基因表达与性状

DNA 中保存着遗传信息，但 DNA 本身并不会直接表现为叶片的颜色、血液中某种蛋白质的含量或人的身高。细胞要先读取基因中的信息，再据此合成蛋白质；蛋白质参与细胞的结构和生命活动，性状才可能表现出来。这个由“信息”到“性状”的过程，就是理解基因表达的主线。

本章把过程分成两步：先把 DNA 上的遗传信息转录到 RNA，再以 mRNA 为模板翻译出多肽链。学习时要始终区分“谁提供模板”“谁携带信息”“谁参与组装”，并在讨论性状时保留环境条件这一重要变量。

学习目标

学完本章，你应能：

• 用“转录”和“翻译”说明基因中的遗传信息怎样影响蛋白质合成。
• 区分 mRNA、tRNA 和 rRNA 的主要作用，说明它们在翻译中的配合。
• 按照三个相邻碱基构成一个密码子的规则，阅读简单的 mRNA 密码子序列。
• 用高中阶段的中心法则模型梳理复制、转录和翻译的关系，不把箭头误解为物质的直接移动。
• 运用“基因表达—蛋白质—性状”的思路分析现象，说明基因和环境共同影响性状表现。

基因表达的线索

基因是有遗传效应的 DNA 片段。DNA 的碱基排列蕴含遗传信息，而细胞中执行许多具体功能的常是蛋白质：有的构成细胞结构，有的作为酶催化反应，有的参与物质运输或信息传递。因此，基因通常通过指导蛋白质的合成来影响性状。

可以把这条关系理解为一条信息链，而不是把 DNA、RNA、蛋白质混成同一种物质：

同一个细胞中并不是所有基因都在同一时刻以相同程度表达。不同细胞选择性地表达不同的基因，能够合成或含有不同种类、不同数量的蛋白质，这与细胞结构和功能的差异有关。此处应注意：细胞中有某个基因，不代表它在任何条件下都会产生同样多的产物。

转录：把信息写到 RNA

转录是以 DNA 的一条链为模板合成 RNA 的过程。进行转录时，DNA 的局部双链打开；RNA 聚合酶以其中一条 DNA 链为模板，按照碱基互补配对原则连接 RNA 的核苷酸，形成 RNA 链。RNA 中含有尿嘧啶（U）而不含胸腺嘧啶（T），因此配对关系可概括为 DNA 模板链上的 A 对 RNA 中的 U，T 对 A，C 对 G，G 对 C。

在真核细胞中，转录主要发生在细胞核中，形成的 mRNA 随后可进入细胞质，参与翻译。分析序列题时，先确认题干给出的是哪一条 DNA 链：若给的是模板链，应直接按互补配对写出 mRNA；若题干明确给的是编码链，则 mRNA 的碱基序列与编码链相同，只是把其中的 T 换成 U。不要在没有判断链类型时机械替换字母。

转录并非把整条 DNA 分子复制一遍。细胞会在特定条件下读取其中与当前需要有关的基因片段，合成相应的 RNA。这样既能解释 DNA 信息的稳定保存，也能解释不同细胞或不同条件下基因表达的差异。

RNA 的分工

RNA 也是由核苷酸连接而成的核酸，但它在基因表达中的角色并不只有一种。学习三类 RNA 时，不要只背中文名称，更要把它们放回翻译现场：谁带来信息，谁运送原料，谁构成合成场所。

把三者比作一次有明确分工的装配，并不是说它们彼此独立：mRNA 给出装配次序，tRNA 把相应的氨基酸送到位，核糖体让这些分子在合适位置依次连接。翻译的结果取决于三类 RNA 以及核糖体等结构的协调。

学习任务：点击不同 RNA，查看它在“信息、原料、场所”三个关键词中承担的具体职责，再找出常见混淆。

翻译：把密码变成多肽

翻译是以 mRNA 为模板合成多肽链的过程，主要在细胞质的核糖体上进行。核糖体沿 mRNA 读取遗传信息；不同的 tRNA 带着相应氨基酸进入核糖体，tRNA 上的反密码子与 mRNA 上的密码子互补配对。氨基酸按照 mRNA 密码子的顺序依次连接，逐渐形成多肽链。

