基因表达与调控

第 6 章 · 基因表达与调控

从 DNA 到蛋白质

基因是 DNA 上的一段,其碱基序列决定一条 RNA,通常还决定一种蛋白质。基因的表达分两步:转录,即 DNA 到 RNA;以及翻译,即 RNA 到蛋白质。

图中是一段正在转动的双螺旋。它的两条链靠中间的碱基对结合在一起,这些碱基的排列顺序就是信息。

本章沿着这条信息展开:DNA 如何构成(6.1)和复制(6.2),基因如何被读成 RNA(6.3)和蛋白质(6.4),细胞如何决定读取哪些基因(6.5、6.6),序列改变时会发生什么(6.7),以及实验室如何切割、扩增和分离 DNA(6.8)。

6.1 · DNA 和 RNA

DNA 和 RNA 的结构

DNA 是细胞的遗传信息,在某些病毒中则是 RNA。二者都是由核苷酸连成的链:一个糖、一个磷酸和一个含氮碱基。

糖和磷酸交替排列,形成骨架。每条链都有方向:5′ 端有一个游离的磷酸,3′ 端的糖上有一个游离的 –OH。DNA 的两条链方向相反,即反向平行,并扭成双螺旋。

碱基通过氢键在中间配对:A 与 T(两个氢键)和 G 与 C(三个氢键)。A 和 G 是嘌呤,有两个环;C、T 和 U 是嘧啶,有一个环。每一对都是一个嘌呤配一个嘧啶,所以螺旋的宽度保持不变(约 2 nm),每 10.5 个碱基对转一圈。

查加夫法则。由于碱基配对,双链 DNA 中 A = T,G = C。如果一个样品中 A 占 30%,则 T 也占 30%,其余的 40% 平分:G 占 20%,C 占 20%。

原核生物的 DNA 在一条环状染色体中;真核生物的 DNA 在细胞核内的多条线状染色体中,缠绕在组蛋白上。二者都可能带有质粒:染色体之外的小型环状双链 DNA。

6.2 · 复制 DNA

DNA 复制

复制是半保留的:每个新的双螺旋保留一条旧链,并新增一条链,新链以旧链为模板,按碱基配对原则合成。

在复制叉处,解旋酶解开亲代螺旋,断开碱基之间的氢键。位于复制叉前方的拓扑异构酶缓解解旋造成的扭曲。

DNA 聚合酶只能把核苷酸加到链的 3′ 端,所以新链只能按 5′→3′ 方向延伸。而且它不能从零开始合成一条链:需要一小段 RNA 引物(蓝色)作为起点。

两条模板链方向相反,所以两条新链(红色)的合成方式不同:

后随链的这些片段是冈崎片段。它们的 RNA 引物被 DNA 取代,DNA 连接酶封合片段之间的缺口,使其成为一条连续的链。

DNA 聚合酶还具有校对功能,所以复制错误很少,但不会为零:留下来的错误就是突变(6.7)。

6.3 · 从 DNA 到 RNA

转录与 RNA 加工

在转录中,RNA 聚合酶在基因处打开 DNA,并以其中一条链为模板合成 RNA 拷贝。

它结合在启动子上,按 3′→5′ 方向读取模板链,并按 5′→3′ 方向合成 RNA,配对方式为 A 配 U,T 配 A,G 配 C,C 配 G。它在终止子处停止。RNA 的序列与另一条链,即编码链相同,只是以 U 代替 T。

三种 RNA 参与蛋白质的合成:mRNA 携带基因的信息;tRNA 运送氨基酸;rRNA 构成核糖体的核心。

加工。在真核生物中,最初的转录产物,即前体 mRNA,在离开细胞核之前要经过修饰:加上 5′ 帽(一个修饰过的鸟嘌呤核苷酸)和 poly-A 尾,起到保护作用并有助于翻译;内含子被剪切掉,外显子则连接起来。下面的前体 mRNA 有 1530 个核苷酸;其外显子共 480 个。

通过可变剪接,一个基因可以产生不同的 mRNA,进而产生不同的蛋白质,这取决于保留哪些外显子。

6.4 · 从 RNA 到蛋白质

翻译

在翻译中,核糖体每次读取 mRNA 上的三个碱基,每个密码子对应一个氨基酸。

起始。小亚基与 mRNA 结合,找到起始密码子 AUG;携带甲硫氨酸的第一个 tRNA 与它配对;大亚基随后结合。

延伸。每个 tRNA 都有一个反密码子,与一个密码子配对,并携带该密码子对应的氨基酸。新的 tRNA 进入 A 位;核糖体通过肽键把正在延长的肽链与它的氨基酸连接起来;核糖体向 3′ 端移动一个密码子,空载的 tRNA 从 E 位离开。

终止。遇到终止密码子(UAA、UAG、UGA)时,没有 tRNA 与之配对;释放因子使多肽链释放出来。

密码子的含义可从遗传密码表中查到,而且它几乎是通用的:细菌和人类中,相同的密码子代表相同的氨基酸,所以人的基因可以在细菌中表达。密码还具有简并性:61 个密码子对应 20 种氨基酸。

