基因表現與調控

第 6 章 · 基因表現與調控

從 DNA 到蛋白質

基因是一段 DNA,其鹼基序列可決定一條 RNA,通常也決定一種蛋白質。表現基因需要兩個步驟:轉錄,由 DNA 到 RNA;以及轉譯,由 RNA 到蛋白質。

圖中是一段轉動的雙螺旋。它的兩條股鏈靠中間的鹼基對結合在一起,而這些鹼基的排列順序就是資訊。

本章依循這份資訊來探討:DNA 如何構成(6.1)與複製(6.2)、基因如何被讀成 RNA(6.3)與蛋白質(6.4)、細胞如何決定要讀哪些基因(6.5、6.6)、序列改變時會發生什麼事(6.7),以及實驗室如何切割、複製與分離 DNA(6.8)。

6.1 · DNA 與 RNA

DNA 與 RNA 的結構

DNA(某些病毒則是 RNA)是細胞的遺傳資訊。兩者都是由核苷酸組成的長鏈:一個糖、一個磷酸基和一個含氮鹼基。

糖與磷酸交替排列,形成骨架。每條股鏈都有方向:5′ 端有游離的磷酸基,3′ 端的糖上有游離的 –OH。DNA 的兩條股鏈方向相反,稱為反向平行,並扭成雙螺旋。

鹼基在中間以氫鍵配對:A 與 T(兩個氫鍵)和 G 與 C(三個氫鍵)。A 和 G 是嘌呤,有兩個環;C、T 和 U 是嘧啶,有一個環。每一對都是一個嘌呤配一個嘧啶,所以螺旋的寬度保持不變(約 2 nm),每 10.5 個鹼基對轉一圈。

查加夫法則。由於這種配對,雙股 DNA 中 A = T、G = C。如果樣本中 A 占 30%,則 T 占 30%,其餘的 40% 平均分給 G 和 C:G 占 20%,C 占 20%。

原核生物的 DNA 位於一條環狀染色體;真核生物的 DNA 位於數條線狀染色體,纏繞在細胞核內的組織蛋白上。兩者都可能帶有質體:位於染色體之外的小型環狀雙股 DNA。

6.2 · 複製 DNA

複製

複製是半保留式的:每個新的雙螺旋保留一條舊股鏈,並獲得一條新股鏈,新股鏈以舊股鏈為模板,藉由鹼基配對合成。

在複製叉處,解旋酶將親代螺旋解開,打斷鹼基之間的氫鍵。位於複製叉前方的拓樸異構酶則消除解旋所造成的扭轉。

DNA 聚合酶只能將核苷酸加在股鏈的 3′ 端,所以新股鏈只能朝 5′→3′ 方向延長。而且它不能從零開始合成股鏈:需要一小段 RNA 引子(藍色)作為起點。

兩條模板的方向相反,所以兩條新股鏈(紅色)的合成方式不同:

落後股的片段稱為岡崎片段。它們的 RNA 引子會被換成 DNA,再由 DNA 連接酶封合片段之間的缺口,連成一條連續的股鏈。

DNA 聚合酶還會校對,所以複製錯誤很少見,但不會是零:留下來的錯誤就是突變(6.7)。

6.3 · 從 DNA 到 RNA

轉錄與 RNA 加工

在轉錄中,RNA 聚合酶在基因處打開 DNA,並以其中一條股鏈為模板合成 RNA 複本。

它結合在啟動子上,以 3′→5′ 方向讀取模板股,並以 5′→3′ 方向合成 RNA,配對方式為 A 配 U、T 配 A、G 配 C、C 配 G。遇到終止子便停止。RNA 的序列與另一條編碼股相同,只是以 U 取代 T。

製造蛋白質需要三種 RNA:mRNA 攜帶基因的訊息;tRNA 帶來胺基酸;rRNA 構成核糖體的核心。

加工。在真核生物中,最初的轉錄產物,即前驅 mRNA,在離開細胞核之前會被修飾:加上 5′ 帽(一個修飾過的鳥嘌呤核苷酸)和 poly-A 尾,以保護它並幫助轉譯;內含子被剪除,外顯子則被接合。下方的前驅 mRNA 有 1530 個核苷酸,外顯子共有 480 個。

藉由選擇性剪接,一個基因可以產生不同的 mRNA,進而產生不同的蛋白質,取決於保留哪些外顯子。

6.4 · 從 RNA 到蛋白質

轉譯

在轉譯過程中,核糖體每次讀取 mRNA 上的三個鹼基,每個密碼子對應一個胺基酸。

起始。小次單元結合 mRNA,找到起始密碼子 AUG;攜帶甲硫胺酸的第一個 tRNA 與它配對;大次單元隨後結合。

延長。每個 tRNA 都有一個與某個密碼子配對的反密碼子,並攜帶該密碼子對應的胺基酸。新的 tRNA 進入 A 位;核糖體以肽鍵把增長中的鏈接到它的胺基酸上;核糖體向 3′ 端移動一個密碼子,空的 tRNA 從 E 位離開。

