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第二章 遗传的细胞学基础与分子基础
基因转录产生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置换，基因转录物的序列不与基因编码序列互补，使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成不同于基因序列中的编码信息，这种现象称为RNA编辑。RNA编辑同基因的选择剪接或可变剪接(alternative splicing)一样，使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质，这可能是生物在长期进化过程中形成的、更经济有效地扩展原有遗传信息的机制。RNA编辑最早是在锥虫(Trypanosome)线粒体基因中发现的。一个基因转录产生的mRNA分子与―引导‖RNA(gRNA，guide RNA)互补。gRNA分子是线粒体基因转录的长约55～70核苷酸的RNA，能通过正常的碱基配对途径，或通过G-U配对方式与mRNA上的互补序列配对。从图中可以看到，编辑前的mRNA分子中删除了一个腺嘌呤核苷酸(A)，由gRNA和mRNA形成了一个杂合分子，增加了A·U和U·G碱基对。被删除的A又重新插入杂合分子中的mRNA部分。通过这样编辑后的mRNA分子，比原来的mRNA分子增加了二个U。在翻译成蛋白质时就相当于发生了移码突因。
人的载脂蛋白有两种表达形式：apoB-48和apob-100。该基因的序列在肝、肠组织细胞中是相同的，但产物不同。在肝细胞中，产物为4563个氨基酸残基的肽：apoB-100；但在肠细胞中，产物为只含2152个氨基酸残基的apoB-48，缺失了apoB-100的N端同LDL受体结合的结构域。原因是在mRNA水平上将2153位的谷氨酰胺的密码子CAA中的C编辑成为U，形成一个终止密码子—--UAA，结果使蛋白质的合成提前终止，合成一个新的相对分子质量约为250kDa的蛋白质。
7. 基因中内含子的切除和外显子的连接
20世纪70年代中期，法国生物化学家查姆帮（Chamobon）和波盖特（berget）在研究鸡卵清蛋白基因的表达中发现，细胞内的结构基因并非全部由编码序列组成，而是在编码序列中间插入无编码作用的碱基序列，这类基因被称为间隔或断裂基因。这一发现于1977年被英国的查弗里斯和荷兰的弗兰威尔在研究兔β-球蛋白结构时所证实。1978年，生化学家吉尔伯特（Walter Gilbert）提出基因是一个转录单位的设想，他认为基因是一个DNA序列的嵌合体，同时包含两个区段：一个区段将被表达并存在于成熟的mRNA中，称为―外显子‖；一个区段由虽然也同时被表达，但将在成熟mRNA中被删除，称为―内含子‖。近年来的研究发现，原核生物的基因序列一般是连续的，在一个基因的内部几乎不含―内含子‖，而真核生物中绝大多数基因都是由不连续DNA序列组成的断裂基因。断裂基因的表达过程是：整个基因先由DNA转录成一条信息RNA前体(precursor mRNA)，其中的内含序列会被一种称为―剪接体‖的RNA/蛋白质复合物所切除，两端再相互连接成一条连续的核酸顺序，以形成成熟的mRNA。DNA分子断裂基因的存在为基因功能的展现赋予了更大的潜力。
同一转录本，在不同的组织，因剪接差异产生各自不同的mRNA，将同一基因中的外显子以不同的组合方式来表现，使一个基因在不同时间、不同环境中能够制造出不同的蛋白质，可增加生理状况下系统的复杂性/适应性，促进基因组复杂性和蛋白质组多样性的一种主要机制。
例降钙素（calcitonin）基因在不同组织中的表达。 8. 朊粒的感染与繁殖问题
1982年Prusiner S．B．以叙利亚仓鼠为实验材料，发现羊瘙痒病（scrapie）的病原体是一种蛋白质，不含核酸，命名为prion，意即Proteinnaceous Infection Only，译为蛋白质感染因子或朊病毒，Prusiner因此项发现更新了医学感染的概念，获1997年的诺贝尔生理与医学奖。
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Prion是一种结构变异的蛋白质，对高温和蛋白酶均具有较强的抵抗力。它能转变细胞内的此类正常的蛋白PrPC（cellular prion protein），使PrPC发生结构变异，变为具有致病作用的PrPSc（scrapie-associated prion protein）。
PrPC存在于神经元、神经胶质细胞和其它一些细胞，属于糖磷脂酰肌醇锚定蛋白，集中在膜上的脂筏中，对蛋白酶和高温敏感，可能和细胞信号转导有关。
PrPSc与PrPc的一级结构相似，均由253-4个氨基酸组成，分子量约33-37KD。纯化的Prion经傅里叶变换红外光谱分析，发现PrPc的高级结构中具有43%的α螺旋，极少的β折叠（3%），而PrPsc具有34%α螺旋，43%的β折叠。动物被感染后，发生错误折叠的PrPSc蛋白堆积在脑组织中，形成不溶的淀粉样蛋白沉淀，无法被蛋白酶分解，引起神经细胞凋亡。
编码PrP蛋白的基因称为Prnp，该基因位于人第20号染色体的短臂，小鼠第2号染色体。敲除小鼠的Prnp基因，小鼠仍能正常发育，并对瘙痒病完全免疫，但出生后很快会出现共济失调、小脑皮层颗粒细胞退化。
目前对蛋白质感染因子的增殖方式有两种解释，一是重折叠模型（refolding model），认为PrPSc
分子起分子伴侣（molecular chaperone）的作用，能与PrPc分子相结合，诱使PrPc转变成PrPSc，从而形成了PrPSc二聚体，于是一个PrPSc分子就变成了2个PrPSc分子，如此倍增不已。另一种解释是晶种模型（Seeding model），认为PrPc分子本身有向PrPSc转变的倾向（一种平衡反应），PrPSc能像晶种一样，稳定PrPc的构象，形成淀粉样蛋白沉淀，然后碎裂后又变成新的晶种。
蛋白质感染因子的增殖既不是由于基因过分表达，也不是因翻译量增加，而是由于正常分子的构象发生转变造成的，所以亦称朊病毒。
三．表观遗传变异
