基因表达

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May 21, 2022

基因表达(遗传​​子发现,英文:gene expression)是构成DNA的遗传信息,即构成生物的各种蛋白质,由基因形成的过程。

大纲

基因被定义为“基因组序列中特定位置的片段,它是基因型的一个单位”。在基因组序列中,基因构成 DNA 序列的一部分,由调控部分、转录部分和赋予其他功能的部分组成。也就是说,基因可以理解为核苷酸的排列。基因中的遗传信息由信使RNA转录形成密码子单元的信息。信使RNA与自由存在的载体RNA结合形成氨基酸序列,并被转运至核糖体形成氨基酸链成为蛋白质。

吉泽

战士

基因是构成DNA特定部分的碱基序列。基因的结构由一个外显子和一个内含子部分组成,外显子表示转录的开始和结束,而内含子部分则在其中发生实际转录。在转录开始时,有一个由特定核苷酸序列组成的启动子。一个启动子引导 RNA 聚合酶在 DNA 的哪个点和哪个方向开始转录。在这个转录起始点,双螺旋展开,转录开始。RNA聚合酶与转录指令部分的操作子结合,解开DNA链,并复制与两条链之一互补的核苷酸序列,从而产生信使RNA。腺嘌呤与尿嘧啶配对,胸腺嘧啶与腺嘌呤配对,鸟嘌呤与胞嘧啶配对。如果 DNA 碱基序列是 AAA,则 RNA 聚合酶产生的信使 RNA 将是 UUU。原核生物只有一种 RNA 聚合酶来产生信使 RNA、转运 RNA 和核糖体 RNA。另一方面,真核生物对每种类型的 RNA 使用不同的聚合酶。

RNA形成

在大多数生物体中,未编码 RNA 以其先前的形式存在,并且是在必要的过程中形成的。例如,核糖体 RNA 首先转录成前核糖体 RNA,然后形成一个或多个核糖体 RNA。前核糖体RNA是由约150个核苷酸组成的核仁小分子RNA(SnoRNA),在核仁中生成,在形成过程中被氧甲基化两次裂解,转化为假尿苷成为核糖体RNA。 RNA Continuum 5 被 RNase P 去除,连续 3 的末端被 tRNase Z 酶去除。

RNA输入

大多数真核生物在核仁中制造 RNA。以这种方式产生的RNA通过核孔进入细胞质,参与蛋白质的形成过程。RNA有时会直接注入细胞质,具有特殊作用,如突触。在突触处,一种称为“邮政编码”的特殊蛋白质形成了一种运动蛋白,可以吸收 RNA。

转运RNA

转运RNA是由74-95个核苷酸序列组成的小分子RNA。在碱基序列的末端附有一个氨基酸,部分碱基序列形成与信使RNA密码子互补的反密码子。如右图所示,转运RNA与核糖体中的信使RNA结合,核糖体去除与转运RNA相连的氨基酸,将其连接到蛋白质链上。转运RNA的氨基酸转运过程如下。运输RNA的产生:运输RNA的碱基序列具有可以与特定氨基酸结合的结构。在核仁中产生能够运输所有 20 个氨基酸的转运 RNA。氨基酸负载:氨酰转运 RNA 合成酶将氨基酸与相应的转运 RNA 结合。转运:将氨基酸负载的转运 RNA 运至核糖体。

蛋白质的形成

核糖体中蛋白质的产生过程如下。制备核糖体的亚单位和大单位结合在一起。核糖体上有两个转运RNA可以进入的位点,转运RNA进来的一侧称为A位点,转运RNA出去的一侧称为P位点。当信使RNA与初始化结合时亚基和起始密码子确定后,蛋白质生产开始于引入与该位点的蛋氨酸结合的转运 RNA 延伸过程 密码子识别:携带多肽的 P 位点的 tRNA 与密码子相连。带有与 A 位信使 RNA 的密码子互补的反密码子的载体 RNA 携带氨基酸并与其结合。肽键形成:P位点的现有多肽与A位点新载体RNA的氨基酸之间形成肽键。此时,氨酰键从转运RNA的P位点转移到新的多肽上。转化:游离载体 RNA 从 P 位点释放出来。现在信使RNA可以移动一个空格并且密码子改变了。重复:随着 A 位点的携带多肽的 RNA 聚合物分子移动到 P 位点,A 位点变得空缺。在空缺的A位点,改变的密码子和互补的载体RNA重新结合。随着上述过程的重复,多肽链变长,当终止载体RNA与终止密码子结合时,合成的多肽被分离,蛋白质合成完成。

