当前课程知识点：现代生物学导论 > 第七讲 基因的表达和调控 > 7.1 基因表达综述 > 7.1 基因表达综述
我们以前学习过基因是控制可遗传性状的，是DNA分子的一部分
那么基因到底是如何控制性状的，或者说基因是如何作用的呢
我们的细胞是如何把这个遗传信息翻译成一个具体的性状的
比如血型，花的颜色，或者是镰刀型红细胞
镰刀型贫血症是由于红细胞中的一种关键的蛋白
beta-血红蛋白发生了异常而导致的
这种蛋白之所以出现异常是由于编码这种蛋白的基因出现了异常
那么从这个例子我们可以得出这个结论
一种生物的DNA可以控制某种性状是通过合成蛋白质来实现的
不过，并非所有细胞的全部基因总在不断地表达
事实上，生命依赖于细胞在不同时间，不同空间
以不同的组合，表达不同的基因
甚至对于一些低等的细菌来讲，它们也是在有的时候表达特定的基因
比如说当它们遇到某种营养物的时候
它们专门合成出代谢这种营养物的酶
而同时又不合成没有遇到的营养物代谢所需要的酶
对于高等生物人类来讲
在我们人体内每个细胞所包含的都是相同的基因
但是在合成某种特定类型的细胞的时候表达的一套基因
和合成另外一种类型所表达的基因是不一样的
在我们这一章的学习当中，我们首先来介绍和基因表达相关的概念
比如中心法则、遗传密码等等
然后我们还会介绍基因表达的一些过程
转录、翻译和RNA剪接
然后，我们会具体讨论原核生物和真核生物基因表达的调控
包括乳糖操纵子、转录因子的调控
非编码RNA的调控和染色体结构的调控
再讲基因表达之前，我们先举一个例子
比如，我们想做pizza
所以在做pizza的时候，首先我们要找到一本烹饪书
然后我们要翻到pizza菜谱这一页
按照菜谱来准备
那么当然，我们在做菜的时候需要一个厨师来做菜
然后我们需要准备原材料，比如面粉、鸡蛋还有pizza所需要的一些菜
最后做出来的成品就是pizza
那么这个和我们今天要讲的基因表达有什么关系呢
基因表达的过程就是从DNA序列到合成出蛋白质的过程
我们可以把这个做菜的过程和基因表达的过程做一个类比
从DNA到蛋白质的过程就是我们根据菜谱做出pizza的过程
那么这个烹饪书就相当于DNA，里面包含了所有的菜谱就像DNA包含了我们所有的遗传信息
那么这个pizza的食谱
pizza的这个食谱就相当于信使RNA，因为我们想做出来的是pizza
那么厨师就相当于核糖体、做菜的原材料就相当于氨基酸，最后的成品就相当于蛋白质
我们上面描述的基因表达过程也是遗传信息传递的过程
从DNA到RNA到蛋白质
这一过程被称作分子生物学的中心法则
由发现DNA双螺旋的作者之一Francis Crick在1970年提出的
中心法则是一个框架
用于理解遗传信息在生物大分子之间传递的顺序
如图所示，遗传信息的标准流程大致可以这样描述
DNA制造RNA，RNA制造蛋白质，蛋白质来协助前两项流程
并协助DNA的自我复制
从DNA到蛋白质的过程是通过几个主要步骤来实现的
首先，DNA经过转录合成RNA，这个RNA叫做mRNA，即信使RNA
然后，mRNA经过翻译的过程合成多肽
最后，多肽再经过折叠成有特定构型和功能的蛋白质
在真核细胞中，刚转录出来的转录产物还要经过RNA剪接过程
才能够合成成熟的mRNA
然后，成熟的mRNA要从细胞核被运输到细胞质中
才能进行下一步的翻译
当科学家们认识到DNA编码蛋白质这种关系时
他们发现了一个问题：组成蛋白质的氨基酸有20种
而构成DNA的碱基只有4种
所以这两者之间的对应关系不可能像我们的中文那样
每一个汉字对应一种意思
那么，多少个碱基对应一种氨基酸
如果一个碱基对应一种氨基酸，则只能编码4种氨基酸
如果两个碱基对应一种氨基酸，则只能编码16种氨基酸，还是不够
如果3个碱基对应一种氨基酸，则足够编码我们已知的20种氨基酸
经过无数实验的证明
遗传信息从基因到蛋白质是通过碱基3连体的对应关系实现的
这种对应关系就叫做遗传密码
这个碱基3连体叫做密码子
遗传密码就是将DNA或mRNA序列以三个核苷酸为一组的密码子
翻译为氨基酸序列，以用于蛋白质合成
大部分密码子具有简并性，即两个或者多个密码子编码同一氨基酸
比如说像图中编码亮氨酸的密码子就有4种
简并的密码子通常只有第三位碱基不同
比如，GAA和GAG都编码谷氨酰胺
