在分子生物学和遗传学领域,理解基因的结构和功能是基础,也是深入研究生命现象的关键。针对基因表达中的几个重要名词 - - CDS(编码序列)、ORF(开放阅读框)和シストロン(cistron,译为基因单位或单元),许多学习者常常感到困惑,觉得它们的含义似乎有重叠甚至难以分辨。实际上,这三个概念在基因表达和遗传信息传递中扮演着截然不同但又互相关联的角色。本文将系统讲解它们的定义、相互关系以及具体区别,帮助读者更清晰掌握这些基础知识。首先,CDS即编码序列(Coding DNA Sequence),指的是一段能够被转录成mRNA并最终翻译成蛋白质的DNA序列。换言之,CDS是基因中直接编码蛋白质氨基酸序列的那部分核苷酸序列。
CDS的范围始于起始密码子(通常为ATG),终止于终止密码子(如TAA、TAG或TGA)之前的编码区域。在真核生物中,由于存在内含子和外显子,CDS经常是由外显子序列拼接(剪接)而成,是成熟mRNA上的连续编码部分。对于CDS而言,重要的是它是实际参与蛋白质合成的信息载体,不包括调控区或非编码区。其次,ORF,开放阅读框(Open Reading Frame),是指DNA或mRNA序列中从起始密码子开始,到遇到第一个终止密码子为止的连续核苷酸序列。ORF在理论上代表可能被翻译成蛋白质的最完整序列。它的意义在于预测潜在的蛋白质编码区域。
在基因组测序及基因预测中,寻找ORF是识别潜在编码基因的关键步骤。不同于CDS,ORF通常是基于序列的直接计算结果,并且不一定完全对应于实际存在的成熟mRNA编码区。在真核生物中,ORF通常对应于剔除了内含子之后的信使RNA(mRNA)的编码部分,但在某些情况下,ORF也可以计算在未经剪接的DNA序列中。相较于CDS,ORF有时包含了未被表达或修饰的序列,所以它是预测性的编码区域。再来看シストロン(cistron)这一术语。它源于经典遗传学概念,最早用于细菌和病毒遗传单位的定义。
シストロン指的是功能上的基因单位,包含从mRNA的5′非翻译区(UTR)到3′非翻译区,及完整的编码序列区域,是能够独立转录并翻译产生一个多肽链的基因结构的最小单元。在经典意义上,シストロン是基因的功能单位,而非单纯的序列单位。因为在细菌中存在多顺反子结构(operon),一个转录单元可能包含多个シストロン,每个シストロン编码一个多肽。换句话说,シストロン代表能够编码单一蛋白质的基因片段,是遗传表达的最小独立单位。在细胞基因组中,シストロン包含了UTR以及ORF部分,同时也涵盖了所有调控和编码区域,体现了基因的完整功能结构。从连接关系角度看,CDS是ORF经过剪接后的外显子序列拼接而成的编码部分,代表成熟mRNA上的翻译序列,ORF则是基于序列的潜在编码区预测,体现了翻译开端至终止的连续框架。
而シストロン是包含UTR以及CDS(或者ORF)在内的功能基因单位,是完整运作的基因表达模块。需要强调的是,在基因定义和表达解析中,UTR以及调控序列是功能不可或缺的部分,シストロン体现的是基因的综合功能实体,而非仅编码区。理解它们的区别有助于更好地掌握基因表达和遗传调控。许多学生容易混淆CDS和ORF的关系,因为两者都与蛋白质编码相关。简要而言,ORF是潜在的编码区,是寻找候选基因的方法,CDS则是实际被转录加工、最终用于蛋白质合成的编码序列。ORF包含了起始和终止密码子以及中间连续不含终止密码子的核苷酸序列,而CDS则是经过RNA剪接后的成熟可翻译序列。
另一方面,シストロン从遗传学角度强调的是功能单位的完整性,既包括编码区域,也涵盖了非翻译区以及必要的调控序列,是基因表达的最小完整单元。当前,随着基因测序技术和基因表达研究的深入,CDS、ORF和シストロン在基因注释、功能预测以及遗传学研究中具有不同但相辅相成的作用。CDS用于阐明蛋白质的氨基酸序列,ORF用于基因预测和功能定位,シストロン则帮助理解基因结构和表达调控的整体框架。综上所述,CDS是成熟信使RNA中实际翻译为蛋白质的序列,是ORF经过剪接后的产物;ORF是在基因组或转录本中识别的潜在蛋白质编码区,是翻译的数学模型;而シストロン则是功能上最小的基因表达单位,包含UTR与ORF,是基因整体功能和表达的完整体现。合理区分和理解这些概念,有利于深入研究基因结构、功能及其调控机制,推动生物学领域的基础研究和应用开发。 。
