基因表达概述

基因表达是指细胞DNA中所含信息被用来制造功能性产物的过程。这一精心调控的过程在多个阶段受到调控，调控异常往往会导致癌症等疾病。

本视频概述了基因表达研究的历史、关键科学问题、该领域的主要研究方法以及这些技术的应用现状。

首先，让我们回顾一些关于基因表达的重要发现。

1953年，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和詹姆斯·沃森（James Watson）借助罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）的数据，阐明了DNA的结构——由两条核苷酸碱基链组成的双螺旋结构，其序列具有确定性但可无限变化，由此建立了DNA可能携带遗传信息的第一个令人信服的模型。

五年后，克里克提出了两个重要假说，成为我们理解基因表达的基础。他的“序列假说”指出，DNA的核苷酸序列通过一种不稳定的RNA中间体，作为蛋白质氨基酸序列的编码依据。与此同时，他的“中心法则”假设了遗传信息流动的不同方向，特别强调信息不能从蛋白质反向传递至核酸。

1960年，弗朗索瓦·雅各布（François Jacob）和雅克·莫诺（Jacques Monod）通过研究细菌中乳糖代谢相关基因，提出了基因表达调控的模型。他们认为，“结构基因”（执行结构或酶功能）的表达受到“调节基因”产物的控制，这些产物可结合到邻近的调控位点。如今我们已知，由称为转录因子的蛋白质介导的、机制上高度相似的基因调控模式存在于所有生物体中。

一年后，即1961年，雅各布与悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）发现了信使RNA（“m”RNA），即克里克所预言的DNA与蛋白质之间的不稳定中间体。同年，布伦纳与克里克开始破译“遗传密码”，该密码决定了DNA中的信息如何编码蛋白质。他们确定，每三个相邻的核苷酸（即一个“密码子”）对应构成蛋白质的20种氨基酸之一。

在随后几年中，马歇尔·尼伦伯格（Marshall Nirenberg）、哈尔·戈宾德·科拉纳（Har Gobind Khorana）和塞韦罗·奥乔亚（Severo Ochoa）领导的研究团队采用多种方法，确定了全部64种可能密码子所编码的氨基酸。随着遗传密码的破译，科学家们继续深入探究基因表达的调控机制。

1974年，罗杰·科恩伯格（Roger Kornberg）及其同事取得重大发现，他们证明真核细胞（如动植物细胞）中的DNA会“缠绕”在组蛋白复合物周围，形成如今被称为“核小体”的结构。我们现在知道，染色质结构的改变在基因调控中发挥着重要作用。

1977年，菲尔·夏普（Phil Sharp）和里奇·罗伯茨（Rich Roberts）发现了另一个重要现象：mRNA序列与其对应的DNA模板并不完全互补。某些如今称为“内含子”的“缺失区域”会在成熟RNA转录本中被从蛋白质编码的外显子之间移除，这一过程称为“剪接”。五年后，罗纳德·埃文斯（Ronald Evans）研究团队证实，同一转录本的“选择性”剪接可产生具有不同功能的同一蛋白质的变体，即“异构体”。

自20世纪90年代以来，随着RNA介导的基因沉默现象的发现，我们对基因调控网络复杂性的理解得到了极大拓展。如今已知，多种长度为20−30个核苷酸的小RNA家族成员，以多种方式调控基因表达。

回顾基因表达研究的历史后，让我们来看看该领域中的一些主要问题。

目前正在研究的一个课题是转录因子如何调控基因。科学家们不仅致力于鉴定转录因子所结合的基因组序列，还在探索调控蛋白之间如何相互作用，以整合信号并调控基因表达。

其他研究人员则关注可变剪接及其在不同生物学背景下的调控机制。此外，其中一些人正试图确定蛋白质异构体是否始终具有不同且明确的功能。

最后，许多研究人员正在探究小RNA的作用机制，并试图鉴定其调控靶点。同时，人们也越来越关注小RNA是否可用作诊断疾病的“生物标志物”。

现在，让我们来看看研究人员用来评估基因表达的工具。

一种常用的方法是逆转录（reverse transcription，简称“RT”）-PCR，该方法先将RNA转化为互补DNA（cDNA），再进行扩增。通过在PCR过程中加入可掺入DNA的荧光分子，可以利用该技术对基因表达进行定量检测，并实现“实时”结果观察。

为了同时评估成千上万个基因的表达情况，可以使用微阵列（microarrays）。该方法将DNA序列“打印”在载玻片上，然后与来自样本RNA的荧光探针进行杂交。通过分析产生的荧光模式，可以鉴定出表达的基因。

另一种用于分析基因表达谱的技术是转录组测序，即对细胞中所有表达的RNA进行测序。该方法将RNA样本生成的cDNA进行高通量测序。与微阵列不同，转录组测序不需要预先存在的基因组信息，因此可用于鉴定未知的转录本或新的基因异构体。

研究人员还可以通过原位杂交（in situ hybridization）直观地评估基因的表达位置。该技术中，RNA首先与互补探针杂交，随后这些探针可被酶偶联的抗体识别，从而产生可视的颜色或荧光信号。

报告基因检测（reporter assay）是另一种可提供基因调控信息的技术。报告基因的产物可产生颜色或荧光等信号。该报告基因可直接与目标基因融合，也可置于调控序列的控制之下，例如驱动基因转录的启动子，或更远端的增强子元件。报告信号随后可作为该调控元件活性或目标基因表达模式的读出指标。

最后，染色质免疫沉淀（chromatin immunoprecipitation，简称“ChIP”）可用于鉴定转录因子在调控基因表达时结合的基因组位点。该方法利用抗体分离出蛋白质与其结合DNA形成的复合物，再通过PCR或测序鉴定目标DNA序列。

在考察了研究基因表达的方法之后，让我们来看一些这些方法的应用。

同一群体中的细胞可能在基因表达上表现出细微差异，这些差异可能具有生物学意义。在本研究中，研究人员将来自同一培养物的单个人类胚胎干细胞分别放入培养板的不同孔中。利用定量RT-PCR，科学家发现样本中干细胞“标志物”Nanog的表达存在差异。

一些研究人员探究调控蛋白的不同异构体是否具有不同的功能。在此项研究中，染色质免疫沉淀（ChIP）被应用于人类免疫细胞，以鉴定某蛋白“长”和“短”两种异构体的结合靶点。测序结果显示，某些基因靶点仅被短异构体识别，提示其可能存在功能上的差异。

最后，报告基因检测可用于评估由小RNA（如microRNA）介导的基因调控。由于microRNA可通过结合mRNA的3¢非翻译区来抑制基因表达，科学家将不同基因的这一区域连接到荧光素酶报告基因上，并将每种构建体分别与microRNA共同导入细胞中。通过检测发光信号降低的细胞，即可鉴定出该microRNA的基因靶标。

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