中文名：基因表达

外文名：geneexpression

应用学科：遗传学-基因工程

学科：生物、化学

过程：转录-翻译-加工

意义：疾病的预先诊断

表达产物：蛋白质/RNA

基因表达产物通常是蛋白质，但是非蛋白质编码基因如转移RNA（tRNA）或小核RNA（snRNA）基因的表达产物是功能性RNA。

所有已知的生命，无论是真核生物（包括多细胞生物）、原核生物（细菌和古细菌）或病毒，都利用基因表达来合成生命的大分子。

基因表达可以通过对其中的几个步骤，包括转录，RNA剪接，翻译和翻译后修饰，进行调控来实现对基因表达的调控。基因调控赋予细胞对结构和功能的控制，基因调控是细胞分化、形态发生以及任何生物的多功能性和适应性的基础。基因调控也可以作为进化改变的底物，因为控制基因表达的时间、位置和量可以对基因在细胞或多细胞生物中的功能（作用）产生深远的影响。

在遗传学中，基因表达是基因型产生表型的最基本水平。存储在DNA中的遗传密码通过基因表达得到“翻译”，并且基因表达的特性产生生物体的表型。因此，基因表达的调节对于生物体的发育至关重要。

转录

转录过程由RNA聚合酶（RNAP）进行，以DNA为模板，产物为RNA。RNA聚合酶沿着一段DNA移动，留下新合成的RNA链。

基因组DNA由两条反向平行和反向互补链组成，每条链具有5'和3'末端。这两条链分别称为“模板链”（产生RNA转录物的模板）和“编码链”（含有转录本序列的DNA序列)。

转录在细胞核内进行。根据碱基配对原则，RNA聚合酶一次将一个RNA核苷酸添加到生长的RNA链中。该RNA与模板链的的3'→5'DNA链互补，其本身与编码链的5'→3'DNA链互补。因此，得到的5'→3'RNA链与编码DNA链相同，只是DNA中的胸腺嘧啶（T）被RNA中的尿嘧啶（U）取代。编码链中的“ATG”通过模板链中的“TAC”间接转录为mRNA中的“AUG”。

原核生物的转录是通过单一类型的RNA聚合酶进行的，需要一个称为PribNOw盒的DNA序列以及sigma因子（σ因子）以开始转录。真核生物的转录由三种类型的RNA聚合酶进行，每种RNA聚合酶需要一种称为启动子的特殊DNA序列和一组DNA结合蛋白（转录因子） 来启动该过程。 RNA聚合酶I负责核糖体RNA（rRNA）基因的转录。 RNA聚合酶II（Pol II）转录所有蛋白质编码基因以及一些非编码RNA（例如snRNA，snoRNA或长非编码RNA）。 RNA聚合酶III转录5S rRNA，转移RNA（tRNA）基因和一些小的非编码RNA（例如7SK）。当聚合酶遇到称为终止子的序列时，转录结束。

RNA加工

原核蛋白编码基因的转录产生的是可以翻译成蛋白质的信使RNA（mRNA），但真核基因的转录会产生RNA的初级转录本（pre-mRNA），必须经过一系列加工才能成为成熟RNA（mRNA）。RNA的加工包括5端加帽、3端多腺苷酸化和RNA剪接。RNA加工可能是真核生物细胞核带来的进化优势。在原核生物中，转录和翻译一起发生，而在真核生物中，核膜将两个过程分开，为RNA加工提供了时间。

非编码RNA的成熟

多数生物体中的非编码基因（ncRNA）被转录为需要进一步加工的前体。核糖体RNA（rRNA）通常被转录为含有一个或多个rRNA的前体rRNA，前体rRNA后来在特定位点被大约150种不同的snoRNA切割和修饰。转移RNA（tRNA）的5'和3'端序列分别被RNase P和tRNase Z去除，然后通过核苷酸转移酶加入在3'加上非模板CCA尾巴。小RNA（miRNA）首先被转录为具有帽和poly-A尾的初级转录物即pri-miRNA，然后在核内被Drosha和Pasha酶加工成短的约70个核苷酸的茎环结构，即pre-miRNA。在输出到细胞质中后，内切核酸酶Dicer将其加工成成熟miRNA. pre-miRNA和Dicer的相互作用同时也启动了由Argonaute蛋白组成的RNA诱导的沉默复合物（RISC）的形成。

RNA输出

真核生物中，虽然一些RNA在细胞核中起作用，但大多数成熟的RNA必须通过核孔从细胞核输出到细胞质中。这些RNA包括蛋白质合成中涉及的所有RNA类型。在某些情况下，RNA被另外转运到细胞质的特定部分，如突触。

