第一節(jié)　基因的結(jié)構(gòu)

基因是合成有功能蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列(通常是DNA序列)，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。從功能講，基因可以分為3類:第1類是具有轉(zhuǎn)錄和翻譯功能的結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因，結(jié)構(gòu)基因編碼蛋白質(zhì)，包括編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白;調(diào)節(jié)基因可編碼阻遏蛋白。第2類是只有轉(zhuǎn)錄功能而沒有翻譯功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因。第3類是不轉(zhuǎn)錄的基因，它對基因表達(dá)起調(diào)節(jié)控制作用，包括啟動基因和操縱基因。此外，根據(jù)基因的行為和功能還有:移動基因、間隔基因和重疊基因。移動基因是從染色體的一個位置轉(zhuǎn)移到另一位置或者在不同染色體之間移動，又可稱為轉(zhuǎn)座子(transposon);間隔基因是基因轉(zhuǎn)錄區(qū)中位于編碼基因之間的，與翻譯蛋白質(zhì)無關(guān)的間隔序列;重疊基因(overlapping gene)是在同一段DNA序列中存在兩個基因的核苷酸序列彼此重疊的現(xiàn)象。

根據(jù)基因在真核細(xì)胞中的分布可分為:核基因和核外基因。核基因位于細(xì)胞核內(nèi)的DNA分子中;核外基因位于細(xì)胞核外的細(xì)胞器線粒體和葉綠體的DNA分子中，稱為線粒體基因和植物細(xì)胞的葉綠體基因。

細(xì)胞中遺傳信息的流動和表達(dá)正是通過這些基因的密切合作才能得以實現(xiàn)。

一、基因的分子結(jié)構(gòu)

DNA分子中遺傳信息的傳遞是以基因的形式進(jìn)行的。人的基因大多數(shù)為割裂基因(split gene)，分別提出這一概念的科學(xué)家Richard J．Roberts和Phillip A．Sharp獲得了1993年度諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。一般而言，一個基因包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域、轉(zhuǎn)錄區(qū)和終止子(基因下游3'端不轉(zhuǎn)錄的核苷酸序列)。以β-珠蛋白基因為例(圖8-2)，圖8-2A、B為基因控制區(qū)域，可以調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄，圖8-2C外顯子的突變可導(dǎo)致失活變異蛋白的出現(xiàn)，圖8-2D內(nèi)含子的突變可能導(dǎo)致剪接的錯誤從而編碼沒有功能的蛋白質(zhì)。調(diào)控區(qū)域中的啟動子引導(dǎo)RNA聚合酶與基因的正確部位結(jié)合，啟動轉(zhuǎn)錄;而終止子具有終止RNA聚合酶繼續(xù)移動的功能，其中轉(zhuǎn)錄區(qū)分為編碼區(qū)和非編碼區(qū)。編碼區(qū)包括一個起始密碼子(通常是AUG)、編碼密碼子和一個終止密碼子(UAA、UAG或UGA)。非編碼區(qū)(轉(zhuǎn)錄不翻譯區(qū)域)包括位于編碼區(qū)兩側(cè)5' UTR(包括一個核糖體的結(jié)合位點和一個轉(zhuǎn)錄起始信號)和3'UTR(含有一個轉(zhuǎn)錄終止信號)以及編碼區(qū)中的間隔區(qū)域稱為內(nèi)含子(轉(zhuǎn)錄不翻譯區(qū)域)。

圖8-2　真核細(xì)胞基因的典型結(jié)構(gòu)及其發(fā)現(xiàn)者Richard J．Roberts和Phillip A．Sharp

二、遺傳信息的表達(dá)及流動方向(中心法則)

DNA分子中的遺傳信息是由4種堿基的不同組合通過轉(zhuǎn)錄將其所攜帶的遺傳信息“傳抄”給mRNA，進(jìn)而mRNA通過遺傳密碼將其翻譯成特定蛋白質(zhì)的氨基酸序列。這種遺傳信息由DNA通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，形成蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達(dá)。

細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的流動方向遵守中心法則(central dogma)(即從DNA轉(zhuǎn)錄至mRNA，最后流向蛋白質(zhì))。1965年由Crick提出中心法則，他認(rèn)為生物遺傳信息的流向是從核酸到蛋白質(zhì)。此后，由于反轉(zhuǎn)錄酶等一系列發(fā)現(xiàn)，對其進(jìn)行了補(bǔ)充和修正。修正后的中心法則還包括mRNA，通過反轉(zhuǎn)錄酶合成形成DNA的方式(圖8-3)。

圖8-3　中心法則示意圖

三、遺傳信息流動的規(guī)則(遺傳密碼)

DNA所蘊(yùn)藏的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，最后表達(dá)形成蛋白質(zhì)。這種遺傳信息的流動(傳遞)必須遵循一定的規(guī)則，即由DNA通過堿基互補(bǔ)轉(zhuǎn)錄至mRNA后，由mRNA分子上相鄰的3個堿基排列形成1個遺傳密碼子，最后1個密碼子決定合成一種氨基酸，所有密碼子稱為遺傳密碼(表8-l)。由于R．W．Holley，H．G．Khorana和M．W．Nirenberg在破譯遺傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成中的作用研究方面作出突出貢獻(xiàn)而獲1968年度諾貝爾獎。

在64個密碼子中，有3個終止密碼子，它們是UAA、UAG和UGA。終止密碼子也叫標(biāo)點密碼子或叫無意義密碼子。有2個密碼子AUG和GUG同時兼作起始密碼子，其中AUG使用最普遍。一般認(rèn)為，遺傳密碼的特征包括:①連續(xù)性，遺傳密碼是連續(xù)而無標(biāo)點符號，2個密碼子之間也沒有任何核苷酸加以分隔。②方向性，密碼子的閱讀方向與mRNA合成方向一致，從5'→3'端。③兼并性，mRNA有4種堿基，3個相鄰的堿基構(gòu)成1個密碼子，所以mRNA可以有4³= 64個密碼子決定所有20種氨基酸。1個密碼子決定1種氨基酸，而1種氨基酸可以由2種或2種以上密碼子決定，這種現(xiàn)象稱為密碼子的兼并。具有兼并作用的密碼子稱為同義密碼子。1種密碼子具有2種作用被稱為兼職密碼子，如AUG，既是起始密碼子，又是甲硫氨酸的密碼子。④通用性，遺傳密碼同樣適用于病毒、原核細(xì)胞和真核細(xì)胞(線粒體和葉綠體稍有不同)。

表8-1　遺傳密碼表