第3 讲 基因的表达
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对基因表达过程中几个问题的认识
1．“有义链和反义链”的理解
一般在20世纪60年代的文献上，常把作为转录模板的那条链称为有义链。而在较新的文献上，将双链DNA中用作转录模板的那条DNA链称为模板链，与转录模板链互补的那条DNA链则称为非模板链。根据碱基互补配对原则，转录出的mRNA链的碱基序列与非模板链的碱基序列一致，惟一不同的是，非模板链中的T在mRNA链中全部置换成了U。正是由于非模板链的碱基序列实际上代表了mRNA的碱基序列，只不过在mRNA中将T换成了U，因此，非模板链又被称为编码链和有义链，而用来转录mRNA的DNA链被称为反义链(antisense strand)。因此DNA双链中的有义链和反义链与转录的mRNA链的对应关系示意图如图：
mRNA链：3'—U A C C A U U U C C U C—5'
反义链：5'—A T G G T A A A G G A G—3' (模板链)
编码链、有义链：3'—T A C C A T T T C C T C—5' (非模板链)
2．mRNA的转录并不总是以一条DNA链为模板的
某些基因以DNA双链中的一条为模板链，而另一些基因则以双链中的另一条为模板链。也就是说，没有绝对的模板链，DNA双链都可以作为模板链。因此，我们可以说DNA双链中任一条链的碱基序列都能反映DNA双链所包含的遗传信息。
3．基因的碱基数：mRNA的碱基数：氨基酸数是不是6：3：1呢
先看两个实例：
例1，人的血红蛋白中有一种蛋白质叫β－珠蛋白，它的基因有1700个碱基对，基中有3个外显子和2个内含子，能够编码146个氨基酸。
例2，人的一种凝血因子基因的186000个碱基对中有26个外显子和25个内含子，能够编码2552个氨基酸。
在第1个例子中基因的碱基数：氨基酸数=1700×2：146接近于23：1，第2个例子中其比例为186000×2：2552接近于146：1。
从上述两个例子中可以看出基因的碱基数：氨基酸数并非6：1。究其原因是：
(1)真核细胞基因的结构分为编码区和非编码区，编码区即能转录为相应的mRNA，进而指导蛋白质合成的区段。真核生物中编码区通常是间隔的，不连续的。也就是说，能够编码蛋白质的序列被不能编码蛋白质的序列分隔开成为一种断裂的形式，其中能够编码蛋白质的序列叫外显子，不能编码蛋白质的序列叫内含子。在转录时外显子和内含子能同时转录为mRNA，但转录完成后还要对mRNA进行进一步加工，即将内含子转录的区段切去，再将外显子转录的区段连接起来才能成为成熟的mRNA。因此，mRNA的碱基数应为所有外显子碱基数的1／2，并不是基因碱基数的l／2。
(2)加工后的mRNA与核糖体结合，核糖体沿着mRNA移动，在遇到起始密码时才开始翻译。起始密码通常不是最初的一组核苷酸。终止密码通常也不一定是最后一个密码子。一条长的mRNA分子可以有若干个起始密码和终止密码，并能翻译出多条肽链。因此mRNA的碱基数：氨基酸数并不是3：1。
综上所述，基因的碱基数：mRNA的碱基数：氨基酸数并不是6：3：l。不同的基因具有不同的比例关系。
4．真核细胞基因的不同区域发生突变结果不同
如果基因突变发生在非编码区上具有调控作用的序列中，如与RNA聚合酶结合位点上的核苷酸序列发生改变，使得RNA聚合酶不能识别该位点，并不能与之结合，结果编码区不能转录，此时该基因所控制的性状就不能表现。
如果基因突变发生在编码区的内含子上，使内含子中碱基序列发生改变，虽然该基因的遗传信息改变了，但这对该基因所控制合成的蛋白质结构及性状表现没有影响。因为基因表达时，编码区中的外显子和内含子虽然都转录，但转录后所形成的初级转录物还不是成熟的信使RNA，还需经过剪切和拼接过程。具体来说，剪掉内含子的转录部分，再将外显子的转录部分拼接起来，便形成了一条长度短于编码区的成熟的信使RNA，这条成熟的信使RNA才能作为翻译的模板。
如果基因突变发生在编码区的外显子上，使外显子中碱基序列发生改变，该基因的遗传信息及其决定的信使RNA中的密码子肯定要发生改变。再经翻译所形成的蛋白质以及由此蛋白质表现出的性状一般要发生改变，但不是绝对要发生改变，因为有些种类的氨基酸具有多种密码子，虽然信使RNA上的密码子改变了，但有可能变成对应同种氨基酸的另外一种密码子，翻译后蛋白质中氨基酸种类、数量、排列顺序及空间结构没有发生改变，使得突变后的基因所控制的性状没有改变。例如，当外显子中模板链上GAC突变为AAC时，相应的信使RNA中密码子就由CUG变为UUG，CUG和UUG都是亮氨酸的密码子，所以这时突变后的基因所控制合成的蛋白质及由此蛋白质表现的性状均未变化。
综上所述，真核细胞的基因发生突变，使其碱基序列发生改变，引发基因中的遗传信息以及突变基因所控制合成的信使RNA中的密码子必然发生改变，但与之相关的蛋白质结构及性状是否改变，要具体问题具体分析。
5．朊蛋白复制与疯牛病的传播
朊蛋白是一种新型具有传染性的分子形式的病原体。
致病性的朊蛋白是由正常的朊蛋白变异而来。正常情况下，人或动物体内的所有细胞均存在正常的朊蛋白，该蛋白的合成与其他所有蛋白质一样，也是由基因控制并符合现有遗传法则。正常的朊蛋白在翻译合成后发生错误折叠修饰，尽管其氨基酸组成并未变化，但其蛋白的高级结构、理化性质、生物学特性等发生诸多改变，并由此呈现致病性和传染性。发生变异后，致病性朊蛋白可与正常朊蛋白结合，并促使后者的高级结构改变，从而使更多的正常朊蛋白转变为变异型朊蛋白，由此完成复制和传染过程。这一过程就像在一筐苹果中放进一个烂苹果，其他的苹果也会很快腐烂一样。
这种由蛋白质到蛋白质、不需要DNA或RNA遗传物质介导的复制和传播方式正是变异型朊蛋白的特性。然而，所有哺乳动物的细胞内均存在正常的朊蛋白，而且均由DNA编码，也是从DNA转录生成mRNA，再由mRNA指导翻译合成正常的朊蛋白分子。研究表明缺失正常朊蛋白编码基因的小鼠，因为体内不能生产朊蛋白质，就不会感染病牛病类似疾病。现有证据表明变异型朊蛋白的复制或传播必须依赖正常的朊蛋白；变异型朊蛋白并不能以自身为模板合成一个全新的蛋白质分子，进行完全独立的复制。
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