究互補作用，獲得下列資料。試根據這個資料判斷，本區(qū)應有幾個順反子？

+為互補，-為無互補；
答：從第一行可以看出，突變體1與突變體3、5、6不互補，隸屬于同一個基因位點，即為同一個順反子；而與突變體2、4不互補，不在同一個基因位點上；第三、五、六行則進一步驗證了第一行的推斷。
　　從第二、四行可以看出，突變體２、４不互補，隸屬于同一個基因位點，即為同一個順反子；而與突變體1、3、5、6互補，不在同一個基因位點上，即分屬于不同的順反子。結論：
　　本區(qū)共有兩個順反子，突變體1、3、5、6同屬于一個順反子；突變體2、4同屬于一個順反子。

4.舉例說明基因的微細結構是如何建立的。
答：以本澤爾利用經典的噬菌體突變和重組技術，對T4噬菌體rII區(qū)基因微細結構的分析為例。
　　原理：r+野生型T4噬菌體：侵染E. coli B株和K12株，形成的噬菌斑小而模糊；rII突變型T4噬菌體：只能侵染B株，不能侵染K12（λ）株，形成的噬菌斑大而清楚。
　　利用上述特點，讓兩個rII突變型雜交，接種K12（λ）株選擇重組體r+，計算出兩個r+ 突變座位間的重組頻率，具體過程見右圖。
　　重組值計算：

rxry的數量與r＋r＋相同，計算時r＋r＋噬菌體數×2?？梢垣@得小到0.001％，即十萬分之一的重組值。利用大量rⅡ區(qū)內二點雜交的結果，繪制出rⅡ區(qū)座位間微細的遺傳圖：

5.舉例說明基因是如何控制遺傳性狀表達的。
答：基因對于遺傳性狀表達的作用可分為直接與間接兩種形式。
(1)如果基因的最后產品是結構蛋白或功能蛋白，基因的變異可以直接影響到蛋白質的特性，從而表現出不同的遺傳性狀。例如人的鐮形紅血球貧血癥。紅血球碟形HbA型產生兩種突變體Hbs、Hbc紅血球鐮刀形。血紅蛋白分子有四條多肽鏈：兩條α鏈（141個氨基酸/條）、兩條β鏈（146個氨基酸/條）。HbA、Hbs、Hbc氨基酸組成的差異在于β鏈上第6位上氨基酸，HbA第6位為谷氨酸（GAA）、Hbs第6位為纈氨酸（GUA）、Hbc第6位為賴氨酸（AAA）。
　　基因突變會最終影響到性狀改變，產生貧血癥的原因：僅由單個堿基的突變，引起氨基酸的改變，導致蛋白質性質發(fā)生變化，直接產生性狀變化。由正常的碟形紅血球轉變?yōu)殓牭缎渭t血球，缺氧時表現貧血癥。
(2)更多的情況下，基因是通過酶的合成，間接影響生物性狀的表達，例如豌豆：圓粒（RR）×皺粒（rr）產生F1圓粒（Rr），自交產生F2，1/4表現為皺粒（rr）。rr的表現型為皺粒，是因為缺少一種淀粉分支酶（SBE）所致。SBE控制淀粉分支點的形成，rr豌豆的SBE不正常，帶有一段0.8kb的插入片段，結果形成異常mRNA，不能形成淀粉分支酶。在種子發(fā)育過程中，不能合成淀粉導致積累蔗糖和大量的水分。隨著種子的成熟，皺?；蛐停╮r）種子比圓粒基因型種子失水快，結果形成皺粒種子表現型。而F1圓粒（Rr）雜合體中，有一個正常的R基因，可以產生SBE酶，能夠合成淀粉，表現為圓粒。本例說明R與r基因控制豌豆子粒的性狀不是直接的，而是通過指導淀粉分支酶的合成間接實現的。

6.試說明正調控與負調控的區(qū)別。
答：轉錄水平的調控通?？蓺w為正調控與負調控兩種。正調控與負調控并非互相排斥的兩種機制，而是生物體適應環(huán)境的需要，有的系統既有正調控又有負調控。
　　正調控是經誘導物誘導轉錄的調控機制。誘導物通常與蛋白質結合，形成一種激活子復合物，與基因啟動子DNA序列結合，激活基因起始轉錄，使基因處于表達的狀態(tài)；負調控是細胞中阻遏物阻止基因轉錄過程的調控機制。阻遏物與DNA分子的結合，阻礙RNA聚合酶轉錄，使基因處于關閉狀態(tài)。
　　真核生物以正調控為主；原核生物以負調控為主。
　　降解代謝途徑中既有正調控又有負調控；合成代謝途徑中通常以負調控來控制產物自身的合成。

7.假設Ｒ基因編碼的蛋白質，是S基因轉錄的負調控子。試問 ⑴. 在R-突變體中S基因是否轉錄？⑵. 如果R基因產物是S基因轉錄的正調控子，結果又有什么不同？
答：(1)在R-突變體中S基因是否轉錄有兩種情況：如果S基因轉錄屬負調控系統，則在R-突變體中，S基因轉錄；如果S基因轉錄既有負調控又有正調控來共同控制，則該突變體中，盡管基因失活，如無正調控開啟，仍無法轉錄基因。
(2) 如果R基因產物是S基因轉錄的正調控子，則在該突變體中，R基因失活，則無正常的正調控因子，轉錄系統不開啟，基因S不轉錄。

