基因的基本組成

基因是具有功能的DNA序列片段，由編碼序列和非編碼序列交替構(gòu)成，我們又稱為割裂基因 split gene。人類基因主要由 外顯子、內(nèi)含子和側(cè)翼序列組成。

外顯子與內(nèi)含子

• 外顯子 exon 是基因內(nèi)的編碼序列；內(nèi)含子 intron 是基因內(nèi)的非編碼序列。
• 外顯子平均長度小于200bp；內(nèi)含子平均長度3000bp。無內(nèi)含子的基因較小，較大的基因，序列中內(nèi)含子也較大。高表達(dá)的基因中，內(nèi)含子較短。
• GT-AG法則，外顯子與內(nèi)含子接頭的位置，都有高度保守的共有序列，為剪切識(shí)別信號(hào)，即內(nèi)含子5’端核苷酸是GT，3’端是AG。
• 基因內(nèi)基因，即內(nèi)含子中存在若干小基因。
• 基因家族 gene family ，即基因組中一些功能相似的基因成簇的排列在一起（一條染色體上），這些基因可能同時(shí)發(fā)揮作用，也可能在不同發(fā)育階段表達(dá)。
  例：人類α和β珠蛋白基因簇。前者與ζ基因排列在16號(hào)染色體上，組成α珠蛋白基因簇；后者與其他四個(gè)基因排列在11號(hào)染色體上，組成β珠蛋白基因簇。在胚胎發(fā)育的不同階段表達(dá)。
• 基因超家族 gene superfamily，即一些基因編碼相似功能的蛋白，成簇的分布于幾條不同的染色體上。
  例：人類HOX基因是由38個(gè)相關(guān)基因組成的四個(gè)基因簇，分布于2、7、12和17號(hào)染色體上。
• 假基因 pseudogene，是一些與某些有功能的基因結(jié)構(gòu)相似但不能表達(dá)基因產(chǎn)物的基因?？赡苁沁M(jìn)化中，編碼序列或調(diào)控元件發(fā)生突變、或cDNA插入，一般缺少啟動(dòng)子序列。
  例：人類α珠蛋白基因簇中的假基因ψα與α基因相比，沒有內(nèi)含子，可能是cDNA插入導(dǎo)致。

基因家族與超家族的區(qū)別是，是否存在于同一條染色體上。此外，現(xiàn)在的教材相比我大學(xué)的教材，在具體細(xì)節(jié)上更豐富。

側(cè)翼序列

側(cè)翼序列 flanking sequence，即在每個(gè)基因序列的5’和3’端兩側(cè)的不轉(zhuǎn)錄序列。啟動(dòng)子在5’，終止子和多聚腺苷酸信號(hào)在3’，增強(qiáng)子兩側(cè)都可能存在。側(cè)翼序列與基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)。

• 啟動(dòng)子 promoter
  由一組段序列元件簇集在一個(gè)基因編碼序列的上游構(gòu)成，多位于基因起始點(diǎn)上游100-200bp范圍；轉(zhuǎn)錄因子與之結(jié)合后，激活RNA聚合酶，啟動(dòng)RNA合成。

• • TATA框 TATA box
    在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)5’端上游-25~-30bp處有高度保守序列，由7個(gè)堿基構(gòu)成，即TATAA(T)AA(T)，兩個(gè)堿基可變化。轉(zhuǎn)錄因子TFⅡ與之結(jié)合，再與RNA聚合酶Ⅱ形成復(fù)合物，識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)，啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。
• • CAAT框 CAAT box
    在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)5’端上游-70~-80bp處有高度保守序列，由9個(gè)堿基構(gòu)成，即GGC(T)CAATCT，一個(gè)堿基可變化。轉(zhuǎn)錄因子CTF與之結(jié)合，提高轉(zhuǎn)錄效率。
• • GC框 GC box
    某些基因沒有上述兩種元件，但含GC框，即GGCGGG，轉(zhuǎn)錄因子Sp1與之結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。

• 增強(qiáng)子 enhancer

• • 短序列元件，特異性與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，在啟動(dòng)子和增強(qiáng)子間形成DNA環(huán)，使增強(qiáng)子的結(jié)合蛋白與啟動(dòng)子的結(jié)合蛋白相互作用、或與RNA聚合酶相互作用，增強(qiáng)基因的轉(zhuǎn)錄活性。
• • 啟動(dòng)子位于基因上游，起始點(diǎn)相對恒定；增強(qiáng)子可以位于任何位置，且功能與位置和序列方向無關(guān)，可以5’-3’方向，也可以是3’-5’方向。

