基因表達是指基因指導下的蛋白質合成過程。生物體生命活動中並不是所有的基因都同時表達，代謝過程中所需要的各種酶和蛋白質的基因以及構成細胞化學成分的各種編碼基因，正常情況下是經常表達的，而與生物發育過程有關的基因則要在特定的反應式表達。
基本介紹
- 中文名：基因表達
- 外文名：gene expression
- 套用學科：遺傳學-基因工程
- 學科：生物 化學
- 過程：轉錄-翻譯-譯後加工
- 意義：疾病的預先診斷
轉錄過程,剪接,加帽,加尾,翻譯過程,肽鏈起始,肽鏈延長,肽鏈終止,譯後加工,外顯子,實驗套用,研究進展,差異原因,
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（antisense strand）；而不作為轉錄模板的鏈稱為編碼鏈（coding strand）或有義鏈（sense strand），編碼鏈與模板鏈互補，它與轉錄產物的差異僅在於DNA中的胸腺嘧啶（T）變為RNA中的尿嘧啶（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，亦即可作為某些基因模板鏈的一條鏈，同時也可以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：
剪接
因此前mRNA分子既有外顯子序列又有內含子序列，另外還包括編碼區前面及後面非翻譯序列。這些內含子序列必須除去而把外顯子序列連線起來，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），由一個叫做剪下體的RNA和蛋白質組成的複合物執行。剪下發生在外顯子的3’末端的GT和內含子3’末端與下一個外顯子交界的AG處。
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）。mRNA 5’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的穩定性。
加尾
大多數真核生物的mRNA 3’末端都有由100~200個AA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Poly(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鹼基的加尾識別信號AAUAAA以及切點下游的保守順序GUGUGUG，把切點下游的一段切除，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。mRNA Poly(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。
翻譯過程
基因表達調控肽鏈起始
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，然後甲醯甲硫氨醯tRNA(tRNA fMet)結合上去，構成起始複合物。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，形成穩定的複合體，從而完成了起始的作用。
肽鏈延長
核糖體上有兩個結合點——P位和A位，可以同時結合兩個氨醯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，隨後第二個氨醯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個胺基酸之間形成肽鍵。第一個tRNA失去了所攜帶的胺基酸而從P位脫落，P位空載。A位上的氨醯tRNA在移位酶和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。第三個氨醯tRNA進入A位，與P位上胺基酸再形成肽鍵，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，如此反覆進行，肽鏈不斷延長，直到mRNA的終止密碼出現時，沒有一個氨醯tRNA可與它結合，於是肽鏈延長終止。
真核基因表達
真核基因表達肽鏈終止
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，就不再有任何氨醯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，肽醯tRNA的的酯鍵分開，於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。
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，某些胺基酸的羥基化、磷酸化、乙醯化、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胺基酸順序，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個胺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個胺基酸組成的有活性的胰島素。
外顯子
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”（編碼胺基酸），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胺基酸，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。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，來源於肝的與來源於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下掉，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。
基因表達調控
基因表達調控實驗套用
利用基因晶片研究乾旱脅迫下玉米基因表達
玉米是全球第一大作物、中國第二大作物，而乾旱是影響其產量的重要限制因素。山東大學生命科學院張舉仁教授的課題組利用基因晶片技術研究了開花期玉米頂葉乾旱脅迫下基因的表達。開花期是玉米需水臨界期，對乾旱脅迫反應最敏感，此時逢乾旱會使產量下降幅度最大。張教授的課題組以開花期玉米為材料，分別對其進行短期和長期的乾旱脅迫，採用全基因組晶片研究了頂葉中基因的表達情況。分析的結果表明，有197個基因在短期脅迫下差異表達（53%上調），而在長期脅迫下，則有1009個基因差異表達（32%上調）。分離得到的差異表達基因中約有一半的基因功能未知，其他基因按功能則可分為：代謝相關；細胞信號轉導；轉錄相關；蛋白質合成；細胞防禦；細胞運輸；亞細胞定位等幾大類。分析實驗表明，在短期脅迫下上調錶達的基因中，約有1/3的已知功能基因屬於信號轉導功能的分類範疇，參與細胞內不同的信號轉導途徑，這表明信號轉導相關基因在玉米對乾旱的早期反應中起重要作用。而在長期乾旱條件下，頂葉中大量的代謝相關基因差異表達。
原核基因表達調控
原核基因表達調控吸菸者肺細胞的基因表達模式有助於肺癌的早期診斷
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診斷工具。研究人員在3月出版的《自然—醫學》中報導：吸菸者肺細胞的基因表達模式也許有助於肺癌的早期診斷。
眾所周知，吸菸是肺癌的風險因子，因此吸菸者被認為是肺癌的高風險人群。吸菸者的正常上皮細胞的基因表達模型是否可用於肺癌存在狀態的一種生物標誌呢？AvrumSpira和同事進行了這一研究。在預測患者是否會向癌症發展時，他們研究的生物標誌的準確率達到90%。當與其他歷史數據結合在一起，準確率可增加到95%。
研究進展
水生所在銀鯽胚胎發育基因表達研究最新進展
Mdk是一種分泌型蛋白，在神經發育中有重要作用，並參與人類腫瘤的形成。但是，在不同種類的脊椎動物中，Mdk基因的表達模式卻大相逕庭。該文報導了從銀鯽10體節胚胎的SMARTcDNA文庫中克隆的銀鯽Mdkb基因的特徵、表達圖式及功能。在銀鯽胚胎髮育過程中，CagMdkb基因在原腸期開始表達，在10體節期時表達量上升到最高，此後表達量保持穩定。Western印跡顯示胚胎早期有一條19kDa的母源CagMdkb蛋白帶，合子CagMdkb蛋白從原腸期開始產生。大約在10體節時，19kDa的CagMdkb蛋白剪掉了信號肽，變成17kDa的成熟蛋白。在胚胎髮育早期，母源的CagMdkb蛋白在所有卵裂球的細胞質中被檢測到。
四膜蟲基因表達
四膜蟲基因表達當胚胎髮育到18體節期時，新合成蛋白的信號出現在後腦的一對巨大神經元中。此後，新合成的CagMdkb蛋白延伸到前腦、中腦、後腦的神經元和脊髓的神經纖維中。3A10抗體共定位表明這對巨大的神經元是Mauthner神經元。在銀鯽和斑馬魚受精卵中進行的基因轉移實驗發現，野生型CagMdkbRNAs的過量表達造成了胚胎前腦組織和眼睛發育受到抑制等嚴重缺陷，並發現其功能的發揮還依賴於它的分泌特性。上述結果表明，CagMdkb在魚類神經系統的早期發育中起著重要作用。
