人类基因的结构

一、人类基因的结构

分别提出割裂基因这一概念的科学家是RJ Roberts和PA Sharp，他们也因此获得了1993年诺贝尔医学奖。一般而言，一个基因包括：转录调控区域、转录区和终止子（基因下游3′端不转录的核苷酸序列）。以β^－珠蛋白基因为例（图1－2），图1－2a、b示基因控制区域，可以调控基因的转录；图1－2c外显子的突变可导致失活变异蛋白的出现，图1－2d内含子的突变可能导致剪接的错误从而编码没有功能的蛋白质。调控区域中的启动子引导RNA聚合酶与基因的正确部位结合，启动转录。而终止子具有终止RNA聚合酶继续移动的功能。其中转录区分为编码区和非编码区。编码区包括1个起始密码子（通常是AUG）、编码密码和1个终止密码子（UAA、UAG或UGA）。非编码区（转录不转译区域）位于编码区两侧：包括5′非翻译区（5′untrans－lated region，5′UTR）（含1个核糖体的结合位点和1个转录起始信号）和3′非翻译区（3′UTR）（含有1个转录终止信号）以及编码区中的间隔区域称为内含子（转录不转译区域）。

图1－2　割裂基因的结构

（一）外显子与内含子

对人类基因组目前的研究成果的分析表明，人类基因的平均长度为27kb。外显子的平均数目为8．8个，平均长度为145bp；内含子的平均长度为3365bp，外显子与内含子在基因中相间排列。外显子长度一般不超过800bp，内含子的长度变化较大，从30bp或更少至数十kb不等。不同的基因由于大小的不同，所含的外显子与内含子的数目及大小有很大的差异。DMD（duchenne muscular dystrophin）基因长约2400kb，有80个外显子，而有少数基因如组蛋白、α－干扰素等则不含内含子，即只有1个外显子。人类甲型血友病的Ⅷ因子的基因全长186kb，由26个外显子和25个内含子组成，外显子长度从69bp到3106bp不等，内含子长度从207bp到32．4kb不等。

每个外显子和内含子的接头区都有一段高度保守的序列，一般内含子的5′端起始处有GT序列，3′端尾部有AG序列，称为GT－AG法则（GT－AG rule）。外显子内含子接头的保守序列几乎存在于所有高等生物的基因中，说明在切除内含子、拼接外显子的过程中存在着共同的剪接加工机制。

割裂基因的外显子和内含子的区分不是固定不变的，由于存在剪接加工方式的不同，可能使基因的内含子在另外一种剪接形式下成为外显子，甚至有些基因的内含子中存在着另一个基因。

另外，由于DNA是双链，因此可能会出现互补的双链分别作为两个基因的编码序列，如ear－1和ear－7基因都位于17号染色体，拥有重叠的外显子，但分别从互补链反向转录。这种情况在高等生物中比较少见。

（二）前导区和尾部区

真核基因的5′端转录起始点与翻译密码起始点之间的核酸序列是不编码蛋白质的，称为前导区或5′UTR，3′端翻译终止密码到转录终止点之间的序列称为尾部区或3′UTR。5′UTR序列对mRNA的翻译起着重要的调控作用，如5′端加工后产生的帽子结构（m⁷GpppN）能够显著提高翻译效率，5′UTR的序列对起始AUG的选择也有影响。3′UTR主要含有终止信号及加尾信号。

（三）侧翼序列

真核基因转录区的两侧称为侧翼序列，有一些重要的调控序列，包括启动子和增强子等。

1．启动子　启动子（promoter）包括下列几种不同序列，能促进转录过程：①TATA序列，在mRNA结构基因上游25～30个核苷酸处，有一富含TATA的序列，有人称为TATA框（TATA box）。RNA聚合酶Ⅱ能准确识别TATA序列，并与之结合形成启动复合物，从而引发开始合成mRNA。但还发现一些基因不含TATA序列也能转录，可能还存在着与TATA序列功能相似的其他序列；②CAAT框（CAAT box），其基本序列为GGGTCAATCT，是真核生物基因常有的调节区，位于转录起始点上游－100～－80bp处，可能也是RNA聚合酶的一个结合处，控制着转录起始的频率；③GC框（GC box），其共有序列为GGCGGG，有两个拷贝，位于CAAT框的两侧，是一个转录调节区，有激活转录的功能，可能与增强起始转录的效率有关。

此外，RNA聚合酶负责转录tRNA的DNA和5SrDNA，其启动子位于转录的DNA序列中，称为下游启动子。

2．增强子　增强子（enhancer）是一段能够增强转录作用的DNA序列，它不能启动一个基因的转录，但能明显地提高基因转录的效率。增强子可位于基因的上游或下游，甚至有时会出现在基因内部（内含子中），在离启动子几至几十千碱基对远处也可发挥作用。此外，增强子序列可与特异性细胞因子结合，从而表现出组织特异性，对基因表达有组织、器官、时间不同的调节作用。例如人类胰岛素基因5′末端上游约250bp处有一组织特异性增强子，在胰岛β细胞中有一特异因子可作用于该区以增强胰岛素基因的转录和翻译，其他组织中无此因子，这是胰岛素基因只有在胰岛β细胞中才得以很好表达的原因。