蛋白质折叠

核糖体产生的多肽是一维氨基酸链。以这种方式排列的链条必须根据其功能进行三维重构。这个过程称为蛋白质折叠。为了使酶等蛋白质正常发挥作用,不仅氨基酸的序列,而且三维结构也起着非常重要的作用。

蛋白质转移

细胞中形成的蛋白质形成细胞器或构成酶。此外,一些蛋白质被运输到身体其他部位使用。消化酶、激素和细胞外基质等蛋白质被分泌出来在细胞外起作用。细胞中产生的蛋白质的分泌在高尔基体中受到调节。

表达调控

一个活的有机体在每个细胞中都包含整个基因组。即使在人类中,每个细胞也包含所有 23 对染色体。因此,必须调节生物体发育和新陈代谢中基因的表达,使其仅在必要部分发生必要的情况。

转录调控

RNA 聚合酶转录 DNA 以制造信使 RNA,它与转录起始点(启动子)结合,即 DNA 上启动转录的特定位置,以制造信使 RNA。在这个过程中,充当阻遏物的酶和充当激活剂的酶调节转录。阻遏物:除非必要,否则许多基因不会被转录。虽然不被转录,但阻遏物与作为转录起始点一部分的操纵子结合。因此,即使 DNA 是开放的,RNA 聚合酶也不能启动转录。只有当需要转录时,阻遏物才会从 DNA 中解离出来,让 RNA 聚合酶与 DNA 结合并开始制造信使 RNA。必须打开。做。激活剂与转录起始点结合,解开 DNA 双螺旋,帮助 RNA 聚合酶结合 调节:在细胞中,阻遏物和激活剂因特定化学成分的变化而受到调节。例如,在代谢乳糖的细菌中,当糖浓度高时,抑制剂会附着在操纵子上并停止相关消化酶的产生。一段时间后,当糖作为能量被消耗时,糖浓度降低,抑制剂从操纵子中释放出来,酶又开始产生。

转录后控制

与调节 RNA 聚合酶操作的转录调控不同,转录后调控通过在转录发生后干扰几个小分子 RNA 来调节蛋白质形成。当指导特定蛋白质形成的信使 RNA 在到达核糖体的途中被小分子 RNA 像发夹一样弯曲并且在互补核苷酸之间发生剪接时,信使 RNA 不能再指导蛋白质的形成。小分子 RNA 对信使 RNA 的抑制称为 RNA 干扰。RNA 干扰作为一种有效的基因表达抑制机制。

发育和基因调控

生物体的发育是一个不断基因调控的过程。从单个受精卵到细胞分裂增殖,再到具有特殊功能的器官形成,基因表达在每个阶段都经历着不断的调控。如此一来,个体已完成发育的每一个细胞,终生都在继续扮演最终分化的角色。例如,绵羊的乳腺细胞执行与乳汁分泌有关的功能。但是,只起特定作用的体细胞也拥有所有的基因组,所以如果条件满足,它们可以再次发挥受精卵的作用。多莉的克隆证明了这些体细胞的能力。克隆人多莉(Dolly)生下了正常的后代,并且没有表现出生育问题。

测量

在生物学的许多领域,基因表达的测量是一个非常重要的因素。测量示例包括:病毒蛋白的测量 - 测量已穿透细胞的病毒基因所表达的蛋白质。生物体的癌症易感性——测量癌基因表达的蛋白质量。测定细菌青霉素抗性-β-内酰胺酶的表达。测定基因表达的方法包括测定转录的信使RNA的方法和测定产生的蛋白质的量的方法。

信使RNA测量

在基因组学中,信使 RNA 的浓度是使用微阵列测量的,微阵列是密集整合的寡核苷酸。这些寡核苷酸与其互补的信使 RNA 结合。寡核苷酸是人工合成和使用的,利用光刻技术,可以在1.64平方厘米的玻璃板上积聚28万个寡核苷酸,更先进的技术是通过聚合酶链反应进行基因表达分析。这是一种基于信使RNA的人工DNA逆转录方法。如果信使 RNA 密码子被逆转录,它将成为原始 DNA 链,因此您可以检查哪个基因被表达。基于信使RNA逆转录产生的DNA称为互补DNA。

蛋白质测量

由于信使RNA对每种类型的表达时间和方法不同,因此无法通过信使RNA测量方法直接确定蛋白质的量。出于这个原因,已经设计了一种直接测量蛋白质的方法,Western印迹是一种代表性的方法。这种方法被用于抗体形成研究等地方。

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Byeong-Yong Park 等人,Sox9 抑制对非洲爪蛙虱早期发育中 Pdx1 表达的影响,韩国解剖学会杂志,第 40 卷,第 1 期,2007

注释

脚注