第三节
基因的功能

基因是DNA分子上的特定片段，基因的功能与DNA链上的核苷酸序列密切相关。基因的功能与DNA的功能是一致的，基本功能包括三方面：①遗传信息的储存，反映在特定的核苷酸组合里；②遗传信息的扩增和传代，体现为DNA的自我复制以及在子代细胞中的再分配；③遗传信息的表达，DNA上的基因先转录成mRNA，再翻译成细胞内的蛋白质，进而决定生物的性状。基因功能的实现，依赖于DNA复制、转录和翻译，可概括为遗传信息传递的“中心法则”（图2-2）。

一、遗传信息的储存

经过多年的研究证实，在DNA脱氧核苷酸长链上3个相邻碱基序列构成一个三联体，每个三联体密码能编码某种氨基酸，所以三联体是遗传信息的具体表现形式。因而三联体又称三联体密码（triplet code）、遗传密码（genetic code）或密码子（codon）。

二、基因的复制

基因的复制是伴随着DNA复制而实现的，DNA的复制方式为半保留复制。

首先，解旋酶松弛DNA双螺旋结构，解链酶解开DNA双链，然后每条单链各自作为模板，在引物酶催化下，按碱基互补原则（A-T、C-G），以游离的三磷酸脱氧核糖核苷（dNTP）为原料，在复制起始部位结合上互补的RNA引物，在DNA聚合酶和DNA连接酶作用下，在引物3′端后逐步合成出新的DNA互补链，其延伸合成的两条互补链分别与各自的模板链并列盘绕，形成稳定的DNA螺旋结构。结果每个子代DNA双链中的一条链来自亲代，另一条链则是新合成的，称为半保留复制（semi-conservative replication）。研究证实，半保留复制是十分精确的，从而确保了遗传物质结构在世代相传中的稳定性。

三、基因的表达

基因表达（gene expression）是指存在于基因中的遗传信息，通过转录和翻译转变为由特定的氨基酸种类和序列构成的多肽链，再由多肽链构成蛋白质，从而形成生物体特定性状的过程。

（一）转录

以DNA为模板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的过程称为转录（transcription）。真核生物及人类的转录过程在细胞核中进行。

1. 转录的过程 转录是DNA分子上的遗传信息传递到RNA的过程。转录时，以DNA双链中3′→5′单链为模板链，按碱基互补配对原则，以4种三磷酸核苷酸（ATP、GTP、CTP、UTP）为原料，在启动子的控制下，在RNA聚合酶的催化下，从转录起始点开始，以碱基互补的方式合成出一条单链的RNA（图2-3）。

2. 转录产物的加工和修饰 转录终产物RNA包括mRNA、tRNA、rRNA。刚转录形成的RNA要经过加工和修饰，才能成熟并具备正常功能。由RNA聚合酶Ⅱ催化所形成的原始转录产物，要比成熟的mRNA大4～5倍，称为核内异质RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）。hnRNA必须经过加工和修饰，才能形成有功能的mRNA。hnRNA的加工一般包括戴帽、加尾和剪接等步骤。

（1）戴帽（capping）：指在初级转录产物的5′端加上“7-甲基鸟嘌呤核苷酸”帽子（m7′GpppN）。戴帽的作用是促进mRNA与核糖体的结合，封闭mRNA 5′端，使之不能再添加核苷酸和不易被磷酸酶及核酸酶降解，提高翻译的效率，增强mRNA的稳定性。另外，所戴的帽能够被核糖体的小亚基所识别，从而促使mRNA同核糖体结合，以利于遗传密码子的翻译。

（2）加尾（tailing）：大多数真核生物的初级转录产物均需在3′末端加上一段多聚腺苷酸（poly A）的尾巴，长度100～200个腺苷酸。这一过程也称为polyA化或加尾。poly A尾巴的功能主要是：①有助于成熟的mRNA从细胞核进入细胞质；②避免核酸酶的降解作用，增加mRNA的稳定性；③使内含子两端剪接位点排列在一条直线上，以进行准确的剪接和加工。

