開放讀序框架

開放讀序框架 (Open reading frame)
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理陶韻婷

圖片來源：flickr用戶dullhunk

DNA由一長串的核苷酸組成，當細胞進行活動時，會啟動基因產生蛋白質。DNA上會產生蛋白質部分稱為open reading frame（ORF），其中每3個核苷酸（nucleotide）為一組密碼子，經轉錄（transcription）後產生訊息RNA（message RNA, mRNA），再將mRNA上的密碼子（codon）轉譯成胺基酸鏈（amino acid sequence），進而摺疊成蛋白質；此段ORF從起始密碼子（initiation codon）開始，起始密碼子在DNA上通常是ATG，但也有例外，直到終止密碼子（termination codon）之前結束，終止密碼子在DNA上通常是TAA、TAG或TGA。

利用生物資訊軟體尋找基因是相當重要的，可稱為基因預測（gene prediction）或開放讀序框架掃描（ORF Scan）。一段DNA在定序（sequencing）之後，每3個核苷酸為一組密碼子，對於一條長串鹼基序列即有3種分析找尋基因的可能性，而DNA為雙股螺旋，故有6種可能性，如圖一。依序尋找起始密碼子及終止密碼子，但是若此框架片段的密碼子小於50個，通常會被認為是無效的框架，無法轉譯成蛋白質。也就是說若找到一段DNA前有起始密碼子，後有終止密碼子，且長度超過50個密碼子，則此段DNA序列可能是一個基因。

DNA：  5’-GACACCATGGTGCACCTGACTCCTGAGGAGAAGGTCTGCCG-3’
可能性1：GAC ACC ATG GTG CAC CTG ACT CCT GAG GAG AAG GTC TGC CG
可能性2：G ACA CCA TGG TGC ACC TGA CTC CTG AGG AGA AGG TCT GCC G
可能性3：GA CAC CAT GGT GCA CCT GAC TCC TGA GGA GAA GGT CTG CCG

互補DNA：3’-CTGTGGTACC ACGTGGACTG AGGACTCCTC TTCCAGACGGC-5’
可能性4：CTG TGG TAC CAC GTG GAC TGA GGA CTC CTC TTC CAG ACG GC
可能性5：C TGT GGT ACC ACG TGG ACT GAG GAC TCC TCT TCC AGA CGG C
可能性6：CT GTG GTA CCA CGT GGA CTG AGG ACT CCT CTT CCA GAC GGC

圖一  尋找基因的6種可能性（ATG為起始密碼子）

然而，真核生物的基因體（eukaryotic genomes），包含人類基因體，有一些重要的特色，造成基因預測或開放讀序框架掃描的困難性增高。首先因為真核生物基因體的資訊過於龐大，有可能在基因聚集處找到的無效的open reading frame，看起來符合開放讀序框架的定義，卻無法合成出蛋白質。

第二個特色是真核生物的基因包含內含子（intron）及外顯子（exon），內含子與外顯子交錯存在。真核生物的DNA轉錄成RNA後，還要再經過RNA剪接（RNA splicing），把不能轉譯的內含子切除，將外顯子連接才能轉譯合成蛋白質，請見圖二。

圖二 內含子、外顯子示意圖

早期的生物資訊軟體常誤以為一個基因內不相連的數個外顯子是數個基因，因為終止密碼子在內含子中很常見。隨知識累積與技術進步，參考其他生物基因的線索，可以預測內含子通常為一段以GT開頭、以AG結尾的片段；甚至連密碼子用於轉譯為胺基酸序列的百分比也必須一併考量，例如胺基酸alanine可以GCA、GCT、GCC或GCG為密碼子，但發現GCC出現機率高達41%而GCG只有11%的機會出現，故基因預測或開放讀序框架掃描的準確性也日漸提升。

沒有ORF就不是基因？這個觀念是錯誤的，例如：X性染色體上的X抑制中心（X-inactivation center），其中具有一種調控抑制轉錄的基因，稱為Xist基因（X-inactive specific transcript gene），此段基因轉錄出的RNA，因缺乏open reading frame，所以並不會被轉譯成蛋白質，而是以RNA的形式抑制雌性兩條成對X性染色體中，其中一條的基因表現。

參考資料

1. Brown, T.A. (2002). Genomes, 2nd ed. John Wiley and Sons Inc., Ch7 pp188-189.
2. Klug, W. S. et al. (2006). Concept of Genetics, 8th ed. Person’s Education Inc., Ch7 p178, Ch20 pp 478-488.
3. Translation and Open Reading Frames http://bioweb.uwlax.edu/genweb/molecular/seq_anal/translation/translation.html