什么是基因表现？-健康百科-家庭医生在线

基因表现

　　基因表现(英语：Gene expression，又称基因表达，有时直接以表现或表达来称呼)是基因中的DNA序列生产出蛋白质的过程。步骤大致从DNA转录成mRNA开始，一直到对于蛋白质进行后转译修饰为止。此过程影响了细胞分化与型态发生等生命现象。不同的时间、不同的环境，以及不同部位的细胞，或是基因在细胞中的含量差异，皆可能使基因产生不同的表现。

　　简介：

　　又称基因表达,有时直接以表现或表达来称呼)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。生物体内的各种功能蛋白质和酶都是同相应的结构基因编码的。差别基因表达(differentialgeneexpression)指细胞分化过程中，奢侈基因按一定顺序表达，表达的基因数约占基因总数的5%～10%。也就是说，某些特定奢侈基因表达的结果生成一种类型的分化细胞，另一组奢侈基因表达的结果导致出现另一类型的分化细胞，这就是基因的差别表达。其本质是开放某些基因，关闭某些基因，导致细胞的分化。在特定时间里，很大一部分DNA并不转录成信使RNA，细胞只生产那些代谢需要的酶和其他蛋白质。生物体有决定哪些基因表达，哪些基因不表达的整套调节机制，这是生物生长和分化的基础。基因工程就是研究基因在异体中表达的技术。

　　转录：

　　基因表现的第一步是转录，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).在双链DNA中与转录模板互补的一条DNA链即编码链,它与转录产物的差异仅在于DNA中T变为RNA中的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,亦即一条链可作为某些基因的模板链的,也可是另外一些基因的编码，转录后要进行加工,转录后的加工包括：

　　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,huRNA)。因此前mRNA分子既有外显子顺序又有内含子顺序，另外还包括编码区前面及后面非翻译顺序。这些内含子顺序必须除支而把外显子顺序连接起来，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。

　　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)。mNRA5’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

　　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Ploy(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。mRNAPoly(A)尾的功能是：①可能有助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。

　　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(亦称核蛋白体)上装配为蛋白质多肽链的过程，称为翻译(translation),这一过程大致可分为3个阶段：

　　(1)肽链的起始：在许多起始因子的作用下，首先是核糖体的小亚基和mRNA上的起始密码子结合，然后甲酰甲硫氨酰tRNA(tRNA fMet)结合上去，构成起始复合物。通过tRNA的反密码子UAC，识别mRNA上的起始密码子AUG，并相互配对，随后核糖体大亚基结合到小亚基上去，形成稳定的复合体，从而完成了起始的作用。

　　肽链的延和长

　　核糖体上有两个结合点——P位和A位，可以同时结合两个氨酰tRNA。当核糖体沿着mRNA从5’→3’移动时，便依次读出密码子。首先是tRNAfMet结合在P位，随后第二个氨酰tRNA进入A位。此时，在肽基转移酶的催化下，P位和A位上的2个氨基酸之间形成肽键。第一个tRNA失去了所携带的氨基酸而从P位脱落，P位空载。A位上的氨酰tRNA在移位酶和GTP的作用下，移到P位，A位则空载。核糖体沿mRNA 5’端向3’端移动一个密码子的距离。第三个氨酰tRNA进入A位，与P位上氨基酸再形成肽键，并接受P位上的肽链，P位上tRNA释放，A位上肽链又移到P位，如此反复进行，肽链不断延长，直到mRNA的终止密码出现时，没有一个氨酰tRNA可与它结合，于是肽链延长终止。

　　肽链的终止

　　终止信号是mRNA上的终止密码子(UAA、UAG或UGA)。当核糖体沿着mRNA移动时，多肽链不断延长，到A位上出现终止信号后，就不再有任何氨酰tRNA接上去，多肽链的合成就进入终止阶段。在释放因子的作用下，肽酰tRNA的的酯键分开，于是完整的多肽链和核糖体的大亚基便释放出来，然后小亚基也脱离mRNA。

