第三節　基因的復制與表達

　　生物的遺傳物質基礎是核酸（nucleic acid）,它也是基因的基本結構，它們的化學組成分子結構符合遺傳物質的穩定性、連續性及多樣性的要求。

　　（一）核酸的化學組成

　　核酸結構的基本單位是核苷酸（nucleic acid），每個核苷酸由1個磷酸、1個五碳糖和1個堿基3部分組成。核酸有兩類：一類是脫氧核糖核酸（DNA），DNA中的脫氧核糖核苷酸主要由4種堿基構成，即腺嘌呤(adenine,A)、鳥嘌呤（guanine,G）、胞嘧啶（cytosine,C）和胸腺嘧啶（thymine,T），此外，還有脫氧核糖（deoxyribose）和磷酸；另一類是核糖核酸（RNA），RNA分子中的核糖核苷酸主要由堿基A、G、C和尿嘧啶（uracil,U）構成，此外，還有核糖（ribose）和磷酸。

　　（二）DNA的分子結構

　　DNA分子是4種脫氧核苷酸經3’→5’磷酸二酯健聚合而成，所以了稱為多核苷酸（polynucleotide）。DNA的一級結構是指4種核苷酸的連接及其排列順序。1953年Watson和Cricd提出了DNA分子雙螺旋結構模型，其要點是：DNA分子是由2條平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸構成的右手雙螺旋結構（B型DNA）。多種芏酸的方向由核苷酸間的磷酸二酯健的走向決定，一條從5’→3’，另一條從3’→5’，兩條鏈呈反向平行排列（antiparallel）,彼此由氫鍵相連，G 與C配對（G≡C），A與T配對（A=T）。圖3-3表明DNA的分子骨架。

圖3-3 DNA雙螺旋結構及堿基配對示意圖

（A）部分SNA多核苷酸鏈，示鄰近脫氧核苷酸由3’-5’磷酸二酯鍵連接；

（B）DNA互補的兩條鏈；（C）DNA雙螺旋模型

　　根據以上原則，只要確定了一條鏈中的堿基順序，就可以相應在確定與它互補的另一條鏈上堿基的順序，估計1個DNA分子大約有4千至40億個核酸對，而各種堿基對排列順序沒有限制，即假定某一段DNA分子鏈有100個堿基對，則該段就有4100各不同的排列組合形式，即可有4100種不同性質的基因。現知，基因就是DNA分子鏈上的一個特定的區段，其平均大小約為1 000個堿基對。這說明對DNA分子貯存了大量正常和變異的遺傳信息，滿足了生物的遺傳和多樣性的要求，特別是通過DNA分子的準確復制，又可使遺傳信息得到穩定和連續的傳遞。

　　（三）DNA的復制

　　基因的復制的以DNA復制為基礎的。生物體的遺傳特征表現為特定的核苷酸順序，並以密碼子的形式編碼在DNA分子上。在細胞分裂過程中，通過DNA準確地自體復制（self-replication），把遺傳信息從親代傳給子代，這樣，DNA就能真正完成其作為遺傳信息載體的使命，從而保證遺傳物質的連續性和相對的穩定性。

　　由于DNA分子兩條鏈的堿基是互補的，一條鏈上的核苷酸排列順序可以由另一條鏈上的核苷酸排列順序決定。DNA復制過程中，首先堿基間氫斷裂，雙螺旋解旋並鬆開，然後每條多核苷酸鏈各以自己為模板（template）吸收週圍遊離核苷酸，按堿基互補原則，進行氫鍵結合。在一些聚合酶作用下，合成新的互補的鏈，與原來模板單鏈並列盤旋在一起，形成了穩定的雙螺旋結構（圖3-4）。

　　這樣新形成的2個DNA分子與原來 DNA分子的堿基順序完全一樣。每個子代DNA分子的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的,所以這種復制方式稱為半保留復制(swmi-conservative replication).

