基因表達

基因表達產物通常是蛋白質，但是非蛋白質編碼基因如轉移RNA（tRNA）或小核RNA（snRNA）基因的表達產物是功能性RNA。

所有已知的生命，無論是真核生物（包括多細胞生物）、原核生物（細菌和古細菌）或病毒，都利用基因表達來合成生命的大分子。

基因表達可以通過對其中的幾個步驟，包括轉錄，RNA剪接，翻譯和翻譯後修飾，進行調控來實現對基因表達的調控。基因調控賦予細胞對結構和功能的控制，基因調控是細胞分化、形態發生以及任何生物的多功能性和適應性的基礎。基因調控也可以作為進化改變的底物，因為控制基因表達的時間、位置和量可以對基因在細胞或多細胞生物中的功能（作用）產生深遠的影響。

在遺傳學中，基因表達是基因型產生表型的最基本水平。存儲在DNA中的遺傳密碼通過基因表達得到“翻譯”，並且基因表達的特性產生生物體的表型。因此，基因表達的調節對於生物體的發育至關重要。

轉錄過程由RNA聚合酶（RNAP）進行，以DNA為模板，產物為RNA。RNA聚合酶沿着一段DNA移動，留下新合成的RNA鏈。

基因組DNA由兩條反向平行和反向互補鏈組成，每條鏈具有5'和3'末端。這兩條鏈分別稱為“模板鏈”（產生RNA轉錄物的模板）和“編碼鏈”（含有轉錄本序列的DNA序列）。

轉錄在細胞核內進行。根據鹼基配對原則，RNA聚合酶一次將一個RNA核苷酸添加到生長的RNA鏈中。該RNA與模板鏈的的3'→5'DNA鏈互補，其本身與編碼鏈的5'→3'DNA鏈互補。因此，得到的5'→3'RNA鏈與編碼DNA鏈相同，只是DNA中的胸腺嘧啶（T）被RNA中的尿嘧啶（U）取代。編碼鏈中的“ATG”通過模板鏈中的“TAC”間接轉錄為mRNA中的“AUG”。

原核生物的轉錄是通過單一類型的RNA聚合酶進行的，需要一個稱為Pribnow盒的DNA序列以及sigma因子（σ因子）以開始轉錄。真核生物的轉錄由三種類型的RNA聚合酶進行，每種RNA聚合酶需要一種稱為啓動子的特殊DNA序列和一組DNA結合蛋白（轉錄因子） 來啓動該過程。 RNA聚合酶I負責核糖體RNA（rRNA）基因的轉錄。 RNA聚合酶II（Pol II）轉錄所有蛋白質編碼基因以及一些非編碼RNA（例如snRNA，snoRNA或長非編碼RNA）。 RNA聚合酶III轉錄5S rRNA，轉移RNA（tRNA）基因和一些小的非編碼RNA（例如7SK）。當聚合酶遇到稱為終止子的序列時，轉錄結束。

原核蛋白編碼基因的轉錄產生的是可以翻譯成蛋白質的信使RNA（mRNA），但真核基因的轉錄會產生RNA的初級轉錄本（pre-mRNA），必須經過一系列加工才能成為成熟RNA（mRNA）。RNA的加工包括5端加帽、3端多腺苷酸化和RNA剪接。RNA加工可能是真核生物細胞核帶來的進化優勢。在原核生物中，轉錄和翻譯一起發生，而在真核生物中，核膜將兩個過程分開，為RNA加工提供了時間。

多數生物體中的非編碼基因（ncRNA）被轉錄為需要進一步加工的前體。核糖體RNA（rRNA）通常被轉錄為含有一個或多個rRNA的前體rRNA，前體rRNA後來在特定位點被大約150種不同的snoRNA切割和修飾。轉移RNA（tRNA）的5'和3'端序列分別被RNase P和tRNase Z去除，然後通過核苷酸轉移酶加入在3'加上非模板CCA尾巴。小RNA（miRNA）首先被轉錄為具有帽和poly-A尾的初級轉錄物即pri-miRNA，然後在核內被Drosha和Pasha酶加工成短的約70個核苷酸的莖環結構，即pre-miRNA。在輸出到細胞質中後，內切核酸酶Dicer將其加工成成熟miRNA. pre-miRNA和Dicer的相互作用同時也啓動了由Argonaute蛋白組成的RNA誘導的沉默複合物（RISC）的形成。

真核生物中，雖然一些RNA在細胞核中起作用，但大多數成熟的RNA必須通過核孔從細胞核輸出到細胞質中。這些RNA包括蛋白質合成中涉及的所有RNA類型。在某些情況下，RNA被另外轉運到細胞質的特定部分，如突觸。

成熟RNA是非編碼RNA的最終基因表達產物 ^[1]  。但信使RNA（mRNA）則不同，它們是編碼一種或多種蛋白質合成的遺傳信息的載體。 每個mRNA由三部分組成：5'非翻譯區（5'UTR），蛋白質編碼區或開放閲讀框（ORF）和3'非翻譯區（3'UTR）。編碼區攜帶由遺傳密碼編碼的蛋白質合成信息即三聯體。編碼區的每個核苷酸三聯體稱為密碼子，並且對應於與轉移RNA中的反密碼子三聯體互補的結合位點。具有相同反密碼子序列的轉移RNA總是攜帶相同類型的氨基酸。核糖體根據編碼區中三聯體的順序，將氨基酸鏈接在一起形成多肽。核糖體有助於轉移RNA與信使RNA結合，並從每個轉移RNA中獲取氨基酸，產生多肽鏈 ^[2]  。 原核生物的翻譯通常發生在轉錄點（共轉錄），通常使用仍處於產生過程中的信使RNA。真核生物的翻譯可以發生在細胞的多個區域中。主要位置細胞質和內質網膜。

