基因表达（gene expression）：是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA的编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。基因表达的调控是在多极水平上进行的，转录水平是基因表达的基本控制点。
基因表达的时间特异性（temporal specificity）：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。
基因表达的空间特异性（spatial specificity）：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（cell specificity）或组织特异性（tissue specificity）。
基因表达的方式有
（1）组成性表达。
管家基因（ho usekeeping gene）：有些基因产物对生命过程是必需的且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达或变化很小的基因。⑴组成性基因表达（constitutive gene expression）：指管家基因的表达，又称基本的基因表达，只受启动序列或启动子与RNApol抑制作用的影响。⑵诱导表达（induction expression）和阻遏表达（repression expression）：有一些基因表达极易受环境变化的影响，在特定的环境信号刺激下，相应基因的表达表现为开放或增强，这种表达方式称诱导表达；相反有些基因的表达表现为关闭或下降，这种表达方式称阻遏表达。
原核生物基因表达的调控
原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。 基因表达调控的基本原理是1.基因表达子多极调控2.基因转录激活调节基本要素（1）特异DNA序列，主要指具有调节功能的DNA序列，把可影响自身基因表达活性的DNA序列称为顺式作用元件。根据作用性质和后式分为启动子，增强子和沉默子。（2）调节蛋白：分三大类①决定RNApol对启动序列的特异性识别和结合能力的顺式作用元件的特异因子。原核基因转录调节具有如下特点，1.σ因子决定RNApol识别的特异性，不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。2.操种子模型的普遍性，一个操重子只含有一个启动序列及数个可转录的编码基因。3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。
转录水平的调控
原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同RNA聚合酶结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。
乳糖操纵子调控的机制E.coli的乳糖操纵子（lac operon）有三个结构基因Z、Y、A，分别编码β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、透酶（permease）和半乳糖苷乙酰化酶（galactoside acetylase）,其上游还有一个启动序列(P)和一个操纵基因(O)。在启动序列上游还有一个CAP蛋白的结合位点。由启动子、操纵基因和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。1.I基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相同。在没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有部分重叠，阻遏蛋白与操纵基因结合后，抑制了RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制结构基因的转录。偶有阻遏蛋白与操纵基因解聚，因此每个细胞中可能会有寥寥几个半乳糖苷酶、透酶生成。
当有乳糖存在时，该操纵子即可被诱导。乳糖经透酶作用进入细胞，再经已存在的β-半乳糖苷酶催化，转变成半乳糖。后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，导致阻遏蛋白与操纵基因解聚，引起结构基因的转录。异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一种作用极强的诱导剂，不能被细菌代谢，因此被实验室广泛应用。2.在lac操纵子中，RNA聚合酶与lac启动子结合的能力很弱，只有CAP结合到启动子上游的CAP结合位点后，促进RNA聚合酶与启动子结合，才能有效转录。乳糖操纵子的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种调控因子来控制的。在这种调控作用中。CAP起正调控作用。CAP和阻遏蛋白这两种因素，可因葡萄糖和乳糖存在与否而有4 种不同的组合。
⑴葡萄糖存在、乳糖不存在：此时无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合。而且由于葡萄糖的存在，CAP也不能发挥正调控作用，基因处于关闭状态。
⑵葡萄糖和乳糖都不存在：在没有葡萄糖存在的情况下，CAP可以发挥正调控作用。但由于没有诱导剂，阻遏蛋白负调控作用使基因仍然处于关闭状态。
⑶葡萄糖和乳糖都存在：乳糖的存在对基因的转录产生诱导作用。但由于葡萄糖的存在使细胞内cAMP水平降低，cAMP-CAP复合物不能形成，CAP不能结合到CAP结合位点上，转录仍不能启动，基因处于关闭状态。