8.試述乳糖操縱元模型。
答：1961年，Jacob F.和Monod J.的乳糖操縱元模型：乳糖操縱元闡述的是一個基因簇內結構基因及其調控位點的表達調控方式。包括編碼乳糖代謝酶的3個結構基因及其鄰近的調控位點，即一個啟動子和１個操縱子，還有位于上游的抑制基因。大腸桿菌乳糖代謝的調控需要三種酶參加：①.β-半乳糖酶由結構基因lacZ編碼，將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；②. 滲透酶由結構基因lacY編碼，增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖；③. 轉乙酰酶由結構基因lacA編碼，β-半乳糖轉變成乙酰半乳糖。三個結構基因受控于同一個調控系統，大量乳糖時，大腸桿菌三種酶的數量急劇增加，幾分鐘內達到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加；乳糖用完時，這三種酶的合成也即同時停止。
　　在乳糖操縱元中，lacI基因編碼一種阻遏蛋白，該蛋白至少有兩個結合位點，一個與DNA結合，另一個與乳糖結合。當沒有乳糖時，lacI基因產生的阻遏蛋白，結合在操縱子位點的DNA序列上，阻止RNA聚合酶起始轉錄結構基因。在有乳糖時，乳糖與阻遏蛋白結合，使其空間構型發(fā)生改變，而不能與操縱子DNA結合，這樣RNA聚合酶起始轉錄結構基因，產生乳糖代謝酶，開始代謝乳糖。因此乳糖操縱元是一種負調控機制。
9.指出下列每一種部分二倍體 ①. 是否合成β-半乳糖苷酶，②. 是誘導型還是組成型？（斜線左側是質粒基因型，右側是染色體基因型）
(1)lacZ＋lacY-/lacZ-lacY＋ ???(2)lacOClacZ-lacY＋/lacZ＋lacy-
(3)lacP-lacZ＋/lacOClacZ- ???(4)lacI＋lacP-lacZ＋/lacI-lacZ＋
答:⑴. lacZ+lacY-/lacZ-lacY+ 質粒DNA能合成β-半乳糖苷酶，是誘導型；
⑵. lacOClacZ-lacY+/lacZ+lacY- 染色體DNA能合成β-半乳糖苷酶，是誘導型；
⑶. lacP-lacZ+/lacOClacZ- 均不能合成β-半乳糖苷酶，是組成型；
⑷. lacI+lacP-lacZ+/lacI-lacZ+ 染色體DNA能合成β-半乳糖苷酶，是組成型。

10.試述色氨酸操縱元和阿拉伯糖操縱元模型。
答：色氨酸操縱元模型
　　由Jacob F.和Monod J.提出，是具有合成代謝途徑典型的操縱元模型。
色氨酸操縱元模型結構，5種結構基因trpE, D, C, B, A編碼色氨酸合成有關的5種酶；調控結構：啟動子、操縱子、前導序列、弱化子；阻遏物trpR基因：與trp操縱元相距較遠。大量色氨酸時，大腸桿菌5種酶的轉錄同時受到抑制；色氨酸不足時，這5種酶的基因開始轉轉錄。色氨酸：作為阻遏物而不是誘導物參與調控結構基因的轉錄，因此，trp操縱元是一個典型的可阻遏的操縱元模型（repressible operon）。包括有兩類調控機理：
(1).阻遏調控
trpR基因編碼無輔基阻遏物，與色氨酸結合，產生有活性的色氨酸阻遏物，與操縱子結合，阻止轉錄；色氨酸不足，阻遏物三維空間結構發(fā)生變化，不能與操縱子結合，操縱元開始轉錄；色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結合，空間結構發(fā)生變化，可與操縱子結合，阻止轉錄；
(2).弱化子調控
　　前導序列可翻譯出一段14個氨基酸的短肽，在該短肽的第10，11位置上是兩個色氨酸的密碼子；兩個密碼子之后是一段mRNA序列，該序列可分為四個區(qū)段，區(qū)段間可互補配對，形成不同的二級結構。原核生物具有邊轉錄邊翻譯的特點，前導序列中，核糖體位置將決定形成哪種二級結構，從而決定弱化子是否可形成終止信號。①. 當有色氨酸時，可完整地翻譯出短肽，核糖體停留在終止密碼子處，鄰近區(qū)段2位置，阻礙了2，3配對，使3，4區(qū)段配對形成發(fā)夾結構終止子，RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動。②. 如缺乏色氨酸，核糖體到達色氨酸密碼子時，由于沒有色氨酰tRNA的供應，停留在氨酸密碼子位置，位于區(qū)段1，使區(qū)段2與區(qū)段3配對，區(qū)段4無對應序列配對呈單鏈狀態(tài)，RNA聚合酶順利弱化子，繼續(xù)向前移動，轉錄出完整的多順反子序列。
阿拉伯糖操縱元模型
　　阿拉伯糖操縱元是控制分解代謝途徑的另一調控系統。其特點是調節(jié)蛋白既可以起正調控作用，又可以起負調控作用。
　　組成結構包括3個結構基因B、A、D和三個調控位點R、O、I，其中R是araC基因編碼調節(jié)蛋白AraC蛋白，O包括兩部分，O1不參與調控、O2是AraC蛋白負調控結合位點，I是調節(jié)位點，CAP-cAMP復合物結合位點，AraC蛋白正調控結合位點。
　　調控調控機理：誘導物阿拉伯糖和cAMP同時存在，阿拉伯糖與araC蛋白復合物結合在Ｉ位點，CAP-cAMP復合物結合I位點，基因轉錄開啟。在沒有誘導物阿拉伯糖和cAMP時，AraC蛋白同時與I和O2結合，DNA構型發(fā)生改變，形成一個緊密的環(huán)結構，抑制表達。

