醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)/基因的表達(dá)
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所謂基因表達(dá)(geneexpression)是指細(xì)胞在生命過程中,把儲(chǔ)存在DNA順序中遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯,轉(zhuǎn)變成具有生物活性的蛋白質(zhì)分子.生物體內(nèi)的各種功能蛋白質(zhì)和酶都是同相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基因編碼的(圖3-5)。
1.轉(zhuǎn)錄過程 在RNA聚合酶的催化下,以DNA為模板合成mRNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄(transcription).在雙鏈DNA中,作為轉(zhuǎn)錄模板的鏈稱為模板鏈(template strand),或反義鏈(antisensestrand);而不作為轉(zhuǎn)錄模板的鏈稱為編碼鏈(codingstrand),或有義鏈(sense strand).在雙鏈DNA中與轉(zhuǎn)錄模板互補(bǔ)的一條DNA鏈即編碼鏈,它與轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的差異僅在于DNA中T變?yōu)镽NA中的U.在含許多基因的DNA雙鏈中,每個(gè)基因的模板鏈并不總是在同一條鏈上,亦即一條鏈可作為某些基因的模板鏈的,也可是另外一些基因的編碼鏈。
轉(zhuǎn)錄后要進(jìn)行加工,轉(zhuǎn)錄后的加工包括：
（1）剪接：一個(gè)基因的外顯子和內(nèi)含子都轉(zhuǎn)錄在一條原始轉(zhuǎn)錄物RNA分子中，稱為前mRNA(pre-mRNA)，又稱核內(nèi)異質(zhì)RNA（heterogenuous nuclear RNA,huRNA）。因此前mRNA分子既有外顯子順序又有內(nèi)含子順序，另外還包括編碼區(qū)前面及后面非翻譯順序。這些內(nèi)含子順序必須除支而把外顯子順序連接起來，才能產(chǎn)生成熟的有功能的mRNA分子，這個(gè)過程稱為RNA剪接（RNasplicing）。剪切發(fā)生在外顯子的3’末端的GT和內(nèi)含子3’ 末端與下一個(gè)外顯子交界的AG處。
（2）加帽：幾乎全部的真核 mRNa 端都具“帽子”結(jié)構(gòu)。雖然真核生物的mRNA的轉(zhuǎn)錄以嘌呤核苷酸三磷酸（pppAG或pppG）領(lǐng)頭，但在5’端的一個(gè)核苷酸總是7-甲基鳥核苷三磷酸（m7GpppAGpNp）。mNRA5’端的這種結(jié)構(gòu)稱為帽子（cap）。不同真核生物的mRNA具有不同的帽子。
mRNA的帽結(jié)構(gòu)功能：①能被核糖體小亞基識(shí)別，促使mRNA和核糖體的結(jié)合；②m7Gppp結(jié)構(gòu)能有效地封閉RNa 5’末端，以保護(hù)mRNA免疫5’核酸外切酶的降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定
（3）加尾：大多數(shù)真核生物的mRNA 3’末端都有由100~200個(gè)A組成的Poly（A）尾巴。Poly(A)尾不是由DNA編碼的，而是轉(zhuǎn)錄后的前mRNA以ATP為前體，由RNA末端腺苷酸轉(zhuǎn)移酶，即Ploy(A)聚合酶催化聚合到3’末端。加尾并非加在轉(zhuǎn)錄終止的3’末端，而是在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3’末端，由一個(gè)特異性酶識(shí)別切點(diǎn)上游方向13~20堿基的加尾識(shí)別信號AAUAAA以及切點(diǎn)下游的保守順序GUGUGUG，把切點(diǎn)下游的一段切除，然后再由Poly(A)聚合酶催化，加上Poly(A)尾巴，如果這一識(shí)別信號發(fā)生突變，則切除作用和多聚腺苷酸化作用均顯著降低（圖3-5）。
