外显子
外显子（Exon）是真核生物基因中编码蛋白质的区域，在基因表达过程中会被保留并最终翻译成蛋白质。外显子与内含子（Intron）交替排列在基因中，在转录后加工过程中，内含子被切除，外显子则连接在一起形成成熟的mRNA。外显子的发现是基因结构研究的重要突破，为理解基因表达调控、蛋白质多样性和遗传疾病机制提供了基础。
发现历程
1977年 - 断裂基因的发现
Richard J. Roberts和Phillip A. Sharp各自独立发现腺病毒基因中存在不连续的编码区域，即基因由外显子和内含子组成，这一发现颠覆了此前认为基因是连续编码序列的认知。
1993年 - 诺贝尔奖
Richard J. Roberts和Phillip A. Sharp因发现断裂基因（外显子和内含子）获得诺贝尔生理学或医学奖。
后续研究
随着基因组测序技术的发展，对不同物种外显子结构和功能的研究不断深入，发现了选择性剪接等重要机制，揭示了外显子在生物进化和功能多样性中的关键作用。
结构与功能
基因结构中的位置
外显子是真核生物基因中的编码区域，被非编码的内含子分隔。一个基因通常由多个外显子和内含子交替组成，基因两端的外显子可能包含非翻译区（UTR）。
转录与剪接
基因转录时，外显子和内含子均被转录成前体mRNA（pre-mRNA）。在剪接过程中，内含子被切除，外显子按顺序连接形成成熟的mRNA，随后被翻译成蛋白质。
密码子与蛋白质编码
外显子中的核苷酸序列以三联体密码子的形式编码氨基酸。起始密码子（通常为AUG）和终止密码子（UAA、UAG或UGA）定义了翻译的起始和终止位置。
选择性剪接
许多基因的外显子可以通过选择性剪接（Alternative Splicing）以不同方式组合，产生多种mRNA异构体，从而增加蛋白质组的复杂性和功能多样性。据估计，约95%的人类多外显子基因发生选择性剪接。
外显子类型
编码外显子
直接编码蛋白质氨基酸序列的外显子，包含开放阅读框（ORF）。
非编码外显子
位于基因5'或3'端，不编码氨基酸，但可能包含调控元件或非翻译区（UTR），影响mRNA的稳定性、翻译效率或亚细胞定位。
组成型外显子
在所有成熟mRNA转录本中均被保留的外显子，对蛋白质的基本功能至关重要。
选择性外显子
通过选择性剪接机制，在不同组织、发育阶段或环境条件下被选择性包含或排除的外显子，是蛋白质多样性的重要来源。
研究技术
外显子组测序（WES）
选择性捕获和测序基因组中的外显子区域，是一种高效且经济的基因分析方法，广泛用于遗传病和癌症相关基因的突变检测。
RNA测序（RNA-seq）
分析转录组中的RNA序列，可鉴定外显子边界、检测选择性剪接事件，并定量不同外显子异构体的表达水平。
剪接位点预测
利用生物信息学方法预测基因组中的外显子-内含子边界和剪接位点，辅助基因注释和功能分析。
功能验证实验
通过基因编辑（如CRISPR/Cas9）、报告基因分析等方法验证外显子功能和剪接调控机制。
生物学意义
蛋白质多样性
- 选择性剪接：同一基因通过不同外显子组合产生多种蛋白质异构体
- 外显子重排：外显子的不同排列组合增加蛋白质结构和功能的多样性
- 结构域 shuffling：外显子编码的蛋白质结构域可以重组，形成新的功能
基因表达调控
- 外显子中的调控元件：如增强子、沉默子等影响基因表达水平
- 非编码外显子：参与mRNA稳定性、翻译效率和亚细胞定位的调控
- 选择性剪接调控：响应细胞信号和环境变化，动态调节蛋白质表达
进化意义
- 外显子洗牌（Exon shuffling）：通过重组产生新的基因组合，促进进化
- 保守外显子：不同物种中高度保守的外显子反映功能重要性
- 新外显子的产生：通过转座子插入、基因组重排等机制产生新功能
疾病关联
- 剪接突变：外显子或剪接位点的突变可导致异常剪接，引发遗传病
- 癌症相关剪接变异：肿瘤中常见异常剪接事件，产生促癌蛋白
- 药物靶点：选择性剪接产物可作为药物开发的特异性靶点
与疾病的关系
遗传病
约15-20%的遗传病由剪接位点突变引起，导致外显子跳过或内含子保留，产生截短或功能异常的蛋白质。例如，β-地中海贫血、囊性纤维化等。
癌症
癌细胞中常出现异常剪接事件，导致促癌蛋白的产生或抑癌蛋白的失活。例如，乳腺癌中的BCL2L1、前列腺癌中的AR基因等均存在剪接变异。
神经系统疾病
许多神经系统疾病与剪接调控异常有关，如脊髓性肌萎缩症（SMA）由SMN1基因外显子7的异常剪接引起。
药物开发
针对异常剪接事件的药物开发是当前研究热点，如反义寡核苷酸药物Nusinersen通过调控SMN2基因的剪接治疗SMA。
经典文献
- 1. Berget SM, Moore C, Sharp PA. Spliced segments at the 5' terminus of adenovirus 2 late mRNA. Proc Natl Acad Sci U S A. 1977;74(8):3171-3175.
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