基因的复制与表达

第3节　基因的复制与表达

一、基因的复制

基因的基本功能之一是能准确地自我复制。基因的复制（replication）是以DNA复制为基础的。生物体的遗传信息表现为特定的核苷酸顺序。在细胞分裂过程中，通过DNA准确地自体复制（self－replication），把遗传信息从亲代传给子代，这样，DNA就能真正完成其作为遗传信息载体的使命，从而保证遗传物质的连续性和相对的稳定性。

参与DNA复制的主要物质包括：亲代DNA作为复制模板；4种脱氧核苷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）作为合成新链的原料；多种酶如螺旋酶、DNA拓扑异构酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、引物酶和引物等。

DNA复制的特点如下。

1.DNA的半保留复制

DNA复制时，在多种酶的作用下，DNA双螺旋解开，每条多核苷酸链各以自己为模板（template）吸收周围游离核苷酸，按碱基互补原则，进行氢键结合。在一些聚合酶作用下，合成新的互补的链，与原来模板单链并列盘旋在一起，形成稳定的双螺旋结构。在此过程中，每个子代DNA的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式称为DNA的半保留复制（semi－conservation replication）。

2.DNA的半不连续复制

DNA双螺旋的两条链是反向平行的。DNA复制时，在复制起点处两条DNA链解开成单链，一条是5′→3′方向，另一条是3′→5′方向。在3′→5′模板链上，DNA的合成可沿5′→3′方向连续进行，复制速度较快，完成复制较早，这条链称为前导链（leading strand）。而另一条模板链为5′→3′方向。由于生物细胞内所有催化DNA聚合酶都只能催化5′→3′延伸，因此新生链不能按3′→5′方向连续合成。冈崎片段（Okazaki fragments）的发现使这个问题得以解释。原来，在复制起点，两条链解开形成复制泡（replication bubbles），DNA向两侧复制形成两个复制叉（replication forks）。以复制叉移动的方向为基准，一条模板链的方向是3′→5′，以此为模板而进行连续复制；另一条模板链的方向是5′→3′，以此为模板的DNA合成也是沿5′→3′方向进行，但与复制叉前进的方向相反，而且是分段、不连续合成的，这条链称为滞后链（lagging strand），合成的片段即为冈崎片段。这些冈崎片段以后由DNA连接酶连成完整的DNA链。这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物是普遍存在的，称为DNA的半不连续复制（semi－discontinuous replication）。

二、基因的表达

基因表达（gene expression）是指细胞在生命过程中，结构基因把储存在DNA顺序中的遗传信息经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质的过程。

（一）转录

转录是DNA指导的RNA合成。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）。在转录进行时，DNA双链中只有一条链作为模板，指导合成与其互补的RNA。此DNA链称为模板链（template strand），另一条链称为编码链（coding strand）。编码链的序列与转录本RNA的序列基本相同，只是编码链上的T在相应转录本上为U。由于转录本RNA编码基因表达的蛋白质产物，DNA的这条链也由此命名为编码链。编码链又称为有义链，模板链又称为反义链。

在含有多个基因的双链DNA分子中，每个基因的模板不是全在同一条链上；也就是在双链DNA分子中的一条链，对于某基因是有义链，但对另一个基因则可能是反义链。

转录后要进行加工，转录后的加工包括以下步骤。

1.剪接

在转录时，外显子和内含子均转录到核内异质RNA（heterogenous nuclear RNA，hnRNA）中。在细胞核中，hnRNA进行剪接作用，首先在核酸内切酶作用下剪切掉内含子；然后在连接酶作用下，将各外显子连接起来，成为成熟的mRNA，这就是RNA剪接（RNA splicing）。内含子和外显子交界的位置有特定的序列，位于内含子5′端的称为剪接供体（donor），3′端的称为剪接受体（acceptor），可被剪接蛋白复合物识别。这种剪接蛋白复合物也称为剪接体（splicesome）。

