真核生物的基因表达

基因表达（gene expression）：是指细胞在生命过程中，把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子（如图3-1所 示）。

图3-1　中心法则

生物体内的各种功能蛋白质和酶都是相应的结构基因编码的。基因的表达过程是将DNA上的遗传信息传递给mRNA，然后再经过翻译将其传递给蛋白质。在翻译过程中tRNA负责与特定氨基酸结合，并将它们运送到核糖体，这些氨基酸在那里相互连接形成蛋白质。这一过程由tRNA合成酶介导，一旦出现问题就会生成错误的蛋白质，进而造成灾难性的后果。值得庆幸的是，tRNA分子与氨基酸的匹配非常精确，只不过迄今为止人们对这种机制还缺乏足够的了解。

3.1.1　转录过程

在RNA聚合酶的催化下，以DNA为模板合成mRNA的过程称为转录（transcription）。在双链DNA中，作为转录模板的链称为模板链（template strand）或反义链（antisensestrand）；而不作为转录模板的链称为编码链（coding strand）或有义链（sense strand），编码链与模板链互补，它与转录产物的差异仅在于DNA中的胸腺嘧啶（T）变为RNA中的尿嘧啶（U）。在含许多基因的DNA双链中，每个基因的模板链并不总是在同一条链上，亦即可作为某些基因模板链的一条链，同时也可以是另外一些基因的编码链。

转录后要进行加工，转录后的加工包括：

（1）剪接：一个基因的外显子和内含子都转录在一条原始转录物RNA分子中，称为前mRNA（pre-mRNA），又称核内异质RNA（heterogenuous nuclear RNA，hnRNA）。因此前mRNA分子既有外显子序列又有内含子序列，另外还包括编码区前面及后面非翻译序列。这些内含子序列必须除去而把外显子序列连接起来，才能产生成熟的有功能的mRNA分子，这个过程称为RNA剪接（RNA splicing）。剪切发生在外显子的3′末端的GT和内含子3′末端与下一个外显子交界的AG处。

（2）加帽：几乎全部的真核mRNA 端都具“帽子”结构。虽然真核生物的mRNA的转录以嘌呤核苷酸三磷酸（pppAG或pppG）领头，但在5′端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7GpppAGpNp）。mRNA 5′端的这种结构称为帽子（cap）。不同真核生物的mRNA具有不同的帽子。mRNA的帽结构功能：①能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合；②m7Gppp结构能有效地封闭RNA 5′末端，以保护mRNA免疫5′核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定性。

（3）加尾：大多数真核生物的mRNA 3′末端都有由100～200个A组成的Poly（A）尾巴。Poly（A）尾不是由DNA编码的，而是转录后的前mRNA以ATP为前体，由RNA末端腺苷酸转移酶，即Poly（A）聚合酶催化聚合到3′末端。加尾并非加在转录终止的3′末端，而是在转录产物的3′末端，由一个特异性酶识别切点上游方向13～20碱基的加尾识别信号AAUAAA以及切点下游的保守顺序GUGUGUG，把切点下游的一段切除，然后再由Poly（A）聚合酶催化，加上Poly（A）尾巴，如果这一识别信号发生突变，则切除作用和多聚腺苷酸化作用均显著降低。mRNA Poly（A）尾的功能是：①可能有助于mRNA从核到细胞质转运；②避免在细胞中受到核酶降解，增强mRNA的稳定 性。

3.1.2　翻译过程

以mRNA作为模板，tRNA作为运载工具，在有关酶、辅助因子和能量的作用下将活化的氨基酸在核糖体（亦称核蛋白体）上装配为蛋白质多肽链的过程，称为翻译（translation）。

3.1.3　外显子编辑

外显子与内含子表达过程中的相对性：从内含子与外显子的定义来看，两者是不能混淆的，但是真核生物的外显子也并非都“显”（编码氨基酸），除了tRNA基因和rRNA基因的外显子完全“不显”之外，几乎全部的结构基因的首尾两外显子都只有部分核苷酸顺序编码氨基酸，还有完全不编码基酸的外显子，如人类G6PD基因的第一外显子核苷酸顺序。

已发现一个基因的外显子可以是另一基因的内含子，反之亦然。

同一基因在不同组织能生成不同的基因产物；来源于不同组织的类似蛋白，可以由同一基因编码产生，这种现象首先是由于基因中的增强子等有组织特异性，它能与不同组织中的组织特异因子结合，故在不同组织中同一基因会产生不同的转录物与转录后加工作用。由于大多数真核生物基因的转录物是先加poly（A）尾巴，然后再行剪接，因此不同组织、细胞中会有不同的因子干预多聚腺苷酸化作用，最后影响剪接模式。