基因密码与蛋白质合成

基因密码与蛋白质合成即将于2007年7月在新加坡举行的第18届世界家庭医师组织世界会议(18thGenomicsandFamilyMedicine距会议举行日期至今仅短短一年多，各位会员在二十一世纪是生命科学的世纪，医学进步很快，分子生物学的进步更是日新月异，譬如Ezetimibe最初以为其降胆固醇的作用，是促进HDLreceptorSR-B1或小肠上皮胆固醇的输送蛋白ABCG5/G8及抑制Caveolin-1等所致。最终在2004年确定机制为抑制小肠绒毛上刷状边缘的胆固醇吸收输送蛋白NPC1L11。最近喧腾一时的罗伦佐的油，常不知其为何物。其实引起罗伦佐致病的是肾上腺白质退化症(adrenoleukodystrophy,ALD)，依2002年第四版NelsonEssentialsofPediatrics所载，认为其是因verylongchainfattyacidCoAsynthetase的缺陷所引起，但在2004年由Darnell等人所着第五版的MolecularCellBiology则认为是membrane)上输入verylongchainfattyacid的输送蛋白(ABCtransporterprotein,ABCD1)缺陷导致。最近该基因也已选殖确认(ABCD1,ATP-bindingcassette,ID:215.)。另外发现mRNA转译前可在mRNA3'用MicroRNA(miRNA)与其杂交加以抑制或用RNAinterference(RNAi)与其完全互的。这是近几年才发现，前一版的书中并未见，所以我们除了多读期刊外，也必需读最新版的书。以上例子是基因突变与转译调控导致产生异常蛋白质，致影响正常生理功能。人体的基因组(genome)含有三十亿(3billion,3×109)个核苷酸对，其中属于独特序列(uniquecopyDNA，意即整个基因体上只有一套copy)的部分约占45%，另sequence)，后者含10-15%衔接重复序列(tandemrepeatsequence)，其DNA亦称卫星DNA(satelliteDNA)，法医即用其重复序列多样性的STR(shorttandemrepeat)来它是一种转位元(transposableelement)，亦称跳跃单元(mobileelement)。FrancisCrick更指它为〝selfishDNA〞能藉着DNA重组的机转，转至他处。著名的占基因组10-15%的Alu家族即在其中。人类的体细胞有46条染色体，由不同的DNA分子组成22对体染色体和两条性染色体（X,Y或X,X）及约1％的粒线体DNA，亲毫无关联，且复制时是以DLOOP而非如细菌之θ型态复制。每一个人类细胞中皆带有许多的粒线体，每个粒线体基因组共含16,569个硷基对，为一条双链环状的DNA分子，含有37个基因，其中13个是编码蛋白质基因，两条rRNAs和22种tRNAs分子，粒线体大多数(67中之54)参与电子传递链的蛋白质都是核基因所编码的粒线体蛋白质。核酸的結構核酸的結構DNA及RNA属于核苷酸(nucleic成。RNA的五碳糖是核糖(ribose)，DNA的是脱氧核糖(deoxyribose)。脱氧核糖在2'位置比核糖少一个氧原子。核苷酸的硷基共有5种：腺嘌呤(adenine，A)、胸腺嘧啶(thymine，T)、鸟嘌呤(guanine，成；RNA由A.U.C.G组成。核苷酸藉着磷酸二酯键(phosphodiesterasebond)将一个核苷酸的5'端与另一个的3'端结合在一起。真核细胞DNA的构型有A.B.Z.H四(doublehelix)，一股硷基与另一股硷基利用氢键以相反平行的方向(antiparallel)互相配对，G与C以3氢键结合而A与T以2氢键结合。1953年，Watson及Crick提出在生理状况的低盐高水下存在的最主要DNA的B手螺旋(right-handedhelix)缠绕着，每前因此两个硷基对的距离为0.34nm。DNA的硷基组成时发现：1.A=T,G=C,2.A+G=T+C,3.A+T≠G+C,此即所谓的Chargaff'srule。1990美国与各国合作开始成立人类基因体研究计划(HumanGenomicProject,HPG)以来，经不断的努力，于2000年6月宣布完成人类遗传基因体的草图(由美国当时能原部长FrancisCollins及私人CeleraGenomics公司的CraigVenter联合公布)，估计其中蛋白质的密码只占基因组的1.1-1.5%，约只有30,000至40,000个蛋白质表现基因。蛋白质的合成需要三种RNAs:mRNA,rRNA,tRNA。mRNA的核苷酸序列隐含所要合成的蛋白质密码。rRNA与蛋白质结成核糖体，执行蛋白质的合成。tRNA负责将mRNA的序列转译成蛋白质的胺基酸序列。基因的要素基因的要素一个基因(gene)包含合成一个具有功它可分成转录区和转录调控区。一段含有codon终于stopcodon称为开放转录区(openreadingframe,ORF)。真核生物的转录区包括外显子(exon)和内含子(intron)。码，亦称编码区(codingregion)。内含子在转录后的RNA处理会被切除。