⑷葡萄糖不存在、乳糖存在：此时CAP可以发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。3.协调调节：阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作，当乳糖操纵子的强的诱导作用即需要乳糖存在，又需要缺乏葡萄糖。4.原核特异基因除操纵子转录起始调节尚有其他特异调节机制。
基因表达（gene expression）：是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。并非所有基因表达过程都产生蛋白质，rRNA、tRNA的编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。基因表达的调控是在多极水平上进行的，转录水平是基因表达的基本控制点。
基因表达的时间特异性（temporal specificity）：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，这就是基因表达的时间特异性。
基因表达的空间特异性（spatial specificity）：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性。基因表达伴随时间或阶段顺序所表现出的这种空间分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，因此基因表达的空间特异性又称细胞特异性（cell specificity）或组织特异性（tissue specificity）。
基因表达的方式有
（1）组成性表达。
管家基因（ho usekeeping gene）：有些基因产物对生命过程是必需的且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达或变化很小的基因。⑴组成性基因表达（constitutive gene expression）：指管家基因的表达，又称基本的基因表达，只受启动序列或启动子与RNApol抑制作用的影响。⑵诱导表达（induction expression）和阻遏表达（repression expression）：有一些基因表达极易受环境变化的影响，在特定的环境信号刺激下，相应基因的表达表现为开放或增强，这种表达方式称诱导表达；相反有些基因的表达表现为关闭或下降，这种表达方式称阻遏表达。
原核生物基因表达的调控
原核生物基因表达的调控主要是在转录水平其次是翻译水平进行。 基因表达调控的基本原理是1.基因表达子多极调控2.基因转录激活调节基本要素（1）特异DNA序列，主要指具有调节功能的DNA序列，把可影响自身基因表达活性的DNA序列称为顺式作用元件。根据作用性质和后式分为启动子，增强子和沉默子。（2）调节蛋白：分三大类①决定RNApol对启动序列的特异性识别和结合能力的顺式作用元件的特异因子。原核基因转录调节具有如下特点，1.σ因子决定RNApol识别的特异性，不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA和tRNA基因的转录。2.操种子模型的普遍性，一个操重子只含有一个启动序列及数个可转录的编码基因。3.阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。
转录水平的调控
原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同RNA聚合酶结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。
乳糖操纵子调控的机制E.coli的乳糖操纵子（lac operon）有三个结构基因Z、Y、A，分别编码β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、透酶（permease）和半乳糖苷乙酰化酶（galactoside acetylase）,其上游还有一个启动序列(P)和一个操纵基因(O)。在启动序列上游还有一个CAP蛋白的结合位点。由启动子、操纵基因和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。1.I基因是调节基因，编码产生阻遏蛋白。阻遏蛋白为四聚体，每个亚基相同。在没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有部分重叠，阻遏蛋白与操纵基因结合后，抑制了RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制结构基因的转录。偶有阻遏蛋白与操纵基因解聚，因此每个细胞中可能会有寥寥几个半乳糖苷酶、透酶生成。
当有乳糖存在时，该操纵子即可被诱导。乳糖经透酶作用进入细胞，再经已存在的β-半乳糖苷酶催化，转变成半乳糖。后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，导致阻遏蛋白与操纵基因解聚，引起结构基因的转录。异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）是一种作用极强的诱导剂，不能被细菌代谢，因此被实验室广泛应用。2.在lac操纵子中，RNA聚合酶与lac启动子结合的能力很弱，只有CAP结合到启动子上游的CAP结合位点后，促进RNA聚合酶与启动子结合，才能有效转录。乳糖操纵子的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种调控因子来控制的。在这种调控作用中。CAP起正调控作用。CAP和阻遏蛋白这两种因素，可因葡萄糖和乳糖存在与否而有4 种不同的组合。
⑴葡萄糖存在、乳糖不存在：此时无诱导剂存在，阻遏蛋白与DNA结合。而且由于葡萄糖的存在，CAP也不能发挥正调控作用，基因处于关闭状态。
⑵葡萄糖和乳糖都不存在：在没有葡萄糖存在的情况下，CAP可以发挥正调控作用。但由于没有诱导剂，阻遏蛋白负调控作用使基因仍然处于关闭状态。
