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

以外顯子和內含子為單元的基因結構形式在真核生物中普遍存在，外顯子一般參與蛋白質的編碼，一個基因可能擁有多個外顯子。真核生物編碼蛋白質的基因，經過轉錄產生的初始轉錄物需要經過復雜的加工后才能產生成熟的mRNA，然后mRNA進入細胞質，經過翻譯成為特定的蛋白質。這些初始轉錄物包括基因的全部DNA序列（外顯子和內含子），是mRNA的前體（pre-mRNA）。在mRNA前體離開細胞核之前，其內含子的部分將被切除，產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轉錄物產生不同的成熟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，產生了不同的剪接產物。有時候這種剪接組合產生的產物數(shù)目是極其驚人的。如果蠅的dscom基因經選擇性剪接產生的產物達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，要經過多種方式的加工與修飾才能轉變成具有一定生物學活性的蛋白質，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錄水平、轉錄后水平和翻譯后水平的加工等途徑控制合成多種肽鏈。