翻译过程可以按下列顺序梳理：

1. mRNA 与核糖体结合，核糖体从合适的起始位置开始读取密码子。
2. 携带相应氨基酸的 tRNA 通过反密码子与 mRNA 密码子配对。
3. 相邻氨基酸之间形成肽键，多肽链逐步延长；读到终止信号后，本段多肽合成结束。

“一个密码子对应一个氨基酸”是便于理解的基本表述，但要补上终止密码子这一边界：终止密码子不编码氨基酸，而是提示多肽链合成结束。多肽链形成后，还可能经过折叠等过程才成为具有特定空间结构和功能的蛋白质；在本章的基础模型中，重点是建立“mRNA 序列决定氨基酸排列顺序”的对应关系。

遗传密码的读法

遗传密码是 mRNA 上决定氨基酸的三个相邻碱基。三个碱基为一组，是因为 RNA 有四种碱基，三联体能够组合出足够多的不同密码子，以对应多种氨基酸和终止信号。读密码子表时，应先把 mRNA 序列从起始位置连续划分成三联体，再逐个查表；不能把 DNA 上的碱基组、tRNA 的反密码子和 mRNA 密码子混为一谈。

以 DNA 模板链 3′-TAC CCG AAA-5′ 为例，转录得到的 mRNA 是 5′-AUG GGC UUU-3′。将 mRNA 分为 AUG、GGC、UUU 三个密码子后，可依次确定氨基酸为甲硫氨酸、甘氨酸和苯丙氨酸。这里的关键不是背下某一串字母，而是每一步都保持“模板—互补—三联体”的判断链。

学习任务：在交互中先选择 DNA 链的身份，再完成 mRNA 的转录和密码子的三联体划分，系统会指出错误发生在配对、方向还是读框。

中心法则的使用边界

在高中阶段，中心法则可用来概括遗传信息在生物体内的基本传递和表达关系：DNA 可以通过复制把信息传给新的 DNA；DNA 可经转录把信息传到 RNA；RNA 可经翻译指导多肽链合成。用箭头表示为：DNA → DNA、DNA → RNA → 蛋白质。

这个模型中的箭头表示遗传信息的传递或表达关系，不是说 DNA、RNA 和蛋白质会沿箭头彼此变成对方。复制、转录和翻译各有不同的模板、产物、场所和参与分子；在画流程图或回答简答题时，应把过程名称写清楚，不能只写一串箭头。

本章的中心法则主要服务于理解细胞中基因表达的基本模型。遇到病毒等特殊情境，或涉及更复杂的 RNA 加工、基因表达调控机制时，应先根据题干给出的信息判断，不能把基础模型机械套用为解释所有遗传现象的唯一规则。高中阶段的核心要求是能用复制、转录和翻译的关系解释遗传信息的保存、传递和表达。

基因、环境与性状

性状是生物体在形态、结构、生理、生化或行为等方面表现出的特征。基因通过表达影响蛋白质的合成，进而影响性状；但性状的实际表现还会受到环境条件的影响。这里的环境可以包括营养、水分、温度、光照、病原体以及生活方式等多种因素，具体分析时要结合研究对象和题干条件。

一个有助于分析的框架是：

• 先看遗传基础：个体之间是否有不同的基因型，相关基因可能影响哪类蛋白质或生命活动？
• 再看环境条件：不同个体所处的营养、温度、水分、光照等条件是否一致？
• 最后谈性状：观察到的差异能否用基因差异、环境差异或二者共同作用解释？题干证据不足时，不能武断认定唯一原因。

例如，同一遗传背景的植物在充足和不足的矿质营养条件下可能长成不同大小；这说明环境会影响性状表现，并不否定基因对生长相关蛋白质合成的影响。反过来，两个个体在相同环境下表现不同，也不能立刻断言只由一个基因决定，还要看性状是否受多个基因和其他条件共同影响。

