基因的表达 · GeneLab

遗传信息的转录

基因是有遗传效应的 DNA 片段，但蛋白质是在细胞质里的核糖体上合成的。DNA 先把遗传信息“抄写”到 RNA 上，这叫转录。

RNA 聚合酶结合在基因上游的启动子上，把 DNA 双链解开一小段，以其中一条链为模板，按碱基互补配对原则（A–U、T–A、G–C、C–G）把核糖核苷酸一个个连起来，mRNA 从 5′ 端向 3′ 端延伸。RNA 里没有 T，取而代之的是尿嘧啶 U。

先让聚合酶结合，再亲手为模板链的每个碱基选出配对的核糖核苷酸；然后试试换一条模板链、去掉启动子。

翻译与基因突变

mRNA 上每三个相邻的碱基决定一个氨基酸，叫一个密码子。核糖体沿 mRNA 移动，每次读一个密码子；tRNA 一端的反密码子与密码子互补配对，另一端携带相应的氨基酸。核糖体把氨基酸连成肽链，遇到终止密码子就停止，这叫翻译。一条 mRNA 上常同时结合多个核糖体，少量 mRNA 就能迅速合成大量蛋白质。

这段 mRNA 是 β-珠蛋白基因的开头。翻译一遍后，在右侧序列里点一个碱基改掉它，或者插入、缺失一个碱基，再翻译，比较基因突变的几种后果。

破译遗传密码

四种碱基怎样决定二十种氨基酸？如果两个碱基决定一个氨基酸，只有 4² = 16 种组合，不够；三个碱基有 4³ = 64 种，足够了。

1961 年，尼伦伯格和马太在不含 DNA 的细胞提取液里加入人工合成的 mRNA，看哪种被标记的氨基酸进入了多肽。同一年，克里克在噬菌体基因里插入或删除碱基，证明密码子由三个碱基组成，而且从固定的起点连续地读，不重叠、不间断。

先选一种人工 mRNA，依次加样、保温、过滤测放射性；再用右侧的移码实验比较插入 1、2、3 个碱基的后果。

中心法则与表观遗传

克里克提出的中心法则：遗传信息可以从 DNA 流向 DNA（复制），从 DNA 流向 RNA（转录），再流向蛋白质（翻译）。后来发现，一些病毒能以 RNA 为模板合成 DNA（逆转录），或复制自身的 RNA（RNA 复制）。很多药物正是通过阻断其中某一步起作用。

基因控制性状有两条途径：通过控制酶的合成控制代谢，如 PeaLab 里的皱粒豌豆；或直接控制蛋白质的结构，如镰状细胞贫血。基因的碱基序列不变，表达却可以发生可遗传的变化，比如启动子的 DNA 甲基化使基因沉默，这叫表观遗传。不同细胞表达不同的基因，就是细胞分化的基础，见 StemLab。

在右侧切换遗传系统、加入药物，再拖动甲基化程度，看小鼠的毛色。

随堂检测

回顾四个课题，完成下面的选择题。