圖3-5 真核生物結(jié)構(gòu)基因表達(dá)（DNA→RNA→蛋白質(zhì)）流程圖
mRNAPoly(A)尾的功能是：①可能有助mRNA從核到細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)；②避免在細(xì)胞中受到核酶降解，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定性。
2．翻譯過程 真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄以及加工都是細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，但翻譯過程則在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。
以mRNA作為模板，tRNA作為運(yùn)載工具，在有關(guān)酶、輔助因子和能量的作用下將活化的氨基酸在核糖體（亦稱核蛋白體）上裝配為蛋白質(zhì)多肽鏈的過程，稱為翻譯（translation）,這一過程大致可分為3個(gè)階段?。▓D3-6）：
（1）肽鏈的起始：在許多起始因子的作用下，首先是核糖體的小亞基和mRNA上的起始密碼子結(jié)合，然后甲酰甲硫氨酰tRNA(tRNA fMet)結(jié)合上去，構(gòu)成起始復(fù)合物。通過tRNA的反密碼子UAC，識(shí)別mRNA上的起始密碼子AUG，并相互配對，隨后核糖體大亞基結(jié)合到小亞基上去，形成穩(wěn)定的復(fù)合體，從而完成了起始的作用。］
（2）肽鏈的延和長：核糖體上有兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)——P位和A位，可以同時(shí)結(jié)合兩個(gè)氨酰tRNA。當(dāng)核糖體沿著mRNA從5’→3’移動(dòng)時(shí)，便依次讀出密碼子。首先是tRNAfMet結(jié)合在P位，隨后第二個(gè)氨酰tRNA進(jìn)入A位。此時(shí)，在肽基轉(zhuǎn)移酶的催化下，P位和A位上的2個(gè)氨基酸之間形成肽鍵。第一個(gè)tRNA失去了所攜帶的氨基酸而從P位脫落，P位空載。A位上的氨酰tRNA在移
圖3-6 翻譯過程（蛋白質(zhì)合成）圖解
位酶和GTP的作用下，移到P位，A位則空載。核糖體沿mRNA 5’端向3’端移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離。第三個(gè)氨酰tRNA進(jìn)入A位，與P位上氨基酸再形成肽鍵，并接受P位上的肽鏈，P位上tRNA釋放，A位上肽鏈又移到P位，如此反復(fù)進(jìn)行，肽鏈不斷延長，直到mRNA的終止密碼出現(xiàn)時(shí)，沒有一個(gè)氨酰tRNA可與它結(jié)合，于是肽鏈延長終止。
（3）肽鏈的終止：終止信號是mRNA上的終止密碼子（UAA、UAG或UGA）。當(dāng)核糖體沿著mRNA移動(dòng)時(shí)，多肽鏈不斷延長，到A位上出現(xiàn)終止信號后，就不再有任何氨酰tRNA接上去，多肽鏈的合成就進(jìn)入終止階段。在釋放因子的作用下，肽酰tRNA的的酯鍵分開，于是完整的多肽鏈和核糖體的大亞基便釋放出來，然后小亞基也脫離mRNA.