　　翻译后加工

　　从核糖体上释放出来的多肽需要进一步加工修饰才能形成具有生物活性的蛋白质。翻译后的肽链加工包括肽链切断，某些氨基酸的羟基化、磷酸化、乙酰化、糖基化等。真核生物在新生手肽链翻译后将甲硫氨酸裂解掉。有一类基因的翻译产物前体含有多种氨基酸顺序，可以切断为不同的蛋白质或肽，称为多蛋白质(polyprotein)。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。

　　外显子：

　　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。现在已发现一个基因的外显子可以是另一基因的内含子，所这亦然。以小鼠的淀粉酶基因为例，来源于肝的与来源于唾液腺的是同一基因。淀粉酶基因包括4个外显子，肝生成的淀粉酶不保留外显子1，而唾液腺中的淀粉酶则保留了外显子1的50bp顺序，但把外显子2与前后两段内含子一起剪切掉，经过这样剪接，外显子2就变成唾液淀粉酶基因中的内含子。

　　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。此外真核生物基因可有一个以一的poly(A)位点，因此能在不同的细胞中产生具有不同3’末端的前mRNA，从而会有不同的剪接方式。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。

　　实验应用：

　　利用基因芯片研究干旱胁迫下玉米基因表达

　　玉米是全球第一大作物、中国第二大作物，而干旱是影响其产量的重要限制因素。山东大学生命科学院张举仁教授的课题组利用基因芯片技术研究了开花期玉米顶叶干旱胁迫下基因的表达。开花期是玉米需水临界期，对干旱胁迫反应最敏感，此时逢干旱会使产量下降幅度最大。张教授的课题组以开花期玉米为材料，分别对其进行短期和长期的干旱胁迫，采用全基因组芯片研究了顶叶中基因的表达情况。分析的结果表明，有197个基因在短期胁迫下差异表达(53%上调)，而在长期胁迫下，则有1009个基因差异表达(32%上调)。分离得到的差异表达基因中约有一半的基因功能未知，其他基因按功能则可分为：代谢相关;细胞信号转导;转录相关;蛋白质合成;细胞防御;细胞运输;亚细胞定位等几大类。分析实验表明，在短期胁迫下上调表达的基因中，约有1/3的已知功能基因属于信号转导功能的分类范畴，参与细胞内不同的信号转导途径，这表明信号转导相关基因在玉米对干旱的早期反应中起重要作用。而在长期干旱条件下，顶叶中大量的代谢相关基因差异表达。

　　有助于肺癌的早期诊断

　　在全世界癌症患者的死亡率中，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诊断工具。研究人员在3月出版的《自然—医学》中报道：吸烟者肺细胞的基因表达模式也许有助于肺癌的早期诊断。

　　众所周知，吸烟是肺癌的风险因子，因此吸烟者被认为是肺癌的高风险人群。吸烟者的正常上皮细胞的基因表达模型是否可用于肺癌存在状态的一种生物标志呢?AvrumSpira和同事进行了这一研究。在预测患者是否会向癌症发展时，他们研究的生物标志的准确率达到90%。当与其他历史数据结合在一起，准确率可增加到95%。

　　基因表达调控：

　　从DNA到蛋白质的过程叫基因表达(gene expression)，对这个过程的调节即为基因表达调控(regulation of gene expression or gene control)。基因调控是现代分子生物学研究的中心课题之一。因为要了解动植物生长发育规律。形态结构特征及生物学功能，就必须搞清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因调控机制，就等于掌握了一把揭示生物学奥秘的钥匙。基因表达调控主要表现在以下几个方面：① 转录水平上的调控;② mRNA加工、成熟水平上的调控;③ 翻译水平上的调控;

　　基因表达调控的指挥系统有很多种，不同生物使用不同的信号来指挥基因调控。原核生物和真核生物之间存在着相当大差异。原核生物中，营养状况、环境因素对基因表达起着十分重要的作用;而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、发育阶段等是基因表达调控的主要手段，营养和环境因素的影响则为次要因素。

　　原核生物的基因表达调控

　　原核生物的基因表达调控虽然比真核生物简单，然而也存在着复杂的调控系统，如在转录调控种就存在着许多问题：如何在复杂的基因组内确定正确的转录起始点?如何将DNA的核苷酸按着遗传密码的程序转录到新生的RNA链中?如何保证合成一条完整的RNA链?如何确定转录的终止?