11. 舉例說明阻遏物與無輔基阻遏物的區(qū)別。
?答：阻遏物一般出現在代謝調控途徑中，而無輔基阻遏物則出現合成途徑中的調控。兩者具有明顯不同的調控機理：
　　阻遏物：如在乳糖操縱子模型中的阻遏蛋白，由lacI基因編碼，該蛋白至少有兩個結合位點，一個與DNA結合、另一個與乳糖結合。當沒有乳糖時，lacI基因產生的阻遏蛋白，結合在操縱子位點的DNA序列上，阻止RNA聚合酶起始轉錄結構基因。在有乳糖時，乳糖與阻遏蛋白結合，使其空間構型發(fā)生改變，而不能與操縱子DNA結合，這樣RNA聚合酶起始轉錄結構基因，產生乳糖代謝酶，開始代謝乳糖。
　　無輔基阻遏物：如在色氨酸操縱元模型中，trpR基因編碼無輔基阻遏物，與色氨酸結合，產生有活性的色氨酸阻遏物，與操縱子結合，阻止轉錄；色氨酸不足，阻遏物三維空間結構發(fā)生變化，不能與操縱子結合，操縱元開始轉錄；色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結合，空間結構發(fā)生變化，可與操縱子結合，阻止轉錄；

12. 說明下例每種酵母菌單倍體細胞的交配型表型。
(1)一個基因型為MATa MATα交配型基因的重復突變體。 　(2)一個MATa細胞中HMLα盒的缺失突變體。
答：(1)在這個重復突變體中，MATa基因可以通過HMLα沉默子的同源重組，而轉變成MATα，形成2份MATα交配型基因，表現為交配型α。同樣，突變體中MATα可通過HMRa盒的同源重組作用，轉變成MATa交配型基因，表現為交配型a。
(2)交配基因型MATa向MATα的轉變，必須通過細胞中HMLα盒的同源重組才能產生，而HMLα盒的缺失則阻斷了這一過程，因此該交配型表型只能為a型。

13. 舉例說明激素對基因表達的調控作用。
答：雙翅目昆蟲幼蟲唾腺細胞內有巨大的唾腺染色體，在幼蟲發(fā)育的不同階段，一至數個橫紋帶發(fā)生疏松（puff），即染色質線高度松散。疏松區(qū)出現大量的新合成的mRNA，疏松區(qū)出現的時間和部位隨著發(fā)育階段而順序消長。以果蠅唾腺染色體為例：三齡前期，第三染色體不出現疏松區(qū)；三齡后期，74區(qū)EF段、75區(qū)B段、78區(qū)D段出現疏松區(qū)；前蛹期，以上三個疏松區(qū)消失，71區(qū)C-E段出現疏松區(qū)；成蛹期，71區(qū)C-E段出現疏松區(qū)消失，74區(qū)EF段、75區(qū)B段又出現疏松區(qū)；以上說明74區(qū)EF段、75區(qū)B段基因與幼蟲的蛻皮和化蛹有關。
, 　　74區(qū)EF段、75區(qū)B段在幼蟲蛻皮時發(fā)生疏松是和幼蟲體內分泌蛻皮激素有關。蛻皮激素是一種類固醇（steroid）化合物，由幼蟲前胸腺分泌，傳送到蟲體各部分，引發(fā)74區(qū)EF段、75區(qū)B段的基因轉錄，導致幼蟲蛻皮。胸腺結扎試驗，說明了蛻皮激素對唾腺染色體的疏松區(qū)開啟的作用。在三齡早期用尼龍繩將唾腺部分緊緊扎起，結果被結扎的前半部分受到蛻皮激素的作用，提前化蛹，而后半部分仍為幼蟲。唾腺細胞檢查發(fā)現，前半部分唾腺細胞中第三染色體上74區(qū)EF段、75區(qū)B段、78區(qū)D段出現疏松，而后半部分唾腺細胞中第三染色體上相應部位沒有出現疏松。說明蛻皮激素引起這些部位基因的活性。
　　類固醇是疏水性強的化合物，可經擴散通過質膜進入細胞。在細胞內類固醇與其受體結合成二聚體，這種二聚體一旦與目的基因啟動子結合，就可直接啟動目的基因的轉錄。