基因表达是一种细胞过程，通过这种过程，编码在特定基因中的信息被用来产生一种功能性蛋白质或RNA分子。它发生在所有已知的生命形式，包括真核生物，原核生物以及病毒。基因转录成mRNA分子和mRNA翻译成功能蛋白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不同的过程中进行调控。基因的差异表达使细胞产生细胞功能所需的蛋白质。

覆盖的关键领域

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

关键词：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(gene expression)？

基因表达是利用遗传指令合成基因产物的过程。一般来说，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。

Figure 1: Central Dogma of Molecular Biology

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将遗传信息从细胞核传递到细胞质。tRNA是一种衔接RNA，作为mRNA和氨基酸之间的物理连接。rRNA是核糖体的组成部分。转录过程如图2所示。

Figure 2: Transcription

然而，在某些病毒中，遗传物质是负义RNA。在这里，依赖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。由转录产生的mRNA分子被称为初级RNA转录物或前mRNA。经过四个步骤：5'封盖、多聚腺苷酸化和选择性剪接来产生成熟的mRNA分子。5'封顶是将GTP添加到前mRNA分子的5'末端。多聚腺苷酸化是在前mRNA分子的3'端加上一个聚-a尾。5'帽和poly-A尾都能阻止mRNA分子的降解。真核基因由内含子和外显子组成。只有内含子编码的氨基酸序列的基因。因此，外显子在RNA剪接过程中被移除。选择性剪接是通过组合不同的内含子模式产生多条多肽链的编码序列。真核细胞mRNA的转录后修饰如图3所示。

Figure 3: Post-Transcriptional Modificati***

大多数原核基因以操纵子的形式出现。操纵子由几个功能相关的基因组成，这些基因由一个启动子调控。它们转录产生一个多顺反子mRNA分子，合成多种功能相关的蛋白质。

翻译

翻译是指由mRNA分子携带的遗传密码被解码，产生特定蛋白质的多肽链的过程。它通过核糖体出现在细胞质中。三种氨基酸组成的体系用于测定多肽链中的每种氨基酸。mRNA中代表一个氨基酸的三个核苷酸被称为密码子。完整的密码子系统称为遗传密码。不同的tRNA分子含有与mRNA中每个密码子固定的反密码子。因此，它们携带合成多肽链所需的相应氨基酸。翻译如图4所示。

Figure 4: Translation

翻译后修饰

翻译后修饰是对功能蛋白多肽链的共价和酶修饰。添加不同的多糖、脂类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。不同的辅因子也可以被添加来调节蛋白质的功能。胰岛素蛋白质的翻译后修饰如图5所示。

Figure 5: Post-Translational Modificati***

基因表达是如何调控的

细胞通过调节基因表达来增加或减少细胞内产生的蛋白质数量。在真核生物中，它可以通过转录、转录后修饰、翻译和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，基因表达的调控是在基因表达的起始阶段实现的。

结论

细胞内功能蛋白的产生是通过基因在基因组中的表达来实现的。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中的转录和翻译。转录是根据基因的核苷酸序列产生一个mRNA分子。翻译是根据mRNA分子的密码子序列产生多肽链。在真核生物中，基因的表达可以在转录和翻译水平上进行调节。然而，基因在原核生物中的表达在转录起始时受到调控。

引用

1.“10.3.1基因表达和蛋白质合成。” 植物在行动，这里提供。