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基因表达全解析:转录、翻译与调控机制

时间:2025-04-02 09:27:24
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基因表达(Gene Expression)

基因表达是指将基因中的遗传信息通过转录和翻译合成功能性基因产物的过程。基因表达产物通常是蛋白质,但非蛋白质编码基因(如转移 RNA(tRNA)或小核 RNA(snRNA)基因)的表达产物则是功能性 RNA。所有已知的生命形式,无论是真核生物(包括多细胞生物)、原核生物(细菌和古细菌)还是病毒,都依赖基因表达来合成生命必需的大分子。
基因表达的调控是通过转录、RNA 剪接、翻译和翻译后修饰等步骤实现的。基因调控赋予细胞对结构和功能的控制,是细胞分化、形态发生以及生物体多功能性和适应性的基础。此外,基因调控也是进化改变的重要底物,因为基因表达的时间、位置和量的调控可以对基因在细胞或多细胞生物中的功能产生深远影响。在遗传学中,基因表达是基因型产生表型的最基本水平,存储在 DNA 中的遗传密码通过基因表达得到“翻译”,从而产生生物体的表型。因此,基因表达的调节对于生物体的发育至关重要。

转录(Transcription)

转录过程由 RNA 聚合酶(RNAP)催化,以 DNA 为模板生成 RNA 产物。RNA 聚合酶沿着 DNA 链移动,留下新合成的 RNA 链。基因组 DNA 由两条反向平行且互补的链组成,每条链具有 5' 和 3' 末端。这两条链分别称为“模板链”(用于生成 RNA 转录物)和“编码链”(含有转录本序列的 DNA 序列)。
转录在细胞核内进行,RNA 聚合酶根据碱基配对原则,依次将 RNA 核苷酸添加到生长的 RNA 链中。生成的 RNA 与模板链的 3'→5' DNA 链互补,其本身与编码链的 5'→3' DNA 链互补。因此,得到的 5'→3' RNA 链与编码 DNA 链相同,只是 DNA 中的胸腺嘧啶(T)被 RNA 中的尿嘧啶(U)取代。例如,编码链中的“ATG”通过模板链中的“TAC”间接转录为 mRNA 中的“AUG”。
原核生物的转录由单一类型的 RNA 聚合酶完成,需要一个称为 Pribnow 盒的 DNA 序列以及 sigma 因子(σ 因子)来启动转录。而真核生物的转录则由三种类型的 RNA 聚合酶完成,每种 RNA 聚合酶都需要一种称为启动子的特殊 DNA 序列和一组 DNA 结合蛋白(转录因子)来启动该过程。RNA 聚合酶 I 负责核糖体 RNA(rRNA)基因的转录;RNA 聚合酶 II(Pol II)转录所有蛋白质编码基因以及一些非编码 RNA(例如 snRNA、snoRNA 或长非编码 RNA);RNA 聚合酶 III 转录 5S rRNA、转移 RNA(tRNA)基因和一些小的非编码 RNA(例如 7SK)。当聚合酶遇到称为终止子的序列时,转录结束。

RNA 加工(RNA Processing)

原核生物的蛋白编码基因转录产生的是可以直接翻译成蛋白质的信使 RNA(mRNA),但真核基因的转录则产生初级转录本(pre-mRNA),必须经过一系列加工才能成为成熟的 RNA(mRNA)。RNA 加工包括 5' 端加帽、3' 端多腺苷酸化和 RNA 剪接。RNA 加工可能是真核生物细胞核带来的进化优势,因为核膜将转录和翻译两个过程分开,为 RNA 加工提供了时间。

非编码 RNA 的成熟(Maturation of Non-Coding RNA)