在原核生物中,mRNA 还在转录时,核糖体就已开始翻译它。逆转录病毒(如 HIV)先让信息流动方向倒过来:它们的逆转录酶把病毒 RNA 复制成 DNA,再整合进宿主的基因组。

6.5 · 基因的开启与关闭

基因表达的调控

细胞并不会时时表达它的全部基因。DNA 中的调控序列结合调控蛋白,使转录增强或减弱。

大肠杆菌(E. coli)的lac 操纵子是一个操纵子:执行同一功能(利用乳糖)的几个基因,共用一个启动子和一个操纵基因,转录成一条 mRNA。它是可诱导的,通常处于关闭状态:

阻遏蛋白由另一个基因 lacI 编码,结合在操纵基因上,阻挡 RNA 聚合酶。有乳糖时,由乳糖生成的别乳糖与阻遏蛋白结合并改变其形状;阻遏蛋白脱落,基因得以转录。(当葡萄糖也缺乏时,转录最强。)

trp 操纵子是可阻遏的,通常处于开启状态。它的阻遏蛋白本身是无活性的;色氨酸充足时,色氨酸与它结合,阻遏蛋白便结合在操纵基因上,合成色氨酸的基因随之关闭。

表观遗传变化不改变序列而调控基因。组蛋白的乙酰化使缠绕其上的 DNA 松开,允许转录;DNA 的甲基化通常使基因沉默。这些标记是可逆的,并且可以在细胞分裂时传给子细胞。

6.6 · 同一个基因组,多种细胞类型

基因表达与细胞分化

你身体里几乎每个细胞都有相同的基因。细胞之所以不同,是因为它们表达的基因不同。

真核基因由转录因子开启。通用因子帮助 RNA 聚合酶结合启动子。特异的激活因子结合增强子,增强子可能远在数千个碱基之外;DNA 弯曲,使激活因子接触启动子处的转录装置,转录随之增强。阻遏蛋白则结合并阻止转录。

图中:染色质高度压缩,处于沉默状态;乙酰基(红色)使组蛋白松开;激活因子(蓝色)结合增强子,DNA 成环,mRNA 随之合成。

每种细胞类型都有自己的一套转录因子,因此有自己的一套活跃基因和蛋白质。共有同一调控序列的基因会响应同一个因子,所以一个信号就能同时开启一整套程序。

转录之后,表达还会被进一步调节:小 RNA(如 microRNA)与特定的 mRNA 配对,阻止其翻译或使其被降解。

6.7 · 当序列改变时

突变

突变是 DNA 序列的改变。它可以改变基因所产生的蛋白质,从而改变表型。

图中对 mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA 进行突变,它编码 Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala:

同义替换把一个密码子改成编码同一种氨基酸的另一个密码子。错义替换改变一个氨基酸:GAG → GUG,谷氨酸变为缬氨酸,这就是血红蛋白中的镰状细胞突变。无义替换产生终止密码子,使蛋白质提前中断。插入或缺失一个碱基属于移码突变:其后的每个密码子都会在错误的读码框中被读取。

突变来自复制或修复中的错误,也来自辐射和化学物质。突变相对于生物的需要是随机的;其影响可能有害、中性或有益,取决于环境。突变是遗传变异的最初来源。

整条染色体也会发生变化:减数分裂中的不分离使配子多一条或少一条染色体,如 21 三体综合征(唐氏综合征)。细菌还可以横向获得基因:转化(摄取 DNA)、转导(由病毒携带)、接合(细胞之间)和转座(基因在基因组内移动)。

6.8 · 读取和复制 DNA

生物技术

四种实验方法都源于对 DNA 本质的认识。

凝胶电泳按大小分离 DNA。DNA 带负电(来自磷酸基团),所以在电场中向 + 极移动;凝胶对长片段的阻滞比对短片段更强,因此最短的片段走得最远。与样品并排跑一条已知大小的标准条带(ladder)。迁移距离随片段大小的对数匀速下降:

距加样孔 27.9 mm 的条带位于 500 bp 和 300 bp 条带之间;在直线上读取,约为 400 bp。图中,犯罪现场样品的条带与嫌疑人 2 的相吻合。

PCR(聚合酶链式反应)可以复制选定的一段 DNA:加热到 95 °C 使两条链分开,冷却到约 55 °C 使引物结合在目标序列两侧,然后升到 72 °C,让耐热的 DNA 聚合酶延伸引物。每个循环使目标序列加倍:5 个循环把 1 个拷贝变成 32 个,30 个循环约得到 1.07 十亿个。

细菌转化是把基因通过质粒导入细菌,通常还带有抗生素抗性基因,这样只有转化成功的细胞才能在含抗生素的平板上生长。

DNA 测序读出碱基的排列顺序。