转录调控区是转录因子与DNA作用的区域，后者称辨认序列(recognitionsequence)。调(promoter)，增强子(enhancer)和静默子(Inr,initiator)定为+1，蛋白质基因最主要的启动子是TATAbox和Inr，他们亦合称为核心启动子(corepromoter)，TATAbox位于转录起点上游25bp至30bp，与TATAbox作用的蛋白质叫TBP(TATAboxbindingprotein)，该部位是RNApolymeraseⅡ及其他转录蛋白质结合的位点，与转录起始的准确定位有关，位于Inr上游-70至-80bp含有CAAT序列，约在-80至-110bp有GCbox，合称为启动相邻主要控制转录起始频率，不参与起始位点在其上游或下游数千硷基或数万硷基处，不管从5'→3'或3'→5'均能提高启动子的活性。譬如steroidhormone(glucocorticoid等)通过细胞膜与steroidreceptor的配体结合区(ligandbindingdomain,LBD)结合，(DNA-bindingdomain,DBD)和染色体上类似enhancer的激素反应元(hormoneresponseelement,HRE)相结合，而活化基因的表现。中心信條與其修正中心信條與其修正1950年代FrancisCrick对细胞内整个讯息传递的过程提出所谓的〝中心信条(CentralDogma)〞：即以DNA为模板转录(transcription)做出RNA，再以RNA为模板转译(translation)做出蛋白质。以上步骤皆为单方向，无法以蛋白质做出RNA，也无法以RNA为模板做出DNA。transcriptase的存在，它能以RNA为模板合成DNA，再以新合成的DNA为模板合条应加以修正(图一)。→DNA→RNA→protein→反转录蛋白質合成與基因密碼蛋白質合成與基因密碼真核细胞经RNApolymeraseⅡ及转录因子做出的pre-mRNA需经四个步骤处1.5'加帽(5'capping)-加7-methylguanylate(图二)，2.切除部分3'端(cleavage)，3.加多腺苷酸(polyadenylation)-poly-A尾4.剪接(splicing)(图三)。5'capping与3'tailing可协助mRNA由细胞核运至细胞质。此外，有些还经过编辑(editing)。剪接系将内含子剪掉，并连接外显子，藉由小核RNA(snRNA,U1,U2,U4,U5,U6)与蛋白质的协助，在内含子5'端GU处及3'AG处(尚需3'端上游20-25bp处支点A的协助)剪接成简单(simpletranscript)或复杂不同剪接方式的mRNAs(complextranscript如alternativesplicing)。生物的蛋白质合成都是由DNA上连续排列的遗传密码(geneticcode)所决定，DNA的遗传信息转录到mRNA上，通过翻译读写mRNA上的遗传密码，将DNA上遗传信息转变为蛋白质的胺基酸排列顺序。mRNA分子中每三个相邻硷基代表一种胺基酸或终止信号，这3个相邻硷基称为密码子(codon)。mRNA上有4种硷基，按排列可形成64(43)种密码子，其中3个为终止密码子(stopcodons)，又称〝无意义,m7GpppCapping,poly-Atailing及splicing)(源自MolecularCellBiology5thed)图三;真核mRNA5,cap的结构(7methylated5,-5,triphospatelinkage)(源自MolecularCellBiology5thed.)尚可做为methionine的密码)，其它60个白质的胺基酸共有20种，但决定胺基酸的密码有61个，显然每一种胺基酸必有一种或一种以上遗传密码与之对应，此称valine，若突变使密码GUU改变成GUC，则仍然可转译为valine，不影响蛋白质的意味着tRNA的反密码子(anticodon)的第一个硷基(从5'端算起)与mRNA的密码子的第三个硷基并非一对一的关系，此即所谓的摇摆位子(wobbleposition)，例如arginine的两个codonAGA及AGG皆与同一个第一位子含U的反密码子(UCU)配对，glycine的GGU,GGC,GGA也与同一nucleotide)。若mRNA上遗传密码发生改变，使得所对应的胺基酸改变成另一种时，此称为误意突变(missensemutation)，譬如sickleanemiaHbS其βchain的第6个密码子GAG(glutamicacid)突变成GUG(valine)，因而影响红血球的形状及生理功能。所有胜月太链的合成皆从甲硫胺酸(methionine,AUG上游约10个硷基处具有一段多嘌呤序列(5'AGGAGG3')称为Shine-Dalgarnosequence能与核糖体小亚单元互补结合，译。真核细胞则系由小亚单元(40S)与启动因子(initiationfactors,IF)、Met-tRNAi5'-ACCAUGG-)后，大亚单元(60S)才加complex)。每一个核糖体有三个tRNA结合位时，P及A位分别与mRNA的起始密码子及下一个密码子对齐。因此tRNA将第一个胺基酸带进P位，第二个带进A位。经mRNA位