圖3－4　雙螺旋DNA半保留復制過程P1，P2：DNA親鏈；F1，F2：DNA子鏈；
示復制結果的兩個DNA分子完全相同，每個新DNA分子均由親鏈和子鏈組成

　　(四)基因的表達

　　所謂基因表達(gene expression)是指細胞在生命過程中,把儲存在DNA順序中遺傳信息經過轉錄和翻譯,轉變成具有生物活性的蛋白質分子.生物體內的各種功能蛋白質和酶都是同相應的結構基因編碼的(圖3-5)。

　　1.轉錄過程 在RNA聚合酶的催化下,以DNA為模板合成mRNA的過程稱為轉錄(transcription).在雙鏈DNA中,作為轉錄模板的鏈稱為模板鏈(template strand),或反義鏈(antisensestrand);而不作為轉錄模板的鏈稱為編碼鏈(coding strand),或有義鏈(sense strand).在雙鏈DNA中與轉錄模板互補的一條DNA鏈即編碼鏈,它與轉錄產物的差異僅在于DNA中T變為RNA中的U.在含許多基因的DNA雙鏈中,每個基因的模板鏈並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。

　　轉錄後要進行加工,轉錄後的加工包括：

　　（1）剪接：一個基因的外顯子和內含子都轉錄在一條原始轉錄物RNA分子中，稱為前mRNA(pre-mRNA)，又稱核內異質RNA（heterogenuous nuclear RNA,huRNA）。因此前mRNA分子既有外顯子順序又有內含子順序，另外還包括編碼區前面及後面非翻譯順序。這些內含子順序必須除支而把外顯子順序連接起來，才能產生成熟的有功能的mRNA分子，這個過程稱為RNA剪接（RNa splicing）。剪切發生在外顯子的3’末端的GT和內含子3’ 末端與下一個外顯子交界的AG處。

　　（2）加帽：幾乎全部的真核 mRNa 端都具“帽子”結構。雖然真核生物的mRNA的轉錄以嘌呤核苷酸三磷酸（pppAG或pppG）領頭，但在5’端的一個核苷酸總是7-甲基鳥核苷三磷酸（m7GpppAGpNp）。mNRA5’端的這種結構稱為帽子（cap）。不同真核生物的mRNA具有不同的帽子。

　　mRNA的帽結構功能：①能被核糖體小亞基識別，促使mRNA和核糖體的結合；②m7Gppp結構能有效地封閉RNa 5’末端，以保護mRNA免疫5’核酸外切酶的降解，增強mRNA的穩定

　　（3）加尾：大多數真核生物的mRNA 3’末端都有由100~200個A組成的Poly（A）尾巴。Poly(A)尾不是由DNA編碼的，而是轉錄後的前mRNA以ATP為前體，由RNA末端腺苷酸轉移酶，即Ploy(A)聚合酶催化聚合到3’末端。加尾並非加在轉錄終止的3’末端，而是在轉錄產物的3’末端，由一個特異性酶識別切點上遊方向13~20堿基的加尾識別信號AAUAAA以及切點下遊的保守順序GUGUGUG，把切點下遊的一段切除，然後再由Poly(A)聚合酶催化，加上Poly(A)尾巴，如果這一識別信號發生突變，則切除作用和多聚腺苷酸化作用均顯著降低（圖3-5）。

圖3-5 真核生物結構基因表達（DNA→RNA→蛋白質）流程圖

　　mRNAPoly(A)尾的功能是：①可能有助mRNA從核到細胞質轉運；②避免在細胞中受到核酶降解，增強mRNA的穩定性。

　　2．翻譯過程真核細胞的轉錄以及加工都是細胞核內進行，但翻譯過程則在細胞質中進行。

　　以mRNA作為模板，tRNA作為運載工具，在有關酶、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）上裝配為蛋白質多肽鏈的過程，稱為翻譯（translation）,這一過程大致可分為3個階段　（圖3-6）：

　　（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上的起始密碼子結合，然後甲酰甲硫氨酰tRNA(tRNA fMet)結合上去，構成起始復合物。通過tRNA的反密碼子UAC，識別mRNA上的起始密碼子AUG，並相互配對，隨後核糖體大亞基結合到小亞基上去，形成穩定的復合體，從而完成了起始的作用。]

　　（2）肽鏈的延和長：核糖體上有兩個結合點----P位和A位，可以同時結合兩個氨酰tRNA。當核糖體沿著mRNA從5’→3’移動時，便依次讀出密碼子。首先是tRNAfMet結合在P位，隨後第二個氨酰tRNA進入A位。此時，在肽基轉移酶的催化下，P位和A位上的2個氨基酸之間形成肽鍵。第一個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