学习任务：根据“遗传背景是否相同”和“培养条件是否相同”两类证据，判断一项比较实验能支持什么结论，避免把相关性写成唯一因果关系。

同遗传信息细胞多样性原因

一个受精卵通过有丝分裂可以形成许多具有相同遗传信息的细胞，但是在个体发育过程中，各细胞对基因的表达方式并不一致。可以分点理解：

• 大多数细胞通常拥有完全相同的 DNA（遗传信息）。
• 不同细胞不会把所有基因都以相同方式表达。即，同一基因在不同细胞中的表达情况不同。
• 某些基因在某种细胞中高表达，相关蛋白质被大量合成；而在另一种细胞中这些基因表达较少或不表达，从而导致细胞具有不同的结构和功能。
• 这种“不同细胞表达不同基因”的现象称为基因的选择性表达，它为理解细胞分化提供了重要线索。

例如，肌细胞和神经细胞都来自同一个受精卵，却分别合成与收缩、信息传递相适应的不同蛋白质。这里不能把选择性表达理解为“某些细胞把不用的基因丢掉了”，也不能说一个细胞只表达一个基因；更合适的说法是，在不同细胞、不同发育阶段或不同条件下，参与表达的基因组合和表达程度可能不同。

例题解析

例题：某基因的一段 DNA 模板链为 3′-TAC CCG AAA-5′。若以这段链为模板转录并翻译，写出相应的 mRNA 密码子序列和多肽链中前三个氨基酸的顺序。已知 AUG、GGC、UUU 分别对应甲硫氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。

例题：研究者把同一品系的幼苗随机分为甲、乙两组，在相同光照和水分条件下培养；甲组营养供应充足，乙组营养供应较少。一段时间后，甲组平均植株较高。能否据此得出“植株高度只由环境决定，基因不起作用”的结论？请说明理由，并提出一个能进一步比较遗传因素的思路。

练习与答案

1. 将下列对象与主要作用连线：mRNA、tRNA、rRNA；“携带遗传信息”“转运氨基酸并识别密码子”“与蛋白质共同构成核糖体的重要成分”。

2. 已知某 DNA 模板链片段为 3′-ATG GCT-5′。写出转录形成的 mRNA 片段，并说明为什么不能直接把 DNA 模板链中的 T 改成 U 后去查密码子表。

3. 判断并改正："翻译时，核糖体上的 tRNA 直接读取 DNA 双链，按照 DNA 上的每三个碱基连接氨基酸。"

4. 某同品系植物分别在适温和低温条件下培养，低温组叶片呈现不同颜色。请写出一个合理解释，并说明仅凭这一现象不能得出的一个结论。

易错辨析

• 把转录等同于 DNA 复制。 复制的产物是 DNA，转录的产物是 RNA；转录通常只读取一个基因片段的一条模板链。
• 认为所有 RNA 都携带密码子。 mRNA 上有供翻译读取的密码子；tRNA 主要用反密码子识别密码子，rRNA 是核糖体的重要组成。
• 把 DNA 模板链当作密码子表的直接查询对象。 查密码子表前，应先得到并按三联体划分 mRNA 序列。
• 把“一个密码子”说成“一定对应一个氨基酸”。 终止密码子不编码氨基酸，而是提示多肽链合成结束。
• 把中心法则箭头当作物质相互转化。 箭头描述遗传信息的传递或表达；具体过程要分别说明模板、产物和参与者。
• 把基因影响性状理解为基因单独决定性状。 性状表现通常还与环境条件有关，结论应与具体证据和研究条件相对应。

小结

转录以 DNA 的一条链为模板合成 RNA；翻译以 mRNA 为模板，在核糖体上由 tRNA 转运氨基酸并合成多肽链。mRNA、tRNA、rRNA 分工不同而彼此配合。遗传密码位于 mRNA 上，阅读时要坚持“三个相邻碱基为一组”的规则。

用高中阶段的中心法则模型，可以把 DNA 的复制、DNA 到 RNA 的转录以及 RNA 到蛋白质的翻译串联起来。基因通过表达影响蛋白质，进而影响性状；环境条件同样会影响性状的实际表现。面对具体情境，先分清证据涉及遗传基础、环境条件还是二者，再作出有边界的解释。