終止。遇到終止密碼子(UAA、UAG、UGA)時,沒有 tRNA 與之配對;釋放因子使多肽鏈脫離。

密碼可由遺傳密碼表讀出,而且幾乎是通用的:細菌和人類中,相同的密碼子代表相同的胺基酸,所以人類基因能在細菌中表現。密碼也具有簡併性:61 個密碼子對應 20 種胺基酸。

在原核生物中,核糖體在 mRNA 還在轉錄時就開始轉譯。反轉錄病毒(例如 HIV)則先讓資訊流向倒轉:它們的反轉錄酶把病毒 RNA 複製成 DNA,再嵌入宿主的基因組。

6.5 · 開啟與關閉基因

基因表現的調控

細胞不會隨時表現它所有的基因。DNA 上的調控序列會結合調控蛋白,使轉錄增強或減弱。

大腸桿菌(E. coli)的 lac 操縱組是一個操縱組:負責同一件事(利用乳糖)的基因,共用一個啟動子和一個操縱子,並轉錄成同一條 mRNA。它是可誘導的,通常關閉:

抑制蛋白由另一個基因 lacI 製造,附著在操縱子上,阻擋 RNA 聚合酶。當乳糖存在時,由它產生的異乳糖會結合抑制蛋白並改變其形狀;抑制蛋白脫落,基因便被轉錄。(當葡萄糖也缺乏時,轉錄最強。)

trp 操縱組是可抑制的,通常開啟。它的抑制蛋白原本是無活性的;當色胺酸充足時,色胺酸與它結合,抑制蛋白便結合操縱子,製造色胺酸的基因因而關閉。

表觀遺傳變化不改變序列就能調控基因。組織蛋白的乙醯化會使其上的 DNA 鬆開,允許轉錄;DNA 的甲基化通常使其靜默。這些標記是可逆的,且能在細胞分裂時傳下去。

6.6 · 同一個基因組,多種細胞類型

基因表現與細胞特化

你身體裡幾乎每個細胞都有相同的基因。細胞之所以不同,是因為表現的基因不同。

真核生物的基因由轉錄因子啟動。一般因子協助 RNA 聚合酶結合啟動子。特定的活化因子結合增強子,增強子可能相距數千個鹼基;DNA 彎曲,使活化因子接觸到啟動子處的轉錄機構,轉錄便增強。抑制因子則結合並加以阻擋。

圖中:染色質緊縮而靜默;乙醯基(紅色)使組織蛋白鬆開;活化因子(藍色)結合增強子,DNA 形成環,mRNA 隨之製造出來。

每種細胞類型都有自己的一組轉錄因子,因此有自己的一組活躍基因和蛋白質。共用同一調控序列的基因會對同一個因子起反應,所以一個訊號就能同時開啟一整套程式。

表現在轉錄之後也會被調節:小 RNA(例如 microRNA)與特定的 mRNA 配對,阻止其轉譯或使其被分解。

6.7 · 當序列改變時

突變

突變是 DNA 序列的改變。它可能改變基因所製造的蛋白質,進而改變表現型。

圖中使 mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA 發生突變,它編碼的是 Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala:

靜默取代是把密碼子改成另一個對應相同胺基酸的密碼子。錯義取代會改變一個胺基酸:GAG → GUG,即麩胺酸變成纈胺酸,就是血紅素中造成鐮狀細胞的突變。無義取代會產生終止密碼子,使蛋白質被截短。插入或刪除一個鹼基稱為讀序移位:其後的每個密碼子都以錯誤的讀框被讀取。

突變來自複製或修復的錯誤,也來自輻射和化學物質。突變相對於生物的需求是隨機的;其影響可能有害、中性或有益,視環境而定。突變是遺傳變異最初的來源。

整條染色體也會改變:減數分裂時的不分離會使配子多一條或少一條染色體,如 21 三體症(唐氏症)。細菌也能橫向獲得基因:轉形(吸收 DNA)、轉導(由病毒攜帶)、接合(細胞之間)和轉位(基因在基因組內移動)。

6.8 · 讀取與複製 DNA

生物科技

從 DNA 的本質,衍生出四種實驗方法。

凝膠電泳依大小分離 DNA。DNA 帶負電(來自磷酸基),所以在電場中會向 + 極移動;凝膠對長片段的阻滯比短片段大,所以最短的走得最遠。已知大小的標記梯會與樣品並排跑。距離隨大小的對數穩定下降:

距離加樣孔 27.9 mm 的條帶,位於 500 bp 與 300 bp 條帶之間;在直線上讀取,約為 400 bp。圖中,犯罪現場樣品的條帶與嫌疑人 2 的相符。

PCR(聚合酶連鎖反應)可複製選定的一段 DNA:加熱到 95 °C 使股鏈分開,冷卻到約 55 °C 讓引子結合在目標兩側,再升到 72 °C,讓耐熱的 DNA 聚合酶延長它們。每個循環使目標加倍:5 個循環可把一個拷貝變成 32 個,30 個循環則約為 1.07 十億個。

細菌轉形是用質體把基因送入細菌,常帶有抗生素抗性基因,這樣只有轉形成功的細胞能在含抗生素的培養皿上生長。

DNA 定序讀取鹼基的排列順序。