斷裂基因

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概念:真核生物結構基因,由若干個編碼區和非編碼區互相間隔開但又連續鑲嵌而成,去除非編碼區再連接後,可翻譯出由連續胺基酸組成的完整蛋白質,這些基因稱為斷裂基因(splite gene)

在本世紀70年代以前,人們一直認為遺傳物質是雙鏈DNA,在上面排列的基因是連續的。Robert and Sharp徹底改變了這一觀念。他們以腺病毒作為實驗對象,因為它的排列序列同其他高等動物很接近,包括人。結果發現它們的基因在DNA上的排列由一些不相關的片段隔開,是不連續的。

他們的發現改變了科學家以往對進化的認識,對於現代生物學的基礎研究以及生物進化論具有重要的奠基作用,對於腫瘤以及 其他遺傳性疾病的醫學導向研究,亦具有特別重要的意義。

真核生物的基因組十分複雜,DNA的含量也比原核生物的大得多。噬菌體由於基因組很小,但又要編碼一些必不可少的蛋白鹼基顯然不夠用,這樣不僅幾乎所有的鹼基都參加編碼,而且在進化中還出現了「重疊基因」,以有限的基因編碼更多的遺傳信息真核基因組正好相反,DNA十分富餘,這樣不僅無需「重疊基因」,而且很多序列不編碼,如重複序列、間隔序列 (spacer) 和間插序列(intervening sequence) 即內含子(intron)等。但不編碼並不等於沒有功能。有的我們可能還不了解,如重複序列。間隔區和間插序列這兩個概念是不同的,間隔區是指基因間不編碼的部分,有的轉錄稱轉錄間隔區(TS),有的不轉錄稱為非轉錄間隔區(NTS)。間插序列是指基因內部不編碼的區域,也稱內含子,在初始轉錄本中存在此序列,但在加工後將被切除掉,所以常不作為翻譯的信息。間隔區常常含有轉錄的啟動子和其它上游調節序列。有的內含子也可以編碼,如成熟酶和內切酶等。

在遺傳學上通常將能編碼蛋白質的基因稱為結構基因。真核生物的結構基因是斷裂的基因。一個斷裂基因能夠含有若干段編碼序列,這些可以編碼的序列稱為外顯子。在兩個外顯子之間被一段不編碼的間隔序列隔開,這些間隔序列稱為內含子。每個斷裂基因在第一個和最後一個外顯子的外側各有一段非編碼區,有人稱其為側翼序列。在側翼序列上有一系列調控序列(圖3-3)。

調控序列主要有以下幾種:①在5′端轉錄起始點上游約20~30個核苷酸的地方,有TATA框(TATA box)。 TATA框是一個短的核苷酸序列,其鹼基順序為TATAATAAT。TATA框是啟動子中的一個順序,它是RNA聚合酶的重要的接觸點,它能夠使酶準確地識別轉錄的起始點並開始轉錄。當TATA框中的鹼基順序有所改變時,mRNA的轉錄就會從不正常的位置開始。②在5′端轉錄起始點上游約70~80個核苷酸的地方,有CAAT框(CAAT box)。CAAT框是啟動子中另一個短的核苷酸序列,其鹼基順序為GGCTCAATCT。CAAT框是RNA聚合酶的另一個結合點,它的作用還不很肯定,但一般認為它控制著轉錄的起始頻率,而不影響轉錄的起始點。當這段順序被改變後,mRNA的形成量會明顯減少。③在5′端轉錄起始點上游約100個核苷酸以遠的位置,有些順序可以起到增強轉錄活性的作用,它能使轉錄活性增強上百倍,因此被稱為增強子。當這些順序不存在時,可大大降低轉錄水平。研究表明,增強子通常有組織特異性,這是因為不同細胞核有不同的特異因子與增強子結合,從而對不同組織、器官的基因表達有不同的調控作用。例如,人類胰島素基因5′末端上游約250個核苷酸處有一組織特異性增強子,在胰島素β細胞中有一種特異性蛋白因子,可以作用於這個區域以增強胰島素基因的轉錄。在其他組織細胞中沒有這種蛋白因子,所以也就沒有此作用。這就是為什麼胰島素基因只有在胰島素β細胞中才能很好表達的重要原因。④在3′端終止密碼的下游有一個核苷酸順序為AATAAA,這一順序可能對mRNA的加尾(mRNA尾部添加多聚A)有重要作用。這個順序的下游是一個反向重複順序。這個順序經轉錄後可形成一個發卡結構(圖3-4)。發卡結構阻礙了RNA聚合酶的移動。發卡結構末尾的一串U與轉錄模板DNA中的一串A之間,因形成的氫鍵結合力較弱,使mRNA與DNA雜交部分的結合不穩定,mRNA就會從模板上脫落下來,同時,RNA聚合酶也從DNA上解離下來,轉錄終止。AATAAA順序和它下游的反向重複順序合稱為終止子,是轉錄終止的信號。

榮獲1993年諾貝爾生理學和醫學獎

發現發現斷裂基因

羅伯茨

Richard J. Roberts

美國

貝弗莉新英格蘭生物實驗室

1943年--

夏普

Phillip A. Sharp

美國

麻省理工學院癌症研究中心

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