⑶葡萄糖和乳糖都存在：乳糖的存在对基因的转录产生诱导作用。但由于葡萄糖的存在使细胞内cAMP水平降低，cAMP-CAP复合物不能形成，CAP不能结合到CAP结合位点上，转录仍不能启动，基因处于关闭状态。
⑷葡萄糖不存在、乳糖存在：此时CAP可以发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。3.协调调节：阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作，当乳糖操纵子的强的诱导作用即需要乳糖存在，又需要缺乏葡萄糖。4.原核特异基因除操纵子转录起始调节尚有其他特异调节机制。
1.转录衰减，如
色氨酸操纵子的调控机制E.coli的色氨酸操纵子（trp operon）有五个结构基因，E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸。上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成。R基因是调节基因，编码阻遏蛋白。Trp操纵子是一阻遏型操纵子，无色氨酸时，阻遏蛋白不能与操纵基因结合，对转录无抑制作用；细胞内有较大量的色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸形成复合物后能与操纵基因结合，抑制转录。
Trp操纵子的另一个调控方式是衰减（attenuation）机制调节。衰减子位于结构基因E和操纵基因（O）之间的L基因中。大肠杆菌在无色氨酸的环境下，L基因和结构基因能转录产生具有6700个核苷酸的全长多顺反子mRNA，当细胞内色氨酸增多时，结构基因转录受到抑制，但L基因转录的前导mRNA（140个核苷酸）并没有减少，这部分转录物称为衰减子转录物。衰减子转录物中具有4段特殊的序列，片段1和2、2和3、3和4能配对形成的发夹结构，而形成发夹能力的强弱依次为片段1/2<片段2/3<片段3/4。片段3和4所形成的发夹结构之后紧接着寡尿嘧啶，是不依赖于ρ因子的转录终止信号。这4 个片段形成何种发夹结构，是由L基因转录物的翻译过程所控制的L基因的部分转录产物（含片段1）编码14个氨基酸，其中含有两个相邻的色氨酸密码子。这两个相邻的色氨酸码子以原核生物中转录与翻译的偶联是产生衰减作用的基础。L基因转录不久核糖体就与mRNA结合，并翻译L短肽序列。细胞内有色氨酸时，形成色氨酸-tRNA，核糖体翻译可通过片段1，并通过片段2。因遇到翻译终止密码，核糖体在到达片段3之前便从mRNA上脱落。在这种情况下，片段1/2和片段2/3之间都不能形成发夹结构，而只有片段3/4形成发夹结构，即形成转录终止信号，从而导致RNA聚合酶作用停止。如果细胞内没有色氨酸时，色氨酰-tRNA缺乏，核糖体就停止在两个相邻的色氨酸密码的位置上，片段1和2之间不能形成发夹结构，片段2和3之间可形成发夹结构，则片段3/4就不能形成转录终止信号，后面的基因得以转录。
色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可发起双重负调节作用。衰减子可能比操纵基因更灵敏，只要色氨酸一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结合操纵基因，就足可以使大量的mRNA提前终止。反之，当色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏作用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻止转录。这样可以保证尽可能充分地消耗色氨酸，使其合成维持在满足需要的水平，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，这种机制也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。
色氨酸操纵子L基因的翻译产物中具有相邻的色氨酸残基这一现象，在具有衰减调节作用的pheA,his,leu,thr等操纵子中也存在。特别是在his操纵子中，衰减子是唯一的控制机构。
2.基因重组：沙门菌鞭毛素基因H2启动序列同时启动H2及一种阻遏蛋白的表达，阻遏蛋白可阻遏H1的表达。Hin基因编码一种重组酶可催化H2启动序列与hin基因倒位，发生基因重组，结果使启动序列方向改变，H2及阻遏蛋白表达关闭，H1表达。3.通常SOS基因处于阻遏状态，有紫外线照射时，SOS基因去阻遏，修复酶及相关蛋白质表达，急救修复损伤的DNA。
真核基因转录调节
真核生物基因表达的调控环节较多，在DNA水平可通过染色质丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化以及染色质结构改变影响基因表达；在转录水平则主要通过反式作用因子的作用调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合以及转录起始复合物的形成；在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达；影响翻译水平的因素有影响翻译起始的阻遏蛋白、5＇AUG、5＇端非编码区的长度等，有mRNA的稳定性调节，另外还存在小分子反义RNA对翻译的调控；翻译后蛋白质的修饰和定位亦是基因表达调控的一个重要环节。这里仅对真核基因调控特点及mRNA转录激活调节加以介绍。
真核基因调控
同原核一样，转录起始仍是真核基因表达调控的最基本环节，而且某些机制是一样的。但在下述方面与原核存在明显差别。
1.RNA聚合酶：真核RNA聚合酶有三种，即RNA-polⅠ、Ⅱ及Ⅲ，分别负责三种RNA转录。细菌的RNA-pol识别的是一段DNA序列，而真核生物的RNA-pol识别的不是单纯的DNA序列，而是一个由通用转录因子与DNA形成的蛋白质- DNA复后物。真核细胞的RNA-pol，不能训别纯化的DNA上的启动子，只有当一个或多个转录因子（transcription factor,TF）结合到DNA上形成功能性的启动子，才能被RNA-pol识别与结合。