在多数生物体中,非编码基因(ncRNA)被转录为需要进一步加工的前体。核糖体 RNA(rRNA)通常被转录为含有一个或多个 rRNA 的前体 rRNA,前体 rRNA 后来在特定位点被大约 150 种不同的 snoRNA 切割和修饰。转移 RNA(tRNA)的 5' 和 3' 端序列分别被 RNase P 和 tRNase Z 去除,然后通过核苷酸转移酶在 3' 端加上非模板的 CCA 尾巴。小 RNA(miRNA)首先被转录为具有帽和 poly-A 尾的初级转录物即 pri-miRNA,然后在核内被 Drosha 和 Pasha 酶加工成短的约 70 个核苷酸的茎环结构,即 pre-miRNA。在输出到细胞质中后,内切核酸酶 Dicer 将其加工成成熟的 miRNA。pre-miRNA 和 Dicer 的相互作用同时也启动了由 Argonaute 蛋白组成的 RNA 诱导的沉默复合物(RISC)的形成。

RNA 输出(RNA Export)

在真核生物中,虽然一些 RNA 在细胞核中起作用,但大多数成熟的 RNA 必须通过核孔从细胞核输出到细胞质中。这些 RNA 包括蛋白质合成中涉及的所有 RNA 类型。在某些情况下,RNA 被另外转运到细胞质的特定部分,如突触。

翻译(Translation)

成熟 RNA 是非编码 RNA 的最终基因表达产物。但信使 RNA(mRNA)则不同,它们是编码一种或多种蛋白质合成的遗传信息的载体。每个 mRNA 由三部分组成:5' 非翻译区(5'UTR)、蛋白质编码区或开放阅读框(ORF)和 3' 非翻译区(3'UTR)。编码区携带由遗传密码编码的蛋白质合成信息,即三联体。编码区的每个核苷酸三联体称为密码子,并且对应于与转移 RNA 中的反密码子三联体互补的结合位点。具有相同反密码子序列的转移 RNA 总是携带相同类型的氨基酸。核糖体根据编码区中三联体的顺序,将氨基酸链接在一起形成多肽。核糖体有助于转移 RNA 与信使 RNA 结合,并从每个转移 RNA 中获取氨基酸,产生多肽链。原核生物的翻译通常发生在转录点(共转录),通常使用仍处于产生过程中的信使 RNA。真核生物的翻译可以发生在细胞的多个区域中,主要位置是细胞质和内质网膜。

折叠(Folding)

刚从 mRNA 序列翻译过来的蛋白质都是未折叠或无规卷曲的多肽,没有任何的三维结构。氨基酸彼此相互作用使得多肽从无规卷曲折叠成其特征性和功能性三维结构。氨基酸序列决定了蛋白质的三维结构,且正确的三维结构对于功能至关重要,尽管功能蛋白的某些部分可能仍未展开。伴侣蛋白的酶有助于新形成的蛋白质获得折叠,成为它发挥作用需要的三维结构。辅助蛋白质折叠是真核生物内质网的主要作用之一。

蛋白质运输(Protein Trafficking)

许多蛋白质定位于细胞质以外的其他细胞器,多种信号序列(信号肽)负责将蛋白质引导至它们应该在的细胞器。原核生物中,由于细胞的有限区室化,这通常是一个简单的过程。真核生物却存在多种不同的靶向过程以确保蛋白质到达正确的细胞器。并非所有蛋白质都保留在细胞内,许多蛋白质如消化酶、激素和细胞外基质蛋白通常需要被输出胞外。真核生物蛋白质输出机制比较明确,先转运到内质网,然后通过高尔基体运输出去。

转录调控(Transcriptional Regulation)

转录调控可分为三种主要途径:1)遗传调控(转录因子与靶标基因的直接相互作用);2)调控转录因子与转录机制相互作用;3)表观遗传调控(影响转录的 DNA 结构的非序列变化)。
通过转录因子直接调控靶标 DNA 表达是最简单和最直接的转录调控方法。基因的编码区周围通常都具有几个蛋白质结合位点,具有调节转录的特定功能。常见的调控蛋白质与 DNA 结合的位点有增强子、绝缘子和沉默子。调节转录的机制非常多样,可以阻断 DNA 上与 RNA 聚合酶结合的关键位点,也可以充当激活剂辅助 RNA 聚合酶结合来促进转录。
转录因子的活性进一步受到细胞内信号的调节,引起蛋白质翻译后修饰,包括磷酸化、乙酰化或糖基化。这些变化影响转录因子直接或间接与启动子 DNA 的结合、RNA 聚合酶的募集以及新合成 RNA 分子的延伸。

 

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