• 沉默子 silencer
  與增強(qiáng)子具有相似的性質(zhì)，但是，是抑制特定基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié)元件。

• 終止子 terminater
  由AATAAA和一段回文序列組成，AATAAA是多聚腺苷酸（polyA）的附加信號(hào)，回文序列轉(zhuǎn)錄后形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻礙RNA聚合酶繼續(xù)移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄終止。

側(cè)翼序列是個(gè)新名詞，實(shí)際是一段有效地基因序列中，不負(fù)責(zé)編碼的那些部分。

基因的表達(dá)

基因的表達(dá)是DNA序列的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA經(jīng)過翻譯，最終形成蛋白質(zhì)的過程。基因的表達(dá)遵循共線性原理 colinearity principle ，即DNA的線性核苷酸序列以堿基三聯(lián)體 base triple 形式被轉(zhuǎn)錄為RNA的線性核苷酸序列，RNA以密碼子 condon 形式被解碼形成特定多肽的線性氨基酸序列，這種DNA-RNA-Protein的信息傳遞方式被稱為中心法則。反轉(zhuǎn)錄酶的存在，使DNA-RNA間為雙向信息傳遞。

轉(zhuǎn)錄 transcription

指以DNA雙鏈中的一條鏈為模板，以ATP、CTP、GTP和UTP為原料，在RNA聚合酶催化下，按堿基互補(bǔ)方式合成RNA單鏈的過程。

這一過程發(fā)生于細(xì)胞核內(nèi)，方向?yàn)?’-3’，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA的序列與DNA模板鏈互補(bǔ)，與非模板鏈相同（T換成U）。前者稱為 有義鏈 sense strand，后者稱為 反義鏈 antisense strand。

真核細(xì)胞中，僅有少部分DNA處于轉(zhuǎn)錄中，轉(zhuǎn)錄單位無規(guī)律分布于基因組DNA中。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有：mRNA（RNA聚合酶Ⅱ），核糖體RNA ribosoma RNA；rRNA（RNA聚合酶Ⅰ），轉(zhuǎn)運(yùn)RNA transfer RNA；tRNA（RNA聚合酶Ⅲ）。

mRNA傳遞遺傳信息給蛋白質(zhì)。過程如下：

• 剪接 splice
  原始RNA轉(zhuǎn)錄本稱為異質(zhì)核RNA heterogeneous nuclear RNA，hnRNA，序列中包含外顯子和內(nèi)含子。剪接過程就是剪除內(nèi)含子，將外顯子連接的過程。

• • 剪接發(fā)生于二者交界處的GT和AG處；剪接起始的GT和相鄰的保守序列組成 剪接供體位點(diǎn) splice donor site，剪接終止的AG和相鄰的保守序列組成 剪接受體位點(diǎn) splice receptor site；在內(nèi)含子末端有一個(gè)保守序列，稱為 分支部位 branch site，位于AG上游40核苷酸處，這些序列構(gòu)成剪接信號(hào)。
• • 細(xì)胞核內(nèi)的小核RNA蛋白 snRNP 識(shí)別這些信號(hào)（RNA-RNA堿基配對），形成剪接體 splicesome 切除內(nèi)含子。前者由5種snRNA（snRANU1,U2,U4,U5和U6）和特定蛋白質(zhì)構(gòu)成。

• 加帽 capping
  指在RNA轉(zhuǎn)錄本5’端連接上一個(gè)7-甲基鳥苷酸，封閉RNA的5’端，保護(hù)RNA轉(zhuǎn)錄本免受磷酸酶和核酸酶消化，增加穩(wěn)定性。

• 加尾 tailing
  RNA轉(zhuǎn)錄本3’端在腺苷酸聚合酶作用下，經(jīng)多聚腺苷酸化 polyadenylation 附加大約200個(gè)腺苷酸的長鏈，即多聚腺苷酸 polyA 尾。增加了mRNA穩(wěn)定性，有利于核糖體識(shí)別。

• • 位置在3’非編碼區(qū)6核苷酸信號(hào)AAUAAA的下游15-30bp的位置加上polyA。

翻譯 translation

mRNA中間序列被翻譯為氨基酸，5’和3’端是非翻譯區(qū) UTR，多數(shù)為第一和最后外顯子序列，含有加帽和加尾序列。

• 翻譯過程
  多肽鏈?zhǔn)窃趍RNA、tRNA和核糖體協(xié)作下完成。核糖體是一個(gè)rRNA-Protein復(fù)合物，由60s和40s亞基構(gòu)成。

