基因表达

基因表达是指细胞在生命过程中，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RNA聚合酶的催化下，以DNA为模板合成mRNA的过程称为转录。在双链DNA中，作为转录模板的链称为模板链，或反义链；而不作为转录模板的链称为编码链，或有义链。模板链与编码链互补，转录产物的RNA序列与编码链相似，仅T变为U。在多基因的DNA双链中，每个基因的模板链并不总是在同一条链上。

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。前mRNA分子需切除内含子并将外显子连接起来，产生成熟的有功能的mRNA分子，这个过程称为RNA剪接。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 5'端都具“帽子”结构，即7-甲基鸟核苷三磷酸（m7GpppAGpNp）。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结构能有效封闭RNA 5'末端，保护mRNA免受5'核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定性。

加尾：大多数真核生物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，而是转录后由Poly(A)聚合酶催化聚合到3'末端。加尾信号为AAUAAA和下游保守序列GUGUGUG。mRNA Poly(A)尾的功能：①有助于mRNA从核到细胞质的转运；②避免在细胞中受核酶降解，增强mRNA的稳定性。

以mRNA作为模板，tRNA作为运载工具，在相关酶、辅助因子和能量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。这一过程大致可分为3个阶段：

• 肽链的起始：核糖体小亚基与mRNA起始密码子结合，甲酰甲硫氨酰tRNA识别起始密码子AUG，形成起始复合物。
• 肽链的延长：核糖体沿mRNA从5'→3'移动，依次阅读密码子，在肽基转移酶催化下形成肽键，肽链不断延长。
• 肽链的终止：终止密码子（UAA、UAG或UGA）出现时，释放因子作用下肽链释放，核糖体脱离mRNA。

翻译后加工：从核糖体释放的多肽需进一步加工修饰才能形成具有生物活性的蛋白质，包括肽链切断、羟基化、磷酸化、乙酰化、糖基化等。例如胰岛素先合成86个氨基酸的胰岛素原，后切去C肽段并形成二硫键，得到51个氨基酸的有活性胰岛素。

外显子与内含子在表达中具有相对性：一个基因的外显子可以是另一基因的内含子。例如小鼠的淀粉酶基因，肝生成的淀粉酶不保留外显子1，而唾液腺中的淀粉酶保留了外显子1的50bp顺序，但将外显子2与前后内含子一起剪切掉，使外显子2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，这种现象首先是由于增强子的组织特异性，其次真核生物基因可有一个以上的poly(A)位点，导致不同剪接方式。

利用基因芯片研究干旱胁迫下玉米基因表达：山东大学张举仁课题组利用基因芯片技术研究开花期玉米顶叶干旱胁迫下基因表达。短期胁迫下有197个基因差异表达（53%上调），长期胁迫下有1009个基因差异表达（32%上调）。功能分类包括代谢、信号转导、转录、蛋白质合成、细胞防御、细胞运输等。短期胁迫下上调表达的基因中约1/3属于信号转导功能，表明信号转导在早期反应中起重要作用；长期干旱条件下大量代谢相关基因差异表达。

吸烟者肺细胞基因表达模式与肺癌早期诊断：研究表明，吸烟者正常上皮细胞的基因表达模型可作为肺癌存在状态的生物标志。Avrum Spira等研究的生物标志预测准确率达90%，结合其他历史数据可增至95%。

银鲫胚胎发育基因表达研究：Mdk是一种分泌型蛋白，在神经发育中起重要作用。银鲫Mdkb基因在原肠期开始表达，10体节期表达量最高。胚胎早期有19kDa母源蛋白，合子蛋白从原肠期产生，10体节时信号肽被剪切变成17kDa成熟蛋白。过量表达野生型CagMdkb RNA造成脑和眼睛发育缺陷，表明其在神经系统早期发育中起重要作用。

DNA个体差异导致基因表达蛋白大不同：人类基因组中存在约1500万个单核苷酸多态性（SNP），通过全基因组关联研究分析健康人和疾病患者的SNP分布，可揭示致病基因线索。

• 张举仁等. 基因芯片研究干旱胁迫下玉米基因表达. 山东大学学报, 2007.
• Spira A, et al. Airway epithelial gene expression in the diagnostic evaluation of smokers with suspect lung cancer. Nat Med, 2007.
• Alberts B, et al. Molecular Biology of the Cell. 6th ed. Garland Science, 2014.
• Lewin B. Genes IX. Jones & Bartlett Learning, 2008.