真核生物的RNA-polⅠ、Ⅱ、Ⅲ，识别不同的启动子，需要不同的TF：TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ。
2.活性染色体结构变化
当基因被激活时，可观察到染色体相应区域发生某些结构和性质变化。（1）对核酸酶敏感活化基因一个明显特性是对核酸酶极度敏感，当用DNaseⅠ处理时染色质DNA会也现一些DNaseⅠ超敏位点（hypersnsitive site）。超敏位点常发生在基因的5＇侧翼区（5＇flanking region）、3＇侧翼区（3＇flanking region）甚至可转录区内，具体也现在调节蛋白结合位点附近。对DNaseⅠ敏感状态的出现是转录所必需的，但它并不是只在转录进行时才存在，所以可以认为，DNaseⅠ敏感状态是转录的必要条件而不是充分条件。（2）DNA拓扑结构变化：当基因活化时，RNA聚合酶前方的转录区DNA拓扑结构为正性超螺旋构象，而在其后面的DNA则为负性超螺旋构象。负性超螺旋构象有利于核小体结构的再形成，而正性超螺旋构象不仅阻碍核小体结构形成，而且促进组蛋白H2A•H2B二聚体的释放，使RNA聚合酶有可能向前移动，进行转录。
（3）DNA甲基化修饰在真核生物基因表达调控中，甲基化起着重要作用。一般认为，DNA甲基化范围与基因表达程度呈反比关系。甲基化程度高，基因的表达则降低；去甲基化，又可使基因表达增加。这种甲基化最常发生在某些基因的5＇侧翼区的CpG序列（又称“CpG岛”），处于转录活化状态的基因CpG序列一般是低甲基化的。（4）组蛋白变化其中包括①富含Lys组蛋白水平降低：亦即H1样组蛋白减少，并伴有DNA形成30nm纤维束能力降低。②H2A•H2B二聚体不稳定性增加：易于从核心组蛋白中被置换出来。③组蛋白修饰：最常见的修饰有乙酰化、泛素化，修饰后使核小体结构变得不稳定。④H3组蛋白巯基暴露：系核小体结构变化引起。
3.正性调节占主导：真核基因组结构庞大，在不适当位点出现特异结合序列机会增多，正性调节大多数基因不结合调节蛋白，只要细胞表达一组激活蛋白时，相关靶基因即可被激活。
4.转录与翻译分隔进行
真核细胞核及胞浆等区间分布，转录与翻译在不同亚细胞结构进行。
5.转录后修饰、加工
鉴于真核基因结构特点，转录后剪接及修饰等过程比原核复杂。
真核基因转录激活调节
1.顺式作用元件
启动子：真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件（module），每一组件含7~20bp的DNA序列。启动子包括至少一个转录起始点，以及一个以上的功能组件。在这些功能组件中最具有典型意义的就是TATA盒，TATA盒通常位于转录起点上游-25~30bp,控制转录起始的准确性及频率。典型的启动子则TATA盒及上游的CAAT盒和（或）GC盒组成，这类启动子通常具有一个转录起点及较高的转录活性。然而，还有很多启动子并不含TATA盒，这类启动子分为两类：一类这富含GC的启动子，最初发现于一类管家基因，这类启动子一个或上离的转录起始点；另一类启动子既不含TATA盒，也没有GC富含区，这类启动子可有一个或多个转录起始点，但多数转录活性很低或根本没有转录活性，而是在胚胎发育、组织分化或再生过程中受调节。增强子：谓增强子就是远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异表达、增强启动子转录活性的DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。从功能上讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。
沉默子：某些基因含有负性调节元件——沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对其因转录起阻遏作用。
2.反式作用因子： 转录调节因子简称转录因子。按功能特性可将其分为两类：①基本转录因子是RNA聚合酶结合启动子所必须的一组蛋白因子，决定三种RNA（tRNA，mRNA，rRNA）转录的类别。②特异转录因子为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达，故称特异转录因子。此类转录因子有的起转录激活作用，有的起转录抑制作用。
所有转录因子至少包括两个不同的结构域：DNA结合域和转录激活域；此外，很多转录因子还包含一个介导蛋白质-蛋白质相互作用的结构域，最常见的是二聚化结构域。①DNA结合域通常由60~100个氨基酸残基组成。最常见的DNA结合域结构形式是锌指。类似的碱性DNA结合域多见于碱性亮氨酸拉链和碱性螺旋-环-螺旋。②转录激活域——由30~100氨基酸残基组成。根据氨基酸组成特点，转录激活域又有酸性激活域、谷氨酰胺富含区域及脯氨酸富含区域。③二聚化结构域——二聚化作用与亮氨酸拉链、碱性螺旋-环-螺旋结构有关。
mRNA转录激活及其调节
真核RNA聚合酶Ⅱ不能单独识别、结合启动子，而是先由基本转录子TFIID组成成分TATA结合蛋白（TBP）识别TATA盒或启动元件，并有TBP相关因子（TBP-associated factors，TAF）参与结合，形成TFIID-启动子复合物；继而在TFIIA-F等参与下，RNA聚合酶Ⅱ与TFIID、TFIIB聚合，形成一个功能性的前起始复合物PIC。在几种基本转录因子中，TFIID是唯一具有位点特异的DNA结合能力的转录因子，在上述有序的组装过程起关键性指导作用。这样形成的前起始复合物尚不稳定。也不能有效地起动mRNA转录。在迂回折叠的DNA构象中，结合了增强子的转录激活因子与前起始复合物中的TFIID接近。或通过TAF与TFIID联系，形成稳定的转录起始复合物。此时RNA聚合酶II才能真正启动mRNA的转录。TAF也是细胞特异的转录相应基因，与转录激活因子共同决定组织特异性转录。
