基因表達(dá)
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基因表達(dá)(gene expression)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。差別基因表達(dá)(differentialgeneexpression)指細(xì)胞分化過程中，奢侈基因按一定順序表達(dá)，表達(dá)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(dá)的結(jié)果生成一種類型的分化細(xì)胞，另一組奢侈基因表達(dá)的結(jié)果導(dǎo)致出現(xiàn)另一類型的分化細(xì)胞，這就是基因的差別表達(dá)。其本質(zhì)是開放某些基因，關(guān)閉某些基因，導(dǎo)致細(xì)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(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（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(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(hào)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(hào)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(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?！ ?/p>
翻譯過程
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：
（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(duì)，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(zhǎng)：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(zhǎng)，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(zhǎng)終止。
（3）肽鏈的終止：終止信號(hào)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(zhǎng)，到A位上出現(xiàn)終止信號(hào)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(jí)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。
外顯子
外顯子與內(nèi)含子表達(dá)過程中的相對(duì)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)槔瑏碓从诟蔚呐c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。
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?！ ?/p>
實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
利用基因芯片研究干旱脅迫下玉米基因表達(dá)
玉米是全球第一大作物、中國(guó)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(dá)。開花期是玉米需水臨界期，對(duì)干旱脅迫反應(yīng)最敏感，此時(shí)逢干旱會(huì)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(duì)其進(jìn)行短期和長(zhǎng)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(dá)情況。
分析的結(jié)果表明，有197個(gè)基因在短期脅迫下差異表達(dá)（53％上調(diào)），而在長(zhǎng)期脅迫下，則有1009個(gè)基因差異表達(dá)（32％上調(diào)）。分離得到的差異表達(dá)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(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；轉(zhuǎn)錄相關(guān)；蛋白質(zhì)合成；細(xì)胞防御；細(xì)胞運(yùn)輸；亞細(xì)胞定位等幾大類。分析實(shí)驗(yàn)表明，在短期脅迫下上調(diào)表達(dá)的基因中，約有1/3的已知功能基因?qū)儆谛盘?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能的分類范疇，參與細(xì)胞內(nèi)不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這表明信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因在玉米對(duì)干旱的早期反應(yīng)中起重要作用。而在長(zhǎng)期干旱條件下，頂葉中大量的代謝相關(guān)基因差異表達(dá)。
吸煙者肺細(xì)胞的基因表達(dá)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(bào)道：吸煙者肺細(xì)胞的基因表達(dá)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(xiǎn)因子，因此吸煙者被認(rèn)為是肺癌的高風(fēng)險(xiǎn)人群。吸煙者的正常上皮細(xì)胞的基因表達(dá)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(jìn)行了這一研究。在預(yù)測(cè)患者是否會(huì)向癌癥發(fā)展時(shí)，他們研究的生物標(biāo)志的準(zhǔn)確率達(dá)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(jìn)展
水生所在銀鯽胚胎發(fā)育基因表達(dá)研究最新進(jìn)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(dòng)物中，Mdk基因的表達(dá)模式卻大相徑庭。該文報(bào)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(dá)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(dá)，在10體節(jié)期時(shí)表達(dá)量上升到最高，此后表達(dá)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(shí)，19kDa的CagMdkb蛋白剪掉了信號(hào)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(xì)胞質(zhì)中被檢測(cè)到。
當(dāng)胚胎發(fā)育到18體節(jié)期時(shí)，新合成蛋白的信號(hào)出現(xiàn)在后腦的一對(duì)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(duì)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(jìn)行的基因轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，野生型CagMdkbRNAs的過量表達(dá)造成了胚胎前腦組織和眼睛發(fā)育受到抑制等嚴(yán)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(gè)體差異能導(dǎo)致基因表達(dá)蛋白大不同
研究人員證明DNA水平上個(gè)體之間的微小差異能導(dǎo)致基因表達(dá)蛋白的巨大不同，這導(dǎo)致了個(gè)體之間的自然特征的許多變化。在人類由30億個(gè)堿基對(duì)、大約數(shù)萬個(gè)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(jì)劃（HGP）和人類基因組單體型圖計(jì)劃（HapMap）這兩個(gè)超級(jí)研究項(xiàng)目的設(shè)立興起了一場(chǎng)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(gè)“字母”被另外一個(gè)字母取代（例如AAG變成了ATG），它被稱作“單核苷酸多態(tài)性”（SNP）。科學(xué)家估計(jì)，在人類基因組中可能存在約1500萬個(gè)單字母突變，或者說，在人類這個(gè)遺傳結(jié)構(gòu)相當(dāng)統(tǒng)一的群體內(nèi)，還有1500萬個(gè)可能的SNP。借助于基因芯片等新技術(shù)，科學(xué)家可以同時(shí)分析一個(gè)人的基因組中的數(shù)十萬個(gè)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(gè)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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