剛從mRNA序列翻譯過來的蛋白質都是未摺疊或無規捲曲的多肽，沒有任何的三維結構。氨基酸彼此相互作用使得多肽從無規捲曲摺疊成其特徵性和功能性三維結構 ^[3]  。氨基酸序列決定l了蛋白質的三維結構，且正確的三維結構對於功能至關重要，儘管功能蛋白的某些部分可能仍未展開 ^[4]  。伴侶蛋白的酶有助於新形成的蛋白質獲得摺疊，成為它發揮作用需要的三維結構 ^[5]  。輔助蛋白質摺疊是真核生物內質網的主要作用之一。

許多蛋白質定位於細胞質以外的其它細胞器，多種信號序列（信號肽）負責將蛋白質引導至它們應該在的細胞器。原核生物中，由於細胞的有限區室化，這通常是一個簡單的過程。真核生物卻存在多種不同的靶向過程以確保蛋白質到達正確的細胞器。

並非所有蛋白質都保留在細胞內，許多蛋白質如消化酶、激素和細胞外基質蛋白通常需要被輸出胞外。真核生物蛋白質輸出機制比較明確，先轉運到內質網，然後通過高爾基體運輸出去" ^[6]  。

可分為三種主要途徑：1）遺傳調控（轉錄因子與靶標基因的直接相互作用）；2）調控轉錄因子與轉錄機制相互作用，3）表觀遺傳調控（影響轉錄的DNA結構的非序列變化）。

通過轉錄因子直接調控靶標DNA表達是最簡單和最直接的轉錄調控改變轉錄水平的方法。基因的編碼區周圍通常都具有幾個蛋白質結合位點，具有調節轉錄的特定功能。常見的調控蛋白質與DNA結合的位點有增強子、絕緣子和沉默子。調節轉錄的機制非常多樣，可以阻斷DNA上與RNA聚合酶結合的關鍵位點，也可以充當激活劑輔助RNA聚合酶結合來促進轉錄。

轉錄因子的活性進一步受到細胞內信號的調節，引起蛋白質翻譯後修飾，包括磷酸化\乙酰化或糖基化。這些變化影響轉錄因子直接或間接轉錄因子與啓動子DNA的 結合、RNA聚合酶的募集以及新合成RNA分子的延伸。

真核生物中的核膜通過允許這些轉錄因子在細胞核中存在的持續時間來進一步調控轉錄環境刺激或內分泌信號可能導致調節蛋白的修飾，引發細胞內信號的級聯，導致基因表達的調節。

表觀遺傳對轉錄具有顯著影響。一般來説，表觀遺傳會改變DNA與蛋白質的結合，從而影響轉錄。

DNA甲基化是表觀遺傳對基因表達影響的廣泛機制，並且在細菌和真核生物中可見，在可遺傳的轉錄沉默和轉錄調節中起作用。在真核生物中，由組蛋白密碼控制的染色質結構影響DNA的獲取，對常染色質和異染色質區域中的基因表達具有顯着影響。

真核生物的RNA被翻譯之前需要通過核孔輸出，因此核輸出對基因表達有着顯著影響。所有進出細胞核的mRNA的運輸都是通過核孔進行的，受到各種輸入蛋白和輸出蛋白的控制。

攜帶遺傳密碼的mRNA需要存活足夠長的時間才能被翻譯，因為mRNA在翻譯之前必須經過很長距離的運輸。在典型的細胞中，RNA分子僅在特異性保護的條件下才是穩定的，不被RNA酶降解。 RNA降解對真核細胞基因表達調控特別重要。在真核生物中，RNA通過某些轉錄後修飾，特別是5端戴帽和3端多腺苷酸化而獲得穩定。

翻譯調控的效果不如轉錄調控或調控mRNA的穩定性，但也偶爾得到使用。抑制蛋白質翻譯是毒素和抗生素的主要作用目標，因此它們可以通過超越其正常的基因表達控制來殺死細胞。蛋白質合成抑制劑包括抗生素新黴素和毒素蓖麻毒素。

翻譯後修飾（PTM）是對蛋白質的共價修飾。像RNA剪接一樣，它們有助於使蛋白質組更加豐富多樣。這些修飾通常由酶催化。此外，諸如氨基酸側鏈殘基的共價添加這樣的修飾過程通常可以被其它酶逆轉。但蛋白水解酶對蛋白質骨架的水解切割是不可逆轉的 ^[7]  。PTM在細胞中發揮着許多重要作用。例如，磷酸化主要涉及激活和失活蛋白質以及信號傳導途徑 ^[8]  。PTM參與轉錄調控，因為乙酰化和甲基化的一個重要功能是組蛋白尾部修飾，它改變了DNA的可轉錄性 ^[7]  。