断裂基因

分裂基因包括编码区（外显子）和非编码区（内含子）。内含子区域被移除以形成成熟 mRNA 的过程称为剪接。它至少包含一个内含子，分隔两个或多个外显子片段，而未分裂基因则具有不连续的外显子序列。一个简单的分裂基因至少应有两个由一个内含子片段分隔的外显子片段。

内含子曾被认为是基因中不必要的，但它们实际上有助于调控可变剪接模式和 RNA 编辑。此外，分裂基因可能比未分裂基因看起来更复杂，因为它们包含非编码区域。尽管如此，这种复杂性通过可变剪接和 miRNA 调控等机制，为基因表达提供了更大的灵活性和多样性。

分裂基因的定义

"含有阻碍外显子的 pre-mRNA 的基因称为分裂基因。"

"分裂基因包含外显子和内含子。在转录后修饰过程中，非编码内含子被移除，成熟 RNA 中只剩下编码蛋白质的外显子。"

分裂基因的另一个定义是“其整个序列未保留在 RNA 中”。

分裂基因的发现

美国分子生物学家 Phillip Allen Sharp 因在 1993 年发现“分裂基因”而获得诺贝尔生理学或医学奖。他发现涉及人类的分裂基因是高等生物中最普遍的基因结构。Richard John Roberts（1943-）也发现了分裂基因，并与 Sharp 共享了该奖项。这一发现对基础生物学研究以及癌症和其他疾病发展相关的医学研究至关重要。感谢这项发现，科学家们预测了剪接的遗传过程。

分裂基因的内含子、外显子结构

RNA-DNA 杂合体的电子显微照片以及克隆基因组 DNA 和 cDNA 的核苷酸测序表明，编码血红蛋白 β 亚基的小鼠 β-珠蛋白基因包含 2 个内含子。此外，在转录过程中，这些内含子会从 mRNA 中剪接掉。

一般来说，真核基因具有复杂的内含子-外显子结构，内含子的 DNA 量大于外显子。例如，鸡卵白蛋白基因在 7.7 千碱基（或 7700 个碱基对）的基因组 DNA 上分布着七个内含子和八个外显子。外显子加起来只有约 1.9 kb，这意味着基因中约 75% 由内含子组成。

一个值得注意的例子是编码凝血因子 VIII 的人类基因。该基因由 26 个外显子和约 186 kb 的 DNA 组成。mRNA 仅长约 9 kb，表明内含子占基因大小的约 175 kb。在高等真核基因中，内含子通常包含比外显子多约 10 倍的 DNA。

许多真核基因包含内含子，但并非所有。组蛋白基因缺乏内含子，这表明内含子对于真核生物的基因功能不是必需的。酵母的简单真核基因大多缺乏内含子。原核生物有一些罕见的基因含有内含子。

大量的内含子没有功能，但少数编码功能性 RNA 和蛋白质。内含子被认为是早期进化中重要序列的残余，它们通过促进不同基因外显子之间的重组来加速进化——这个过程称为外显子重组。

重组来自不同基因的内含子可以创建具有独特外显子组合的新基因。研究表明，一些基因是来自多个其他基因的外显子的嵌合体，支持了这一假说。这表明内含子序列可以通过重组促进新基因的形成。

