基因表達
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基因表達(gene expression)是指細胞在生命過程中，把儲存在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。差別基因表達(differentialgeneexpression)指細胞分化過程中，奢侈基因按一定順序表達，表達的基因數(shù)約占基因總數(shù)的5％～10％。也就是說，某些特定奢侈基因表達的結(jié)果生成一種類型的分化細胞，另一組奢侈基因表達的結(jié)果導(dǎo)致出現(xiàn)另一類型的分化細胞，這就是基因的差別表達。其本質(zhì)是開放某些基因，關(guān)閉某些基因，導(dǎo)致細胞的分化。
目錄 |
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(coding strand),或有義鏈(sense strand).在雙鏈DNA中與轉(zhuǎn)錄模板互
補的一條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)錄后要進行加工,轉(zhuǎn)錄后的加工包括：
（1）剪接：一個基因的外顯子和內(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，這個過程稱為RNA剪接（RNa splicing）。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mRNA免疫5’核酸外切酶的降解，增強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，由一個特異性酶識別切點上游方向13~20堿基的加尾識別信號AAUAAA以及切點下游的保守順序GUGUGUG，把切點下游的一段切除，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。mRNAPoly(A)尾的功能是：①可能有助mRNA從核到細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運；②避免在細胞中受到核酶降解，增強mRNA的穩(wěn)定性?！ ?/p>
翻譯過程
以mRNA作為模板，tRNA作為運載工具，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個階段：
（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：核糖體上有兩個結(jié)合點——P位和A位，可以同時結(jié)合兩個氨酰tRNA。當(dāng)核糖體沿著mRNA從5’→3’移動時，便依次讀出密碼子。首先是tRNAfMet結(jié)合在P位，隨后第二個氨酰tRNA進入A位。此時，在肽基轉(zhuǎn)移酶的催化下，P位和A位上的2個氨基酸之間形成肽鍵。第一個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’端移動一個密碼子的距離。第三個氨酰tRNA進入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)進行，肽鏈不斷延長，直到mRNA的終止密碼出現(xiàn)時，沒有一個氨酰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移動時，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個氨基酸組成的有活性的胰島素。
外顯子
外顯子與內(nèi)含子表達過程中的相對性 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為例，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。
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以一的poly(A)位點，因此能在不同的細胞中產(chǎn)生具有不同3’末端的前mRNA，從而會有不同的剪接方式。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、細胞中會有不同的因子干預(yù)多聚腺苷酸化作用，最后影響剪接模式。
實驗應(yīng)用
利用基因芯片研究干旱脅迫下玉米基因表達
玉米是全球第一大作物、中國第二大作物，而干旱是影響其產(chǎn)量的重要限制因素。山東大學(xué)生命科學(xué)院張舉仁教授的課題組利用基因芯片技術(shù)研究了開花期玉米頂葉干旱脅迫下基因的表達。開花期是玉米需水臨界期，對干旱脅迫反應(yīng)最敏感，此時逢干旱會使產(chǎn)量下降幅度最大。張教授的課題組以開花期玉米為材料，分別對其進行短期和長期的干旱脅迫，采用全基因組芯片研究了頂葉中基因的表達情況。