（3）剪接（splicing）：真核生物的结构基因被若干内含子所间隔，因而初级转录产物hnRNA的序列中还有由内含子转录而来的非编码序列，只有将这些非编码序列切除，然后把各个外显子按照一定的顺序准确地拼接起来，才能形成成熟的mRNA。每个内含子的5′端起始处有GT序列，3′端尾部有AG序列，这两个序列为高度保守的一致序列，它们是酶切和拼接的信号；同样，转录出的tRNA和rRNA最后也要经过相应的加工和修饰，才具有生物学功能。一个基因可能有不同的剪接方式，从而使同一个基因可转录、翻译出不同的蛋白质。据估计，人类一个基因平均可编码2～3条多肽链。

（二）翻译

翻译（translation）是指在mRNA指导下的蛋白质生物合成过程。翻译过程实际上就是把DNA转录到mRNA的遗传信息“解读”为多肽链上的不同氨基酸种类和顺序的过程。翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA、核糖体、有关酶以及蛋白质辅助因子的共同作用，还需要各种活化的氨基酸作为原料，并依赖ATP、GTP提供能量。整个过程在细胞质中的核糖体（ribosome）上进行，可分为蛋白质合成的起始、肽链的延伸、蛋白质合成的终止几个步骤（图2-4）。

新合成的多肽需要进一步修饰、加工才具有生物学功能。转录和翻译是基因中的遗传信息表现为特定性状的两个功能过程。它们紧密联系，在真核细胞中分别在细胞核和细胞质中进行。

四、基因表达的调控

生物体的生理生化过程是通过各种功能蛋白而得以实现的，并且与基因表达的调节和控制密切相关。虽然每个细胞都含有该物种的全套基因，但在特定的个体发育阶段，只有部分基因根据需要“定时定量”地表达和关闭，表现为阶段特异性或时间特异性。在不同的组织细胞中，基因表达情况也不相同，只是一些与该组织器官功能相关的基因得以表达，表现为组织特异性或空间特异性。基因表达的调控决定了上述基因表达的时空特性，是生物体能不断适应环境变化、调节自身代谢、生存并繁衍的前提。

真核生物的基因表达调控十分精细和复杂，目前对其了解并不全面，一般认为真核基因的调控在五个水平上进行。

（一）转录前调控

真核生物基因组DNA通常与组蛋白及少量非组蛋白等结合成染色质。酸性的非组蛋白带负电荷，与带正电荷的碱性组蛋白结合成复合物，后者与带负电荷的DNA排斥而脱离，使相应的DNA片段裸露，易被RNA聚合酶识别结合，从而启动基因转录。

（二）转录水平调控

转录调控涉及DNA顺式作用元件和反式作用因子之间的DNA-蛋白质的相互作用，以及反式作用因子之间的蛋白质-蛋白质相互作用来完成的。主要是反式作用因子结合顺式作用元件后影响转录起始复合物的形成过程。转录激活因子（如增强子结合因子）与增强子序列作用，可提高转录效率并决定基因表达的组织特异性。转录抑制因子可与抑制子序列作用，从而降低转录效率。

真核基因转录水平的调控是十分复杂的，不同基因的调控方式既有某些共同之处，又各有其特点而不尽相同。但就某一特定基因而言，转录因子尤其是特异转录因子的性质和数量是转录调控的关键。

（三）转录后调控

转录后的调控主要是对hnRNA进行加工和修饰，使之最终变成成熟的、有功能的mRNA。其中一些特异酶决定了加工和修饰的方式、效率和精确性。

（四）翻译水平调控

翻译水平调控主要包括了对mRNA的稳定性和翻译效率等的调节。

（五）翻译后调控

翻译后的调控主要是对翻译初始产物的加工和组装的调节。刚翻译出来的多肽链，需要进一步修饰、加工和组装，才能具有活性。例如，人类α珠蛋白肽链、β珠蛋白肽链必须各结合一个血红素构成单体，再聚合成α ₂ β ₂ 四聚体，才能具备携带氧气和二氧化碳的功能。 2kwvVD0FkGfK84amG3wXfcY4VyjP21loOh7UuBatg10lIDRAb7mGDkrW/ZJ1NbCF