基因表达是一种细胞过程，通过该过程，特定基因中编码的信息用于产生功能性蛋白质或 RNA 分子。它发生在所有已知的生命形式中，包括真核生物、原核生物以及病毒。基因转录为 mRNA 分子以及将 mRNA 翻译为功能性蛋白质的多核苷酸链被称为分子生物学的中心法则。基因表达可以在转录、转录后修饰、翻译和翻译后修饰等过程的各个步骤中进行调节。基因的差异表达使细胞能够产生细胞功能所需的蛋白质。

涵盖的关键领域

1.什么是基因表达 – 定义、转录、翻译 2. 基因表达是如何调控的 – 真核生物和原核生物的定义、调控

关键术语：真核生物、基因表达、mRNA、原核生物、蛋白质、转录、翻译

什么是基因表达

基因表达是使用遗传指令合成基因产物的过程。通常，信息从 DNA 到 mRNA 再到蛋白质。基因表达的两个主要步骤是转录和翻译。分子生物学的中心法则如图1所示。

图 1：分子生物学的中心法则

转录

转录是指将一个基因的信息复制到一个新的RNA分子中的过程。它是真核生物和原核生物基因表达的第一步。 RNA聚合酶是参与转录的酶。转录过程中会产生三种不同类型的 RNA：信使 RNA (mRNA)、转移 RNA (tRNA) 和核糖体 RNA (rRNA)。 mRNA携带着从细胞核到细胞质的遗传信息。 tRNA 是一种接头 RNA，用作 mRNA 和氨基酸之间的物理链接。 rRNA 形成核糖体的组成部分。转录过程如图2所示。

图 2：转录

然而，在某些病毒中，遗传物质是负义 RNA。在这里，依赖于 RNA 的 RNA 聚合酶将负义 RNA 转录成 mRNA。

转录后修饰

转录后修饰是指将初级 RNA 转录物转化为成熟 mRNA 分子的过程。它们主要发生在真核基因表达中。转录产生的 mRNA 分子称为初级 RNA 转录物或前 mRNA。它经过四个步骤处理以产生成熟的 mRNA 分子：5' 加帽、聚腺苷酸化和选择性剪接。这 5' 封盖 是在前 mRNA 分子的 5' 末端添加 GTP。 聚腺苷酸化 是在前体 mRNA 分子的 3' 末端添加一个 poly-A 尾。 5' 帽和 poly-A 尾都可以防止 mRNA 分子的降解。真核基因由内含子和外显子组成。基因的氨基酸序列仅编码内含子。因此，在 RNA 剪接过程中会去除外显子。 替代拼接 是通过组合不同模式的内含子来产生几个多肽链的编码序列。真核mRNA中的转录后修饰如图3所示。

图 3：转录后修饰

大多数原核基因出现在称为操纵子的簇中。操纵子由几个受单个启动子调控的功能相关基因组成。它们转录以产生多顺反子 mRNA 分子，该分子可合成多种功能相关的蛋白质。

翻译

翻译是指对 mRNA 分子所携带的遗传密码进行解码，产生特定蛋白质的多肽链的过程。它通过核糖体发生在细胞质中。多肽链中每个氨基酸的测定涉及三个氨基酸的系统。 mRNA 中代表氨基酸的三个核苷酸称为密码子。完整的密码子系统称为遗传密码。不同的 tRNA 分子包含与 mRNA 中的每个密码子固定的反密码子。因此，它们携带用于合成多肽链的相应氨基酸。翻译如图 4 所示。

图 4：翻译

翻译后修饰

翻译后修饰是对功能性蛋白质多肽链的共价和酶促修饰。添加不同的多糖、脂质或无机基团以产生功能性蛋白质。这些修饰被称为糖基化、磷酸化、硫酸化等。还可以添加不同的辅因子来调节蛋白质的功能。胰岛素蛋白的翻译后修饰如图5所示。

图 5：翻译后修饰

基因表达是如何调控的

细胞调节基因表达以增加或减少细胞内产生的蛋白质的数量。在真核生物中，可以通过转录、转录后修饰、翻译、翻译后修饰等基因表达的各个步骤来实现。然而，在原核生物中，基因表达的调节是在基因表达的起始过程中实现的。

结论

细胞内功能蛋白的产生是通过基因组中基因的表达来实现的。基因表达的两个主要步骤是在包括真核生物、原核生物和病毒在内的各种生物体中的转录和翻译。转录是基于基因的核苷酸序列产生 mRNA 分子。翻译是基于 mRNA 分子的密码子序列产生多肽链。在真核生物中，基因表达可以在转录和翻译水平上进行调节。然而，原核生物中的基因表达在转录起始期间受到调节。

参考：

1. “10.3.1 基因表达和蛋白质合成。”植物在行动，可在此处获得。

图片提供：

1. Dhorspool 在 en.wikipedia (CC BY-SA 3.0) 上通过 Commons Wikimedia 撰写的“酶分子生物化学中心法则” 2. 基因组学教育计划的“转录过程（13080846733）”——转录过程（CC BY 2.0）通过 Commons Wikimedia 3. CNX OpenStax 撰写的“图 15 03 02” –（CC BY 4.0）通过 Commons Wikimedia 4. OpenStax 撰写的“0324 DNA 翻译和密码子”–（CC BY 4.0）通过 Commons Wikimedia 5.“胰岛素路径”作者由 Fred the Oyster (CC BY-SA 4.0) 通过 Commons Wikimedia 上传