一个相同的初级转录本，在不同的组织中由于剪接作用的差异可以产生不同编码的mRNA，导致翻译生成不同的蛋白质产物。据估计，在高等真核生物中有相当一部分基因（35%～60%）通过不同剪接方式产生多个蛋白质。

2.加帽

加帽即在mRNA的5′端加上m7GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即对hnRNA进行加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5′端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。不同真核生物的mRNA具有不同的帽子。

现已知mRNA的5′帽结构主要有下列3个作用：①易被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合，为蛋白质合成起始所必需；②能有效地封闭mRNA 5′末端，以保护mRNA免受5′核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定性；③促进内含子剪接反应的进行。有实验证实5′帽结构的存在有利于剪接体的形成，并大大加快第一个内含子的剪接速度。

3.加尾

大多数真核生物的mRNA 3′末端都有由100～200个A组成的多聚A尾巴，即poly（A）。多聚A尾的生成是在多聚A聚合酶的催化下，由ATP聚合而成。在mRNA前体的3′末端11～30核苷酸处有一段AAUAA保守序列，在U7－snRNP的协助下识别，由一种特异的核酸内切酶催化切除多余的核苷酸。随后，在多聚A聚合酶催化下，发生聚合反应形成3′末端多聚A尾。如果加尾识别信号AAUAAA发生突变，则切除作用和多聚腺苷酸化作用均显著降低（图3－3）。

图3－3　真核生物结构基因表达流程图

mRNA poly（A）尾的存在一方面有助于保持mRNA的稳定性，使其免受核酶降解；另一方面，有利于mRNA从核转运到细胞质。

（二）翻译

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上装配为蛋白质多肽链的过程称为翻译（translation）。真核细胞的转录以及加工都是在细胞核内进行的，但翻译过程则在细胞质中进行。通过转录，遗传信息从DNA转移到mRNA；通过翻译，将mRNA的碱基序列转变为多肽链的氨基酸序列，也就是多肽链的生物合成过程。mRNA携带遗传信息，作为合成蛋白质的模板；tRNA转运活化的氨基酸和识别mRNA分子上的遗传密码（表3－3）；在核糖体上各种特定的氨基酸分子连接成多肽链。蛋白质合成通常分为三个阶段：起始、延长和终止。大多数刚被合成出来的肽链并不具备功能，还需经过翻译后加工修饰如切除信号肽、加上糖基链、磷酸化、乙酰化、二硫键形成等。例如胰岛素（insulin）是先合成86个氨基酸的初级翻译产物，称为胰岛素原（proinsulin），胰岛素原包括A、B、C三段，经过加工，切去其中无活性的C肽段，并在A肽和B肽之间形成二硫键，这样才得到由51个氨基酸组成的有活性的胰岛素。

由此看来，基因的遗传信息通过转录和翻译，转变为氨基酸排列的特定序列和长度，从而构成蛋白质或酶特异性的基础。DNA的碱基改变，可使蛋白质或酶的结构和功能发生改变，导致遗传性疾病的发生。

表3－3　通用遗传密码及相应氨基酸

（三）中心法则

DNA是遗传的主要物质基础，而生物体的所有遗传信息均以遗传密码（code）的形式编码在DNA分子上，生物体世代繁衍本质上是遗传信息的传递过程，遗传信息的传递必须经过DNA复制、转录和翻译。DNA分子中储存的遗传信息经过DNA复制将其由亲代传递给子代，通过转录传递给mRNA，由mRNA将遗传信息翻译成特定的氨基酸顺序，最后形成蛋白质执行各种生理功能，从而表现相应的遗传性状。这种从DNA到RNA再到蛋白质的遗传信息的传递称为“中心法则”（central dogma）。20世纪70年代以后，学者在对某些致癌RNA病毒中发现了反转录（reverse transcription）现象，后来又在一些病毒中发现了单链RNA能够自我复制和翻译，这为中心法则加入了新的内容。因此，目前认为生物界遗传信息传递的中心法则如图3－4所示。

图3－4　修改后的中心法则