核基因

核基因（英語：Nuclear gene）是指DNA核苷酸序列位於真核生物細胞核內的基因，該術語主要用於區分位於細胞核中和存在於粒線體或葉綠體中的基因。真核生物的絕大多數基因都是核基因。

核基因位置示意圖

結構

真核生物基因組具有獨特的高級染色質結構，這些緊密排列的結構與基因表現密切相關。染色質在壓縮基因組以適應細胞核空間的同時，也確保了在基因轉錄、複製和DNA 修復等過程中需要時能夠及時利用相關基因。 ^[1]基因組功能的整體運作依賴於細胞核結構和基因組調控機制之間的關係，其中涉及的多種複雜機制和生化途徑都可能影響基因組中單個基因的表現。^[1]

另外，粒線體蛋白、代謝酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶、核糖體蛋白，以及粒線體DNA的調控因子均由核基因編碼。由於核基因構成了所有真核生物的遺傳基礎，因此任何影響核基因表現的因素都會直接影響個體的細胞基因型和表現型。^[2]

細胞核中還存在一些被稱為「核小體」的亞核結構，這些結構是動態調控的，有助於提升核內各種生物過程的效率。^[1]例如，活躍的基因可能從染色體區域遷移併集中到稱為「轉錄工廠」（transcription factories）的核內區域，以提高轉錄效率。^[1]

功能

作為所有真核生物的遺傳基礎，核基因的表現情況直接影響到細胞層面的各種性狀。

細胞中的大多數蛋白質，例如大部分的胞器蛋白，都來源於由核基因轉錄的信使RNA。這些蛋白和其他核基因編碼的產物一樣，都在細胞質中合成，然後再被運送到胞器中。核基因一般線性排列於染色體上，不僅便於基因複製，也參與調控基因的表現。因此，核基因的拷貝數通常受嚴格控制，每個細胞週期只複製一次。^[3]

像血小板這樣的無核細胞則不含有核DNA，因此必須依賴其他方式獲得合成蛋白所需的RNA。

以人類核基因組的33億個鹼基對為背景，一個典型的核基因例子是MDH1（英語：MDH1），即蘋果酸去氫酶1基因。在檸檬酸循環等多種代謝通路中，MDH1都負責編碼一種胞質同工酶，能夠催化蘋果酸與草醯乙酸之間的可逆氧化反應，使蘋果酸得以通過蘋果酸-天門冬胺酸穿梭系統穿過粒線體膜，並轉化為草醯乙酸，從而參與進一步的細胞代謝功能。^[4]該基因和眾多核基因一樣，在生物體的整體生理功能中發揮著關鍵作用。

許多來自細胞核的轉錄因子都負責電子傳遞鏈（呼吸鏈）的表現，同時也可能參與了粒線體功能的調控。例如NRF1（英語：NRF1）（核呼吸因子1）不僅調控編碼呼吸鏈蛋白的基因，還作用於生物合成中的限速酶，以及粒線體DNA的複製與轉錄相關元件。而NRF2則確保了細胞色素c氧化酶的IV亞基（COXIV）和Vb亞基（COXVb）生成的最大化。

而粒線體、葉綠體等起源自內共生的胞器儘管位置上與細胞核相分離，其基因卻可以通過多種方式與核基因相互作用，而細胞核基因在胞器基因的表現中也起著關鍵作用。^[5]粒線體基因所產生的代謝物或肽類等物質也可以轉移至細胞核，從而影響、調控核基因的表現。^[6][7][8][9]

應用

核基因序列在現代遺傳學中有著眾多應用，其中之一是用於研究物種形成及推斷物種親緣及演化歷史。^[10]

對於植物等基因組重複性較高的生物類群，核基因因其低拷貝的特性，對於提升系統發育樹的節點解析度、釐清近緣譜系的關係和分化先後順序有著極高價值，特別是在葉綠體DNA和核糖體DNA等通用標記不足的情況下。核基因中進化較快的內含子能夠為近緣物種的界定提供關鍵的系統發育學證據。然而，核基因的使用目前也面臨一些挑戰，例如通用的標記數量較為有限，且基因家族結構複雜。儘管低拷貝核基因的獲取需要額外的濕實驗或下游生信分析操作（例如靶向捕獲技術target capture），隨著定序及配套分析手段的進步，這一方法的實操可行性逐年遞增。

由於核基因是所有真核生物的遺傳基礎，因此任何能夠影響其表現的因素都會直接影響該生物在細胞水平上的特徵。粒線體和葉綠體等內共生胞器基因之間的相互作用只是作用於核基因組的眾多因素中的一小部分。