　　上述问题决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的互相作用，在转录调控中，现已搞清楚了细菌的几个操纵子模型，现以乳糖操纵子和色氨酸操纵子为例予以说明。

　　真核生物基因表达调控

　　真核生物基因表达调控与原核生物有很大的差异。原核生物同一群体的每个细胞都和外界环境直接接触，它们主要通过转录调控，以开启或关闭某些基因的表达来适应环境条件(主要是营养水平的变化)，故环境因子往往是调控的诱导物。而大多数真核生物，基因表达调控最明显的特征时能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的，有序的，不可逆的分化和发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常的生理功能。真核生物基因表达调控据其性质可分为两大类：第一类是瞬时调控或叫可逆调控，相当于原核生物对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种代谢底物浓度或激素水平升降时及细胞周期在不同阶段中酶活性和浓度调节。第二类是发育调节或称不可逆调控，这是真核生物基因表达调控的精髓，因为它决定了真核生物细胞分化，生长，和发育的全过程。据基因调控在同一时间中发生的先后次序，又可将其分为转录水平调控，转录后的水平调控，翻译水平调控及蛋白质加工水平的调控，研究基因调控应回答下面三个主要问题：①什么是诱发基因转录的信号? ②基因调控主要是在那个环节(模板DNA转录，mRNA的成熟或蛋白质合成)实现的?③不同水平基因调控的分子机制是什么?

　　回答上述这三个问题是相当困难的，这是因为真核细胞基因组DNA含量比原核细胞多，而且在染色体上除DNA外还含有蛋白质,RNA等，在真核细胞中，转录和翻译两个过程分别是在两个彼此分开的区域：细胞核和细胞质中进行。一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链;真核细胞DNA与组蛋白及大量非组蛋白相结合，只有小部分DNA是裸露的;而且高等真核细胞内DNA中很大部分是不转录的;真核生物能够有序的根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，并能根据需要增加细胞内某些基因的拷贝数等。尽管难度很大，科学家们还是建立起多个调控模型。

　　研究进展;

　　Mdk是一种分泌型蛋白，在神经发育中有重要作用，并参与人类肿瘤的形成。但是，在不同种类的脊椎动物中，Mdk基因的表达模式却大相径庭。该文报道了从银鲫10体节胚胎的SMARTcDNA文库中克隆的银鲫Mdkb基因的特征、表达图式及功能。在银鲫胚胎发育过程中，CagMdkb基因在原肠期开始表达，在10体节期时表达量上升到最高，此后表达量保持稳定。Western印迹显示胚胎早期有一条19kDa的母源CagMdkb蛋白带，合子CagMdkb蛋白从原肠期开始产生。大约在10体节时，19kDa的CagMdkb蛋白剪掉了信号肽，变成17kDa的成熟蛋白。在胚胎发育早期，母源的CagMdkb蛋白在所有卵裂球的细胞质中被检测到。

　　当胚胎发育到18体节期时，新合成蛋白的信号出现在后脑的一对巨大神经元中。此后，新合成的CagMdkb蛋白延伸到前脑、中脑、后脑的神经元和脊髓的神经纤维中。3A10抗体共定位表明这对巨大的神经元是Mauthner神经元。在银鲫和斑马鱼受精卵中进行的基因转移实验发现，野生型CagMdkbRNAs的过量表达造成了胚胎前脑组织和眼睛发育受到抑制等严重缺陷，并发现其功能的发挥还依赖于它的分泌特性。上述结果表明，CagMdkb在鱼类神经系统的早期发育中起着重要作用。

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