基因的表達 · GeneLab

遺傳信息的轉錄

基因是有遺傳效應的 DNA 片段，但蛋白質是在細胞質裡的核糖體上合成的。DNA 先把遺傳信息「抄寫」到 RNA 上，這叫轉錄。

RNA 聚合酶結合在基因上游的啟動子上，把 DNA 雙鏈解開一小段，以其中一條鏈為模板，按鹼基互補配對原則（A–U、T–A、G–C、C–G）把核糖核苷酸一個個連起來，mRNA 從 5′ 端向 3′ 端延伸。RNA 裡沒有 T，取而代之的是尿嘧啶 U。

先讓聚合酶結合，再親手為模板鏈的每個鹼基選出配對的核糖核苷酸；然後試試換一條模板鏈、去掉啟動子。

翻譯與基因突變

mRNA 上每三個相鄰的鹼基決定一個氨基酸，叫一個密碼子。核糖體沿 mRNA 移動，每次讀一個密碼子；tRNA 一端的反密碼子與密碼子互補配對，另一端攜帶相應的氨基酸。核糖體把氨基酸連成肽鏈，遇到終止密碼子就停止，這叫翻譯。一條 mRNA 上常同時結合多個核糖體，少量 mRNA 就能迅速合成大量蛋白質。

這段 mRNA 是 β-珠蛋白基因的開頭。翻譯一遍後，在右側序列裡點一個鹼基改掉它，或者插入、缺失一個鹼基，再翻譯，比較基因突變的幾種後果。

破譯遺傳密碼

四種鹼基怎樣決定二十種氨基酸？如果兩個鹼基決定一個氨基酸，只有 4² = 16 種組合，不夠；三個鹼基有 4³ = 64 種，足夠了。

1961 年，尼倫伯格和馬太在不含 DNA 的細胞提取液里加入人工合成的 mRNA，看哪種被標記的氨基酸進入了多肽。同一年，克里克在噬菌體基因裡插入或刪除鹼基，證明密碼子由三個鹼基組成，而且從固定的起點連續地讀，不重疊、不間斷。

先選一種人工 mRNA，依次加樣、保溫、過濾測放射性；再用右側的移碼實驗比較插入 1、2、3 個鹼基的後果。

中心法則與表觀遺傳

克里克提出的中心法則：遺傳信息可以從 DNA 流向 DNA（複製），從 DNA 流向 RNA（轉錄），再流向蛋白質（翻譯）。後來發現，一些病毒能以 RNA 為模板合成 DNA（逆轉錄），或複製自身的 RNA（RNA 複製）。很多藥物正是通過阻斷其中某一步起作用。

基因控制性狀有兩條途徑：通過控制酶的合成控制代謝，如 PeaLab 裡的皺粒豌豆；或直接控制蛋白質的結構，如鐮狀細胞貧血。基因的鹼基序列不變，表達卻可以發生可遺傳的變化，比如啟動子的 DNA 甲基化使基因沉默，這叫表觀遺傳。不同細胞表達不同的基因，就是細胞分化的基礎，見 StemLab。

在右側切換遺傳系統、加入藥物，再拖動甲基化程度，看小鼠的毛色。

隨堂檢測

回顧四個課題，完成下面的選擇題。