圖3-6 翻譯過程（蛋白質合成）圖解

　　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’端移動一個密碼子的距離。第三個氨酰tRNA進入A位，與P位上氨基酸再形成肽鍵，並接受P位上的肽鏈，P位上tRNA釋放，A位上肽鏈又移到P位，如此反復進行，肽鏈不斷延長，直到mRNA的終止密碼出現時，沒有一個氨酰tRNA可與它結合，于是肽鏈延長終止。

　　（3）肽鏈的終止：終止信號是mRNA上的終止密碼子（UAA、UAG或UGA）。當核糖體沿著mRNA移動時，多肽鏈不斷延長，到A位上出現終止信號後，就不再有任何氨酰tRNA接上去，多肽鏈的合成就進入終止階段。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，然後小亞基也脫離mRNA.

　　（4）翻譯後加工（postranslational processing）：從核糖體上釋放出來的多肽需要進一步加工修飾才能形成具有生物活性的蛋白質。翻譯後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後將甲硫氨酸裂解掉。有一類基因的翻譯產物前體含有多種氨基酸順序，可以切斷為不同的蛋白質或肽，稱為多蛋白質（polyprotein）。例如胰島素（insulin）是先合成86個氨基酸的初級翻譯產物，稱為胰島素原（proinsulin），胰島素原包括A、B、C三段，經過加工，切去其中無活性的C肽段，並在A肽和B肽之間形成二硫鍵，這樣才得到由51個氨基酸組成的有活性的胰島素。

　　3．外顯子與內含子表達過程中的相對性 從內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並非都“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，幾乎全部的結構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。

　　現在已發現一個基因的外顯子可以是另一基因的內含子，所這亦然。以小鼠的澱粉酶基因為例，來源于肝的與來源于唾液腺的是同一基因。澱粉酶基因包括4個外顯子，肝生成的澱粉酶不保留外顯子1，而唾液腺中的澱粉酶則保留了外顯子1的50bp順序，但把外顯子2與前後兩段內含子一起剪切掉，經過這樣剪接，外顯子2就變成唾液澱粉酶基因中的內含子。

　　4．同一基因在不同組織能生成不同的基因產物 來源于不同組織的類似蛋白，可以由同一基因編碼產生，這種現象首先是由于基因中的增強子等有組織特異性，它能與不同組織中的組織特異因子結合，故在不同組織中同一基因會產生不同的轉錄物與轉錄後加工作用。此外真核生物基因可有一個以一的poly(A)位點，因此能在不同的細胞中產生具有不同3’末端的前mRNA，從而會有不同的剪接方式。由于大多數真核生物基因的轉錄物是先加poly(A)尾巴，然後再行剪接，因此不同組織、細胞中會有不同的因子幹預多聚腺苷酸化作用，最後影響剪接模式。降鈣素（calcitonin）基因在不同組織中的表達可作為實例（圖3-7）。

圖3-7 降鈣基因在不同的細胞中產生不同的激素

1：為非翻譯順序；2、3：為共同的編碼外顯子；
4：為降鈣素外顯子；5 a：為CGRP外顯子；5b：為CGRP3’ 非翻譯順序；
pA1、pA2：為AATAAA加尾信號；CGRP：與鈣素基因相關的多肽

　　降鈣素基因（CALCAa多肽，定位于11p15.4）中甲狀腺細胞中形成的前mRNA（短轉錄物），包含有非翻譯順序（1）、編碼外顯子（2）和（3）以及降鈣素編碼外顯子（4）（包括部分非編碼區），在轉錄物pA1位點即AAUAAA信號附近進行多聚腺苷酸化。而在下丘腦，其前mRNA（長轉錄物）中除了包含轉錄物的全部順序外，還包含有與降鈣素基因相關肽（calcitonin gene-related peptide, CGRP）的編碼外顯子（5a）和CGRP的3’末端非翻譯順序(5b)，並在轉錄物pA2處進行poly(A)加工。可是，在長轉錄物的剪接過程中，外顯子（3）的拼接點直接與CGRP編碼外顯子(5a)拼接點相連，從而刪除降鈣素的編碼外顯子（4），這樣形成兩種成熟的mRNA,分別翻譯產生降鈣素的前體和CGRP前體，然後通過酶促降產生降鈣素CGRP這兩種激素。