分析的結(jié)果表明，有197個基因在短期脅迫下差異表達（53％上調(diào)），而在長期脅迫下，則有1009個基因差異表達（32％上調(diào)）。分離得到的差異表達基因中約有一半的基因功能未知，其他基因按功能則可分為：代謝相關(guān)；細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；轉(zhuǎn)錄相關(guān)；蛋白質(zhì)合成；細胞防御；細胞運輸；亞細胞定位等幾大類。分析實驗表明，在短期脅迫下上調(diào)表達的基因中，約有1/3的已知功能基因?qū)儆谛盘栟D(zhuǎn)導(dǎo)功能的分類范疇，參與細胞內(nèi)不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這表明信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因在玉米對干旱的早期反應(yīng)中起重要作用。而在長期干旱條件下，頂葉中大量的代謝相關(guān)基因差異表達。
吸煙者肺細胞的基因表達模式有助于肺癌的早期診斷
在全世界癌癥患者的死亡率中，肺癌的死亡率位居前列。肺癌高死亡率的主要原因之一是缺乏早期診斷工具。研究人員在3月出版的《自然—醫(yī)學(xué)》中報道：吸煙者肺細胞的基因表達模式也許有助于肺癌的早期診斷。
眾所周知，吸煙是肺癌的風(fēng)險因子，因此吸煙者被認為是肺癌的高風(fēng)險人群。吸煙者的正常上皮細胞的基因表達模型是否可用于肺癌存在狀態(tài)的一種生物標(biāo)志呢？AvrumSpira和同事進行了這一研究。在預(yù)測患者是否會向癌癥發(fā)展時，他們研究的生物標(biāo)志的準(zhǔn)確率達到90%。當(dāng)與其他歷史數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，準(zhǔn)確率可增加到95%?！ ?/p>
研究進展
水生所在銀鯽胚胎發(fā)育基因表達研究最新進展
Mdk是一種分泌型蛋白，在神經(jīng)發(fā)育中有重要作用，并參與人類腫瘤的形成。但是，在不同種類的脊椎動物中，Mdk基因的表達模式卻大相徑庭。該文報道了從銀鯽10體節(jié)胚胎的SMARTcDNA文庫中克隆的銀鯽Mdkb基因的特征、表達圖式及功能。在銀鯽胚胎發(fā)育過程中，CagMdkb基
因在原腸期開始表達，在10體節(jié)期時表達量上升到最高，此后表達量保持穩(wěn)定。Western印跡顯示胚胎早期有一條19kDa的母源CagMdkb蛋白帶，合子CagMdkb蛋白從原腸期開始產(chǎn)生。大約在10體節(jié)時，19kDa的CagMdkb蛋白剪掉了信號肽，變成17kDa的成熟蛋白。在胚胎發(fā)育早期，母源的CagMdkb蛋白在所有卵裂球的細胞質(zhì)中被檢測到。
當(dāng)胚胎發(fā)育到18體節(jié)期時，新合成蛋白的信號出現(xiàn)在后腦的一對巨大神經(jīng)元中。此后，新合成的CagMdkb蛋白延伸到前腦、中腦、后腦的神經(jīng)元和脊髓的神經(jīng)纖維中。3A10抗體共定位表明這對巨大的神經(jīng)元是Mauthner神經(jīng)元。在銀鯽和斑馬魚受精卵中進行的基因轉(zhuǎn)移實驗發(fā)現(xiàn)，野生型CagMdkbRNAs的過量表達造成了胚胎前腦組織和眼睛發(fā)育受到抑制等嚴重缺陷，并發(fā)現(xiàn)其功能的發(fā)揮還依賴于它的分泌特性。上述結(jié)果表明，CagMdkb在魚類神經(jīng)系統(tǒng)的早期發(fā)育中起著重要作用。
DNA個體差異能導(dǎo)致基因表達蛋白大不同
研究人員證明DNA水平上個體之間的微小差異能導(dǎo)致基因表達蛋白的巨大不同，這導(dǎo)致了個體之間的自然特征的許多變化。在人類由30億個堿基對、大約數(shù)萬個基因組成的基因組中，哪些基因或者基因的突變可能導(dǎo)致疾病？這種尋找致病基因的工作通常如同大海撈針。人類基因組計劃（HGP）和人類基因組單體型圖計劃（HapMap）這兩個超級研究項目的設(shè)立興起了一場致病基因淘金熱，其中科學(xué)家使用了一種稱為“全基因組關(guān)聯(lián)研究”的方法，尋找可能的致病因素。
這種新的方法把注意力集中在人類基因組的一種微小突變上。這種突變是指DNA上的某個“字母”被另外一個字母取代（例如AAG變成了ATG），它被稱作“單核苷酸多態(tài)性”（SNP）?？茖W(xué)家估計，在人類基因組中可能存在約1500萬個單字母突變，或者說，在人類這個遺傳結(jié)構(gòu)相當(dāng)統(tǒng)一的群體內(nèi)，還有1500萬個可能的SNP。借助于基因芯片等新技術(shù)，科學(xué)家可以同時分析一個人的基因組中的數(shù)十萬個SNP。把許多健康人和疾病患者（這些人不一定必須屬于同一個家族）的SNP結(jié)果放在一起，SNP的分布狀況就可以顯示出致病基因的一些蛛絲馬跡。
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