• • 小亞基識(shí)別mRNA 5’的帽，沿序列移動(dòng)到第一個(gè)起始密碼子AUG，特別是，當(dāng)AUG位于起始密碼子識(shí)別序列GCCPuCCAUGG時(shí)才可以有效識(shí)別，尤其是AUG后的G，以及之前第三個(gè)核苷酸的嘌呤Pu，最好是A。
• • 多種tRNA攜帶不同的氨基酸，tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子識(shí)別互補(bǔ)，大小亞基結(jié)合合成肽鏈。直至終止密碼子 UAA\UAG\UGA。
• • 這個(gè)過程是多枚核糖體同時(shí)進(jìn)行的，可形成多種肽鏈。mRNA 5’端對應(yīng)氨基末端 NH2；3’端對應(yīng)羧基端 COOH

• 遺傳密碼的兼并性
  密碼子共64個(gè)，但氨基酸僅20種，因此，不同密碼子編碼同一種氨基酸的特性稱為遺傳密碼子的兼并性 degeneracy。

• • 此外，mRNA的密碼子64個(gè)，細(xì)胞質(zhì)tRNA的反密碼子有30個(gè)，線粒體的tRNA的反密碼子有22個(gè)。但翻譯的過程仍可正常進(jìn)行。因此，有觀點(diǎn)認(rèn)為存在搖擺假說 wobble hypothesis，即第一和二堿基遵循A-U，G-C規(guī)律，第三堿基可以發(fā)生搖擺。

• 翻譯后修飾
  多肽鏈在翻譯后會(huì)發(fā)生復(fù)雜的修飾。有脫乙?；?、乙?；⒘姿峄?、糖基化和切割，以及多條肽鏈的折疊連接等。

這部分是分子生物學(xué)的內(nèi)容，所以很簡單。也有一些名詞被改變。

基因表達(dá)與調(diào)控

多數(shù)細(xì)胞中都表達(dá)的基因稱為管家基因 housekeeping gene。

• 組蛋白乙?；cDNA甲基化
  細(xì)胞核中的染色質(zhì)分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì)兩種（舊名詞），現(xiàn)多按有無轉(zhuǎn)錄活性進(jìn)行區(qū)別。前者松弛，與組蛋白結(jié)合弱，在S期早期復(fù)制；后者致密，與組蛋白結(jié)合緊密，在S期晚期復(fù)制。

• • 組蛋白乙酰化后，對DNA親和力下降，使染色質(zhì)松弛，適合基因表達(dá)；基因啟動(dòng)子區(qū)的CpG序列出現(xiàn)甲基化后，會(huì)與甲基化CpG結(jié)合蛋白 MeCP2 結(jié)合，抑制基因的表達(dá)。

• 順式作用元件與反式作用因子

• • 基因啟動(dòng)子區(qū)的保守序列能與TF特異性結(jié)合，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，這些元件稱為順式作用元件 cis-acting element，位于5’端側(cè)翼序列。
• • 轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合到這些序列，稱為反式作用因子 trans-acting factor。TF之間也有復(fù)雜的作用，結(jié)構(gòu)中都有一些相似的結(jié)構(gòu)域基序，是蛋白與cis-acting element作用的基礎(chǔ)。
• • 根據(jù)結(jié)構(gòu)域基序的不同，TF分為四種：
    1）螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋蛋白 helix-turn-helix ，一個(gè)氨基酸鍛煉鏈接兩個(gè)α螺旋結(jié)構(gòu)
    2）鋅指蛋白 zinc finger
    3）亮氨酸拉鏈蛋白 leucine zipper
    4）螺旋-環(huán)-螺旋蛋白 helix-loop-helix

• 剪接與多聚核苷酸化
  一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄本可以通過剪接改變形成許多異構(gòu)蛋白。參與主要調(diào)節(jié)因子是RNA結(jié)合蛋白的SR家族（C端含絲氨酸和精氨酸）；還有一些snRNP蛋白。
  此外，某些基因的轉(zhuǎn)錄本的3’UTR區(qū)可能存在多個(gè)多聚腺苷酸信號(hào)，體現(xiàn)了組織特異性，發(fā)揮不同的作用。

所謂順式，反式的概念來自經(jīng)典遺傳學(xué)，也就是發(fā)現(xiàn)基因之前的遺傳學(xué)。這些概念表達(dá)的是一種現(xiàn)象，而不是機(jī)理。所以某些被保留，某些被廢除（同一種現(xiàn)象下，機(jī)理可能不同）。當(dāng)初讓我困惑了好久。TF是細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)分子，相關(guān)的文獻(xiàn)讀起來會(huì)很吃力。