基因组结构与蛋白质元件的转录翻译 ——Part1 基因组结构与遗传信息流动模型
【专题：基因组结构与蛋白质元件的转录翻译】将分为三部分论述——基因组结构与遗传信息流动模型、mRNA的合成及其调控方式、mRNA的翻译和多肽链的合成及其相关调控。
这篇文章是专题的第一部分，主要为大家带来关于基因组的相关概念，以及生物的遗传信息流动模型——作为这个方面基础知识的一个提纲，欢迎大家补充并投稿本专栏 @喵大侠 ~
本文的思维导图
一、基因组的相关概念
基因组（genome）又称基因体，是指一个生物体所包含的DNA（部分病毒是RNA）中的全部遗传信息，又称基因体。基因组包括基因和非编码DNA。原核生物和真核生物的基因组组成存在显著差异。原核生物基因组的大部分（85-90%）都是非重复DNA；非编码区域只占了一小部分，形成基因表达调控元件。真核生物基因组则有着外显子-内含子的结构特点，具有大量非编码区。内含子在选择性剪切中扮演重要角色，在剪接同一段DNA过程中，有时被看作外显子，有时则是内含子，一个基因可以因此而产生多种不同的蛋白质（称为可变剪接）。
基因（gene）是遗传的基本单位，在生物繁衍进化中起到至关重要的作用。基因在细胞中有多种存在方式，主要以染色体、质粒、拟核、ecDNA等形式存在。人体DNA主要位于染色体上，原核生物的DNA主要以拟核的形式存在，ecDNA、质粒、线粒体上的DNA也存在大量遗传信息。（DNA存在方式的形态与特征可查看专题一第五部分） 月生南浦：【孢子学院基础知识专题】专题一：核酸化学与细胞中的核酸 V1
染色体组（Genomic group）携带控制生物生长、发育、繁殖、变异所需的所有信息。在真核细胞中，基因主要是以染色体（或染色质）的形式存在于细胞核中。不同生物的染色体组数目存在着差异。进行无性生殖的物种的所有细胞中只有一套染色体组，这一套染色体在所有体细胞中都是相同的。进行有性生殖的物种的体细胞中有两套染色体组，一套来自父方；一套来自母方。多倍体生物则含有三套甚至更多套染色体组。
二、3D基因组结构
染色体通过蛋白-蛋白间的相互作用在空间上呈现三维结构（3D基因组结构）。基因组相邻区域相互作用，形成拓扑相关结构域（TAD），目前学界认为TAD是染色体转录、复制、表观遗传修饰等功能的基本单位。在哺乳动物基因组中，TAD通常由CTCF（一种转录抑制因子）所分割。CTCF还有两种作用，一种是和Cohesin蛋白复合物结合，使基因组形成相对稳定的三维结构；另一种作用是把enhance与promoter拉近，可增强转录。
3D基因组结构对基因表达调控有着一定影响。TAD边界染色体的翻转和敲除，会吸引相邻TAD的增强子来调控基因，使得基因表达量异增，导致生物体发育异常，即增强子绑架现象。在癌症中常常出现增强子绑架事件。MYC基因座位的易位，导致它跑到一个IGH增强子附近（a）。MYB基因附近的染色体区域缺失，把远处的QKI增强子给带到它身边（b）。TAL1所在TAD边缘的染色体区域缺失，导致相邻增强子越俎代庖（e）。IGF2基因座位跨TAD的倍增，导致原本不能调控IGF2的、来自隔壁TAD的增强子，推动了IGF2的表达（f）。（详情可见 @吴思涵 链接： https://zhuanlan.zhihu.com/p/26988506）
三、真核细胞基因组与原核细胞基因组的特点
真核细胞基因组中存在大量顺式作用元件（启动子、增强子、沉默子等），其转录产物是单顺反子。真核细胞基因组最大特点是其含有大量的重复序列，且功能DNA序列（外显子）大多被不编码蛋白质的非功能DNA（内含子）隔开，非编码序列占整个基因组序列的90%以上。
原核生物基因组DNA含量少，大多只有一条染色体。其主要特点有：①结构简练。大部分DNA用于转录和编码蛋白质；少部分DNA不转录，作为基因表达调控元件来控制基因表达序列。②存在转录单元。功能相关的RNA和蛋白质基因往往丛集在几个特定部位，形成功能单元或转录单元，其可一起被转录为含多个mRNA的分子（多顺反子mRNA）。③有重叠基因。同一段DNA能携带两种不同的蛋白质信息。