（4）翻譯后加工（postranslational processing）：從核糖體上釋放出來的多肽需要進(jìn)一步加工修飾才能形成具有生物活性的蛋白質(zhì)。翻譯后的肽鏈加工包括肽鏈切斷，某些氨基酸的羥基化、磷酸化、乙酰化、糖基化等。真核生物在新生手肽鏈翻譯后將甲硫氨酸裂解掉。有一類基因的翻譯產(chǎn)物前體含有多種氨基酸順序，可以切斷為不同的蛋白質(zhì)或肽，稱為多蛋白質(zhì)（polyprotein）。例如胰島素（insulin）是先合成86個(gè)氨基酸的初級翻譯產(chǎn)物，稱為胰島素原（proinsulin），胰島素原包括A、B、C三段，經(jīng)過加工，切去其中無活性的C肽段，并在A肽和B肽之間形成二硫鍵，這樣才得到由51個(gè)氨基酸組成的有活性的胰島素。
3．外顯子與內(nèi)含子表達(dá)過程中的相對性 從內(nèi)含子與外顯子的定義來看，兩者是不能混淆的，但是真核生物的外顯子也并非都“顯”（編碼氨基酸），除了tRNA基因和rRNA基因的外顯子完全“不顯”之外，幾乎全部的結(jié)構(gòu)基因的首尾兩外顯子都只有部分核苷酸順序編碼氨基酸，還有完全不編碼基酸的外顯子，如人類G6PD基因的第一外顯子核苷酸順序。
現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因的外顯子可以是另一基因的內(nèi)含子，所這亦然。以小鼠的淀粉酶基因?yàn)槔?，來源于肝的與來源于唾液腺的是同一基因。淀粉酶基因包括4個(gè)外顯子，肝生成的淀粉酶不保留外顯子1，而唾液腺中的淀粉酶則保留了外顯子1的50bp順序，但把外顯子2與前后兩段內(nèi)含子一起剪切掉，經(jīng)過這樣剪接，外顯子2就變成唾液淀粉酶基因中的內(nèi)含子。
4．同一基因在不同組織能生成不同的基因產(chǎn)物 來源于不同組織的類似蛋白，可以由同一基因編碼產(chǎn)生，這種現(xiàn)象首先是由于基因中的增強(qiáng)子等有組織特異性，它能與不同組織中的組織特異因子結(jié)合，故在不同組織中同一基因會(huì)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)錄物與轉(zhuǎn)錄后加工作用。此外真核生物基因可有一個(gè)以一的poly(A)位點(diǎn)，因此能在不同的細(xì)胞中產(chǎn)生具有不同3’末端的前mRNA，從而會(huì)有不同的剪接方式。由于大多數(shù)真核生物基因的轉(zhuǎn)錄物是先加poly(A)尾巴，然后再行剪接，因此不同組織、細(xì)胞中會(huì)有不同的因子干預(yù)多聚腺苷酸化作用，最后影響剪接模式。降鈣素（calcitonin）基因在不同組織中的表達(dá)可作為實(shí)例（圖3-7）。
圖3-7 降鈣基因在不同的細(xì)胞中產(chǎn)生不同的激素
1：為非翻譯順序；2、3：為共同的編碼外顯子；
4：為降鈣素外顯子；5 a：為CGRP外顯子；5b：為CGRP3’ 非翻譯順序；pA1、pA2：為AATAAA加尾信號；CGRP：與鈣素基因相關(guān)的多肽
降鈣素基因（CALCAa多肽，定位于11p15.4）中甲狀腺細(xì)胞中形成的前mRNA（短轉(zhuǎn)錄物），包含有非翻譯順序（1）、編碼外顯子（2）和（3）以及降鈣素編碼外顯子（4）（包括部分非編碼區(qū)），在轉(zhuǎn)錄物pA1位點(diǎn)即AAUAAA信號附近進(jìn)行多聚腺苷酸化。而在下丘腦，其前mRNA（長轉(zhuǎn)錄物）中除了包含轉(zhuǎn)錄物的全部順序外，還包含有與降鈣素基因相關(guān)肽（calcitonin gene-related peptide, CGRP）的編碼外顯子（5a）和CGRP的3’末端非翻譯順序(5b)，并在轉(zhuǎn)錄物pA2處進(jìn)行poly(A)加工?？墒牵陂L轉(zhuǎn)錄物的剪接過程中，外顯子（3）的拼接點(diǎn)直接與CGRP編碼外顯子(5a)拼接點(diǎn)相連，從而刪除降鈣素的編碼外顯子（4），這樣形成兩種成熟的mRNA,分別翻譯產(chǎn)生降鈣素的前體和CGRP前體，然后通過酶促降產(chǎn)生降鈣素CGRP這兩種激素。
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