翻译

成熟RNA是非编码RNA的最终基因表达产物。但信使RNA（mRNA）则不同，它们是编码一种或多种蛋白质合成的遗传信息的载体。 每个mRNA由三部分组成：5'非翻译区（5'UTR），蛋白质编码区或开放阅读框（ORF）和3'非翻译区（3'UTR）。编码区携带由遗传密码编码的蛋白质合成信息即三联体。编码区的每个核苷酸三联体称为密码子，并且对应于与转移RNA中的反密码子三联体互补的结合位点。具有相同反密码子序列的转移RNA总是携带相同类型的氨基酸。核糖体根据编码区中三联体的顺序，将氨基酸链接在一起形成多肽。核糖体有助于转移RNA与信使RNA结合，并从每个转移RNA中获取氨基酸，产生多肽链。 原核生物的翻译通常发生在转录点（共转录），通常使用仍处于产生过程中的信使RNA。真核生物的翻译可以发生在细胞的多个区域中。主要位置细胞质和内质网膜。

折叠

刚从mRNA序列翻译过来的蛋白质都是未折叠或无规卷曲的多肽，没有任何的三维结构。氨基酸彼此相互作用使得多肽从无规卷曲折叠成其特征性和功能性三维结构。氨基酸序列决定l了蛋白质的三维结构，且正确的三维结构对于功能至关重要，尽管功能蛋白的某些部分可能仍未展开。伴侣蛋白的酶有助于新形成的蛋白质获得折叠，成为它发挥作用需要的三维结构。辅助蛋白质折叠是真核生物内质网的主要作用之一。

蛋白质运输

许多蛋白质定位于细胞质以外的其它细胞器，多种信号序列（信号肽）负责将蛋白质引导至它们应该在的细胞器。原核生物中，由于细胞的有限区室化，这通常是一个简单的过程。真核生物却存在多种不同的靶向过程以确保蛋白质到达正确的细胞器。

并非所有蛋白质都保留在细胞内，许多蛋白质如消化酶、激素和细胞外基质蛋白通常需要被输出胞外。真核生物蛋白质输出机制比较明确，先转运到内质网，然后通过高尔基体运输出去"。

转录调控

可分为三种主要途径：1）遗传调控（转录因子与靶标基因的直接相互作用）；2）调控转录因子与转录机制相互作用，3）表观遗传调控（影响转录的DNA结构的非序列变化）。

通过转录因子直接调控靶标DNA表达是最简单和最直接的转录调控改变转录水平的方法。基因的编码区周围通常都具有几个蛋白质结合位点，具有调节转录的特定功能。常见的调控蛋白质与DNA结合的位点有增强子、绝缘子和沉默子。调节转录的机制非常多样，可以阻断DNA上与RNA聚合酶结合的关键位点，也可以充当激活剂辅助RNA聚合酶结合来促进转录。

转录因子的活性进一步受到细胞内信号的调节，引起蛋白质翻译后修饰，包括磷酸化\乙酰化或糖基化。这些变化影响转录因子直接或间接转录因子与启动子DNA的 结合、RNA聚合酶的募集以及新合成RNA分子的延伸。

真核生物中的核膜通过允许这些转录因子在细胞核中存在的持续时间来进一步调控转录环境刺激或内分泌信号可能导致调节蛋白的修饰，引发细胞内信号的级联，导致基因表达的调节。

表观遗传对转录具有显著影响。一般来说，表观遗传会改变DNA与蛋白质的结合，从而影响转录。

DNA甲基化是表观遗传对基因表达影响的广泛机制，并且在细菌和真核生物中可见，在可遗传的转录沉默和转录调节中起作用。在真核生物中，由组蛋白密码控制的染色质结构影响DNA的获取，对常染色质和异染色质区域中的基因表达具有显着影响。

转录后调控

真核生物的RNA被翻译之前需要通过核孔输出，因此核输出对基因表达有着显著影响。所有进出细胞核的mRNA的运输都是通过核孔进行的，受到各种输入蛋白和输出蛋白的控制。

携带遗传密码的mRNA需要存活足够长的时间才能被翻译，因为mRNA在翻译之前必须经过很长距离的运输。在典型的细胞中，RNA分子仅在特异性保护的条件下才是稳定的，不被RNA酶降解。 RNA降解对真核细胞基因表达调控特别重要。在真核生物中，RNA通过某些转录后修饰，特别是5端戴帽和3端多腺苷酸化而获得稳定。

翻译调控

翻译调控的效果不如转录调控或调控mRNA的稳定性，但也偶尔得到使用。抑制蛋白质翻译是毒素和抗生素的主要作用目标，因此它们可以通过超越其正常的基因表达控制来杀死细胞。蛋白质合成抑制剂包括抗生素新霉素和毒素蓖麻毒素。

翻译后调控

翻译后修饰（PTM）是对蛋白质的共价修饰。像RNA剪接一样，它们有助于使蛋白质组更加丰富多样。这些修饰通常由酶催化。此外，诸如氨基酸侧链残基的共价添加这样的修饰过程通常可以被其它酶逆转。但蛋白水解酶对蛋白质骨架的水解切割是不可逆转的。PTM在细胞中发挥着许多重要作用。例如，磷酸化主要涉及激活和失活蛋白质以及信号传导途径。PTM参与转录调控，因为乙酰化和甲基化的一个重要功能是组蛋白尾部修饰，它改变了DNA的可转录性。