遗传密码的这种性质可使基因更加耐受点突变
另外，遗传密码还有一个非常重要的特点就是通用性
即几乎所有的生物都使用同样的遗传密码
这个特点也是现代生物工程的重要基础
那么，科学家是怎么知道哪种密码子对应哪种特定的氨基酸呢
最早的遗传密码是被Marshall Nirenberg所破译的
他获得了1968年的诺贝尔生理或医学奖
Nirenberg的实验室合成了一条只含有U的mRNA长链
所以无论这条链从哪里开始或者结束
它只含有一种密码子，就是UUU
同时，他们创造了一个体外的从氨基酸合成蛋白质的系统
首先把大肠杆菌的细胞进行破碎
释放出细胞质中的物质到试管中
所以试管中含有了蛋白质合成所需要的机制
这种系统只有在加入正确的RNA的前提下才能合成蛋白质
以便于控制实验
他们然后把合成的只含有U的RNA长链加入到这个系统中
像图中展示的一样，这个实验使用了20个试管
每个试管装入不同的氨基酸
对于每一个实验来说，20个试管中只有一个试管
即一种氨基酸被放射性同位素C14所标记
目的是为了找到在放入多聚U的RNA长链的情况下
哪种氨基酸被合成了蛋白质
我们举一个例子，第一组实验是20个试管中只标记色氨酸
第二组实验是20个试管中只标记赖氨酸，以此类推
最后，他们的系统翻译出一个含有多个苯丙氨酸的多肽链
由此可以推出：mRNA上的UUU对应苯丙氨酸
所以另外几种密码子
像AAA，GGG和CCC所对应的氨基酸也是根据这种方法被发现的
那么对于其他类型的密码子
比如AUA或者CGA这样的，又是怎么被发现的呢
我们等会再来讨论
遗传信息的传递从DNA到RNA很好理解
因为两种分子都是核酸，通过碱基配对就可以实现
但是从RNA到蛋白质的信息传递是如何进行的
因为这是两种完全不同的分子，它们之间遗传信息又是如何衔接的
有的科学家认为RNA分子可能经过一定程度的变形
就像图中这个例子，然后和蛋白质进行了信息衔接
不过Francis Crick提出了不同的见解
他认为在RNA和蛋白质中间存在一个适配器分子起着衔接作用
我们在日常生活中都知道适配器是做什么用的
在Crick这个解释中
这种适配器分子能够同时识别RNA和氨基酸的信息
并把两者很好地衔接起来
后来，科学家们真的发现了有这样功能的一种分子
就是tRNA，即转运RNA
tRNA在从RNA到多肽的过程中
携带特定的氨基酸到正在加上氨基酸的多肽链的核糖体上
tRNA能做到这一点，是由其结构所决定的
如图所示：tRNA的一端可以连接一种特定的氨基酸
另外一端可以和mRNA上的密码子进行互补配对
和mRNA上密码子配对的tRNA部分叫做反密码子
tRNA是小片段RNA链，只有80个核苷酸长
tRNA有一级结构，二级结构，三级结构
由于tRNA上的核酸碱基可以通过氢键互补配对
这个小片段RNA可以折叠成三叶草形的二级结构
而且，tRNA可以进一步折叠成L-形的三维结构
允许它们与核糖体的P和A位点结合
举例说明：mRNA上的密码子是5'-UCA-3'，被翻译成丝氨酸
tRNA上和这个密码子通过氢键进行互补配对的反密码子就是3'-UCA-5'
tRNA的另一端连接的就是丝氨酸
当tRNA的结构和功能为科学家们所熟知以后
他们利用这种特点破译了更多的遗传密码
同样是在Nirenberg的实验室中设计的方案
他们找到了tRNA上的遗传密码，也就是反密码子
这个实验设计思路非常简单
就是要找到tRNA到底是对应哪种氨基酸
首先，他们合成一段非常短的只有3个核苷酸长的RNA
这个RNA会和tRNA的反密码子通过碱基互补结合
所以，我们已知了密码子，需要找到哪种氨基酸对应这个密码子
然后，他们使用了一种滤网，这种滤网的孔径大小可以使mRNA通过
结合了氨基酸的tRNA也能通过，但是核糖体无法通过
而且结合了tRNA的核糖体也无法通过
科学家们把20种氨基酸分别标记
然后把标记的氨基酸以及合成的RNA和细胞提取物通过这个滤网
如果没有通过滤网的样品中有标记的氨基酸
就表明这个氨基酸在核糖体上是和tRNA结合的
也就是和设计的短的RNA的密码子相对应的
所以科学家们通过这种方法逐一破解了所有的遗传密码
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