基因剪接机制

基因剪接事件发生在 mRNA 通过转录形成之后，并且基因中可以发生几种类型的这些事件。

1. 外显子跳过

这种跳过是最常见的基因剪接机制。它包含或排除来自最后一个基因转录本的外显子，导致 mRNA 变体变长或变短。外显子负责产生用于各种细胞类型和功能的蛋白质。

2. 内含子滞留

在这种情况下，内含子会被保留在最终转录本中。据报道，约 2-5% 的人类基因含有内含子。基因剪接机制保留了基因的非编码部分，导致蛋白质结构和功能异常。

3. 可变 3' 和 5' 剪切位点

可变基因剪接涉及连接不同的 5' 和 3' 剪切位点。在这种基因剪接类型中，多个可变 5' 剪切位点竞争与多个可变 3' 剪切位点连接。

剪接变异体检测方法

基因剪接产生的不同蛋白质会影响人类健康。检测剪接变异体的最佳方法是计算预测和微阵列分析，后者因其灵敏度和在组织特异性、全基因组水平上监测基因表达的能力而最受欢迎。微阵列为发现可变基因剪接提供了可靠的平台。它们发现了其他方法（如 EST 或 RT-PCR 测序）未能发现的新基因转录本，而后者仅适用于分析少量基因。然而，这种方法存在局限性，因为它劳动密集且在研究数千个基因或数百个组织时扩展性不佳。

分裂基因示例

一个重要的例子是编码凝血因子 VIII 的人类基因。该基因有 26 个外显子和约 186 kb 的 DNA。mRNA 仅长约 9 kb，这意味着基因中约 175 kb 由内含子组成。通常，在高等真核基因中，内含子包含的 DNA 量是外显子的十倍左右。

分裂基因的重要性

分裂基因在细胞核中的作用尚不清楚，但我们对细胞器，特别是线粒体，有重要的了解。

基因表达所需的调控结构涉及分裂基因和核被膜，它们是允许前定论和后生论协调的缺失环节。

一项与内含子结构和催化性质相关的最新发现可能会为核酸功能带来新的理解。

此外，它还增加了对内含子结构和功能的反思的必要性。

分裂基因的结构限制

真核生物的外显子/内含子结构不同，脊椎动物拥有大的内含子和小的外显子，而低等真核生物则相反。

为了研究外显子和内含子的大小如何影响 pre-mRNA 的加工，我们在具有大小内含子的脊椎动物基因中添加了内部扩展的外显子。

剪接结果受到外显子和内含子大小的影响。内含子大小决定了大外显子是否能被有效识别；当内含子很大时，它们会跳过大外显子，但当内含子很小时，则会包含它们。

因此，只有将大外显子与其他大内含子相邻，它才与剪接不兼容。外显子和内含子大小在约 500 nt 时都变得有问题，尽管它们的序列也会影响任一者识别的失败。

这些发现表明，今天的基因结构反映了识别外显子序列的限制，部分原因是前 mRNA 识别过程中的剪切位点配对以及共识序列有助于跨内含子或外显子进行配对。

结论

总之，Sharp 和 Roberts 对分裂基因的发现彻底改变了分子生物学。它提供了关于包括人类在内的高等生物如何处理和调控遗传信息的见解。

理解分裂基因的结构和功能也推动了对癌症和其他疾病的医学研究。今天，科学家们继续在此知识基础上进行研究，以揭开遗传奥秘并改善人类健康。

常见问题

1. 所有的真核基因都含有中断它们的内含子序列吗？

不，并非所有真核基因都被内含子分裂。有些基因只包含编码区（外显子），而有些则同时包含内含子和外显子。

2. 分裂基因有什么特点？

分裂基因仅在真核生物中发现，而在原核生物中未见报道。与包含表达 DNA 片段（外显子）并被未表达片段（内含子）中断的真核基因不同，原核基因是连续的。

3. 分裂基因是基因组的先进特征吗？

分裂基因排列很可能是基因组的古老特征。内含子的存在是过去的遗留物，而剪接则代表其优势。

4. 分裂基因排列会引起什么复杂问题？

外显子是在成熟或加工后的 RNA 中出现的序列，被内含子中断。内含子，或称为插入序列，不会出现在成熟或加工后的 RNA 中。分裂基因排列使基因的定义为 DNA 片段变得复杂。

5. 基因会平均分配吗？

父母双方的基因只有一半会传递给每个孩子，而兄弟姐妹（除了同卵双胞胎）继承的基因不完全相同。这意味着你的兄弟姐妹继承了一些你没有的基因，反之亦然。你和你的兄弟姐妹大约有 50% 的 DNA 相同。

6. 基因何时可以分离？

连锁基因可以通过重组分离，重组发生在减数分裂过程中两个同源染色体对齐并交换遗传物质片段时。