表观遗传变异：在基因的DNA 序列没有发生改变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，并最终导致了表型的变化。
表观遗传学（Epigenetics）：1942 年的时候， Waddington C.H. 首次提出。几十年后，霍利迪(Holiday R.)提出系统性论断，即表观遗传学研究没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达改变的一门学科。它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。
表观遗传学是与遗传学相对应的概念：
遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失及基因重组扩增等；表观遗传学则是指基于基因序列不发生改变所导致的基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化等。
目前已发现的表观遗传变异主要有： 1. RNA编辑（略） 2. X染色体失活
在哺乳动物中，雌雄性个体X 染色体的数目不同,这类动物需要以一种方式来解决X 染色体剂量的差异。在雌性哺乳动物中,两条X 染色体有一个是失活的，称为X染色体的剂量补偿(dosage
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compensation)。X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的早期,这个过程被X 失活中心(X-inactivation center, Xic)所控制，是一种反义转录调控模式。
X失活中心存在着X染色体失活相关的特异性转录基因Xist (X - inactive - specifictranscript)，当失活的命令下达时，这个基因就会产生一个17 kb不翻译的RNA与X染色体结合，引发失活。X失活中心还有―记数‖的功能，即保持每个二倍体中仅有一条X染色体有活性，其余全部失活。X染色体的失活状态需要表观遗传修饰如DNA甲基化来维持。这种失活可以通过有丝分裂或减数分裂遗传给后代。
3. DNA甲基化
所谓DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5?-C共价键结合一个甲基基团。在脊椎动物中，CpG二核苷酸是DNA甲基化发生的主要位点。
CpG常成簇存在，人们将基因组中富含CpG的一段DNA称为CpG岛(CpGisland)，通常长度在1kb～2kb左右。
正常情况下，人类基因组―垃圾‖序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反，CpG岛常位于转录调控区附近，且在正常生理情况下，CpG岛是非甲基化的。
甲基化一般会使基因失活即基因沉默，去甲基化又可以使基因重新恢复活性。
体内甲基化状态有三种：持续的低甲基化状态，如持家基因；诱导的去甲基化状态，如发育阶段中的一些基因；高度甲基化状态，如女性的一条缢缩的X染色体。
DNA甲基化影响到基因的表达，与肿瘤的发生密切相关，甲基化状态的改变是致癌作用的一个关键因素。人类的一些癌症常出现整个基因组DNA 的低甲基化和CpG岛局部甲基化程度的异常升高，这将导致基因组的不稳定(如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达)。当CpGs异常甲基化会导致所在基因沉默，这与56％的人类基因组编码基因相关，特别是CpG岛甲基化可能会导致抑癌基因转录失活问题。
有专家指出，可以使用DNA甲基转移酶抑制剂来治疗人和小鼠的癌症，其疗效可能是由于这些抑制剂恢复了肿瘤抑制基因的活性。但是这种导致DNA低甲基化的治疗方式，可能在防止一些癌症发生的同时，也会造成基因组的不稳定并增加其他组织罹患癌症的风险。这些都是需要继续深入研究的问题。DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。
4. 组蛋白修饰----乙酰化和去乙酰化
真核细胞基因组和组蛋白紧密地包装在一起，形成一个个核小体，核小体是构成染色质的基本单位。基因的表达需要改变染色质的状态：染色质压缩程度高时基因沉默（即无转录活性），染色质压缩程度较低时基因表达（即有转录活性）。染色质这种动态构象转换是靠DNA甲基化和组蛋白乙酰化修饰可逆调节的。染色质活性区域即压缩程度低的区域均有去甲基化DNA和高水平的乙酰化组蛋白，相反在染色质非活性区域即压缩程度高的区域，有甲基化DNA和高水平的去乙酰化组蛋白。这种可逆的修饰使得基因表达可以受激素、饮食以及药物等外界因素的调控。
5. 基因组印记
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人们在研究中发现,来自双亲的某些等位基因，在子代的表达不同，有些只有父源的基因有转录活性，而母源的同一基因则始终处于沉默状态，另一些基因的情况则相反。这是由于二倍体细胞中来自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰，导致不同亲本来源的两个等位基因只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默。在基因组中的这类现象就是基因组印记 (genomic imprinting)。研究者在植物、昆虫和哺乳动物中都发现了基因组印记现象 。
等位基因的抑制(allelic repression)被印记控制区(imprinting control regions, ICRs)所调控，该区域在双亲中的一个等位基因是甲基化的。ICR在不同区域中对印记的调控存在差异。在一些区域中，未甲基化的ICR组成一个绝缘子阻止启动子和增强子间的相互作用；在其它区域中，可能有非编码RNA (non–coding RNAs)的参与，这种沉默机制与X染色体失活相似。
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