除真核生物基因组和原核生物基因外，还存在线粒体基因组、质粒基因组等。线粒体基因组有着以下六个主要特点：①所有的基因都位于一个单一的环状DNA分子上。②遗传物质不为核膜所包被。③线粒体DNA不为蛋白质所压缩。④基因组没有包含那么多非编码区域（垃圾DNA或“内含子”）。⑤一些密码子与通用密码子不同，而与一些紫色非硫细菌相似。⑥存在重叠基因。
四、基因表达
了解了基因组的相关概念和特点，那么基因是如何发挥作用的呢？
基因表达（Gene expression）是用基因中的信息来合成基因产物的过程，产物通常是蛋白质和RNA。基因表达的过程可分为转录、RNA剪切、翻译、蛋白质的翻译后修饰这几步。基因表达调控控制细胞的结构与功能，同时也是细胞分化、形态发生及生物体的多功能性和适应性的基础。不同的时间、不同的环境，以及不同部位的细胞，或是基因在细胞中的含量差异，皆可能使基因产生不同的表现。基因调节也可以作为进化变化的底物，因为基因表达的时间，位置和数量的控制可以对基因在细胞或多细胞生物体中的功能（作用）具有深远的影响。
大部分生物都遵循中心法则，但随着科学研究的深入，中心法则被进一步扩充。如：DNA病毒可通过拟逆转录，把自己的DNA整合到寄主DNA上，再进行复制传代。有研究表明，细胞核里的DNA可以直接转移到细胞质中的核糖体上，不需要通过RNA也可以控制蛋白质的合成，即DNA→蛋白质。朊病毒是通过改变其他蛋白质的构象来进行自身精确复制的一类蛋白质，也就是：蛋白质→蛋白质。（关于朊病毒可参考「知乎知识库」— 朊病毒 - 喵大侠的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/51476043）
遗传密码（Genetic code）在生物的转录翻译过程中起到了至关重要的作用，它是一组规则的，将DNA或mRNA序列以三个核苷酸为一组的密码子转译为蛋白质的氨基酸序列。其起始密码通常为AUG，终止密码为UAG、UGA、UAA。虽然遗传密码在不同生命之间有很强的一致性，但亦存在非标准的遗传密码。不同生物的线粒体遗传密码有所不同。支原体会把UAG转译为色氨酸。纤毛虫则把UAG（有时候还有UAA）转译为谷氨酰胺（一些绿藻也有同样现象），或把UGA转译为半胱氨酸。一些酵母会把GUG转译为丝氨酸。在一些罕见情况，一些蛋白质会有AUG以外的起始密码子。大部分遗传密码具有简并性，即两个或者多个密码子编码同一氨基酸（简并的密码子通常只有第三位元碱基不同），使得基因耐受点突变的能力增强。遗传密码的摇摆特性（一组密码子可对应多个反密码子）也有异曲同工之效。
五、DNA复制
真核细胞的DNA复制只在S期进行，其保守序列可作为相关部件构建能自我复制的环状DNA分子。复制叉上存在一个DNA聚合酶 \alpha /引发酶复合体和另外两个DNA聚合酶复合体。这两个聚合酶分别起到延伸前导链和合成后随链冈崎片段的作用。
在原核细胞DNA复制中，SSB蛋白可与DNA结合表现协同效应，确保DNA在复制完成前保持单链结构。原核生物只有1个复制起始点，但有多个复制叉。由于原核细胞没有核膜包被的细胞核，DNA是裸露的，因此原核生物DNA的转录、翻译可在拟核中同时进行。
DNA病毒的复制可分为六个步骤：①附着：病毒衣壳蛋白与宿主细胞表面特定受体之间发生特异性结合。②入侵：病毒附着到宿主细胞表面之后，通过受体介导的胞吐或膜融合进入细胞。③脱壳：病毒的衣壳遭到宿主细胞或病毒自己的酶降解破坏，释放病毒核酸。④合成：病毒基因组完成复制、转录（除了正义RNA病毒外）以及病毒蛋白质合成。⑤组装：将合成的核酸和蛋白质衣壳各部分组装在一起。完成组装之后，病毒蛋白常常会发生翻译后修饰。⑥释放：无包膜病毒通过细胞裂解释放；包膜病毒通过出泡的方式释放。
以上是关于基因组结构与蛋白质元件的转录翻译的第一部分——基因组结构与遗传信息模型，剩余内容不定期更新~
Reference：
本文主要参考了朱玉贤老师的《现代分子生物学（第四版）》，王镜岩老师的《生物化学（第四版）》，以及维基百科部分词条的内容；此外，本文还参考了知乎用户
@吴思涵
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