例談基因表達過程中多種肽鏈的合成

張勇 王健

摘要闡述了生物體在基因的表達過程中，可以通過mRNA前體的選擇性剪接、一個RNA編碼多個基因、肽鏈的合成后加工等方式合成多種肽鏈。

關鍵詞 基因 選擇性剪接 肽鏈

中圖分類號Q-49 文獻標志碼E

人教版高中生物學《必修2·遺傳與進化》的第四章“基因的表達”介紹了“一個基因可轉(zhuǎn)錄出一種mRNA分子，再由這個mRNA分子翻譯出一種多肽鏈”。但教材對基因如何控制合成多種肽鏈并未涉及。對此，筆者通過查閱文獻，總結(jié)了基因表達過程中多種肽鏈的合成途徑，具體如下。

1RNA的選擇性剪接

以外顯子和內(nèi)含子為單元的基因結(jié)構形式在真核生物中普遍存在，外顯子一般參與蛋白質(zhì)的編碼，一個基因可能擁有多個外顯子。真核生物編碼蛋白質(zhì)的基因，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的初始轉(zhuǎn)錄物需要經(jīng)過復雜的加工后才能產(chǎn)生成熟的mRNA，然后mRNA進入細胞質(zhì)，經(jīng)過翻譯成為特定的蛋白質(zhì)。這些初始轉(zhuǎn)錄物包括基因的全部DNA序列（外顯子和內(nèi)含子），是mRNA的前體（pre-mRNA）。在mRNA前體離開細胞核之前，其內(nèi)含子的部分將被切除，產(chǎn)生一個由外顯子彼此相連的，具有連續(xù)編碼區(qū)的成熟的mRNA分子。在多種情況下，細胞可以通過不同的剪接方式，從同一個RNA轉(zhuǎn)錄物產(chǎn)生不同的成熟mRNA分子，從而翻譯出多種肽鏈。圖1顯示同一初始轉(zhuǎn)錄物——mRNA前體，由于剪接部分的不同而生成兩種不同的成熟mRNA分子，在不同器官中翻譯成不同蛋白質(zhì)的過程。

mRNA的選擇性剪接形式有多種，如通過選擇外顯子上不同的5或3剪接位點進行選擇性剪接;對5末端和3末端的選擇性剪接;內(nèi)部外顯子可以被選擇保留或切除;多個外顯子可以進行不同組合的可變拼接;內(nèi)含子可以被選擇保留在mRNA中等。這些不同的剪接形式形成了不同的剪接組合，產(chǎn)生了不同的剪接產(chǎn)物。有時候這種剪接組合產(chǎn)生的產(chǎn)物數(shù)目是極其驚人的。如果蠅的dscom基因經(jīng)選擇性剪接產(chǎn)生的產(chǎn)物達38000余種，超過果蠅整個基因組基因數(shù)目的兩倍。原核基因組里一般不存在這個現(xiàn)象，因為沒有外顯子、內(nèi)含子之分。

2一個RNA編碼多個基因

通常情況下，真核生物的一個成熟mRNA分子只能翻譯出一種多肽鏈，但是對于某些原核生物和RNA病毒，其RNA卻可指導合成多種多肽鏈。例如，Qp噬菌體的遺傳物質(zhì)是一條單鏈RNA，由4217個核苷酸組成。由圖2可知QpRNA含有3個起始密碼子，當Qp噬菌體侵染大腸桿菌后，QpRNA立即作為模板翻譯出成熟蛋白、外殼蛋白和RNA復制酶，因此一條QβRNA能控制合成三種多肽鏈。例如，細菌某種特定代謝途徑所需的酶是由一組基因編碼的，這樣的一組基因叫做一個操縱子，操縱子被轉(zhuǎn)錄為一個單一的mRNA，這個mRNA的每一個基因的編碼都是獨立被翻譯的。

3肽鏈的合成后加工

從核糖體上釋放出來的多肽鏈，根據(jù)其氨基酸排列順序的一級結(jié)構，可以卷曲而形成一定的空間構象。但是，它們多數(shù)還不具有正常的生理功能，要經(jīng)過多種方式的加工與修飾才能轉(zhuǎn)變成具有一定生物學活性的蛋白質(zhì)，這個過程稱為翻譯后的加工。肽鏈的水解修剪就是一種常見的加工方式。一些多肽鏈合成后，在特異蛋白水解酶作用下，去除其中某些肽段或氨基酸殘基。圖3顯示前胰島素原加工成胰島素的過程，首先胰島素基因轉(zhuǎn)錄成mRNA，然后按此mRNA為模板，翻譯合成整個肽鏈——前胰島素原。接著在信號肽酶的作用下，前胰島素原N端的信號肽被切除，而成為胰島素原。最后胰島素原在蛋白酶的作用下水解，生成胰島素和一個多肽。

總之，基因與肽鏈的關系并非是簡單的線性關系，在基因表達的過程中可通過轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平和翻譯后水平的加工等途徑控制合成多種肽鏈。