遗传信息的传递（复制 转录蛋白质合成）

第二章遗传信息的传递 基本概念复制 指以亲代DNA分子为模板合成一个新的与亲代模板结构相同的子代DNA分子的过程 转录 指以DNA或RNA 某些病毒中 为模板 以ATP GTP CTP和UTP四种核糖核苷三磷酸 NTP 为底物 在RNA聚合酶和其它蛋白质因子的作用下 按碱基互补配对原则 从5 3 合成RNA的过程 遗传信息通过转录从DNA传递到RNA 翻译 又称蛋白质生物合成 是指在核糖体上 将mRNA所含的遗传密码转译为多肽链中相应氨基酸的过程 操纵子 由调节基因 操纵基因和结构基因组成 正控制 是一种转录水平的调控机制 调节基因编码的调节蛋白是激活蛋白 它与效应物分子协同作用 开启操纵子结构基因的转录 如果调节蛋白缺乏 基因关闭 负控制 是一种转录水平的调控机制 调节基因编码的调节蛋白是阻遏蛋白 它本身或与辅阻抑物协同作用 关闭操纵子结构基因的转录 如果调节蛋白缺乏 基因表达 顺式作用元件 是DNA分子上与结构基因连锁的转录调控区域 它们不是通过合成蛋白质或RNA 而是与特定的反式作用元件结合 再经反式作用元件之间和与RNA聚合酶的相互作用 实现对基因表达的调控作用 反式作用元件 cis actingelement 又称转录因子 是指能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件8 12bp核心序列上 参与靶基因表达调控的一组调节蛋白 第一节DNA的复制一 DNA复制的特点 2 半不连续复制一条链式连续的 另一条是不连续的 1半保留复制 semiconservativereplication 复制时DNA双链解开并以每一单链为模板来形成另一对应的新链 3复制起点和复制方向 多数细菌及病毒 只有一个复制起点 控制整个染色体的复制 所以整个染色体也就是一个复制子 复制子 replicon 是指在同一个复制起点控制下合成的一段DNA序列 在真核生物中 每条染色体的DNA复制则是多起点的 多个复制起点共同控制一条染色体的复制 即每条染色体有多个复制子 图3 17 真核生物的研究发现 其复制也是双向的 但近来发现 并不是所有的生物DNA的复制都是双向的 如 噬菌体T2 其DNA的复制就是沿一个方向进行的 5 3 大肠杆菌和其它许多原核生物的环状DNA复制是双向的 即DNA的复制从复制起点开始 向二个方向同时进行 最后相遇 完成复制 复制方向 从起点开始是沿着一个方向进行的呢 还是双向的 2 真核生物DNA聚合酶真核生物中存在 和 五种DNA聚合酶 DNA聚合酶 被认为是催化真核生物DNA复制的主力酶 二 引发酶真核生物DNA聚合酶 具有引发酶活性 三 DNA连接酶 五 解链酶在大肠杆菌中 DNA的合成速度每分钟约为30 000bp 即双螺旋每分钟必须旋转3000次才能完全解旋 六 单链结合蛋白ATP提供能量 DNA双链由解旋酶解开后 单链DNA结合蛋白 SSB 马上结合在分开的单链上 从而保持其伸展状态 四 拓扑异构酶DNA拓扑异构酶将DNA双链切开一个口子 使一条链旋转一圈 然后再将其共价相连 从而消除其张力 DNA拓扑异构酶I 只对双链DNA中的一条链进行切割 产生切口 nick 每次切割只能去除一个超螺旋 此过程不需要外加能量 DNA拓扑异构酶II 可以对双链DNA的二条链同时进行切割 每次切割可以去除二个超螺旋 此过程需要ATP提供能量 三 DNA复制的一般过程 一 DNA复制的起始DNA的合成是半保留复制 分别以两条链互为模板 而合成两条互补新链 复制是双向的 DNA的合成必须有引物的引导 并且复制时链的延伸总是从5 向3 方向进行 二 DNA复制的过程 DNA的合成过程 1 DNA双螺旋的解链 ATP提供能量 DNA双链由解旋酶解开后 单链DNA结合蛋白 SSB 马上结合在分开的单链上 从而保持其伸展状态 在大肠杆菌中 DNA的合成速度每分钟约为30 000bp 即双螺旋每分钟必须旋转3000次才能完全解旋 2 DNA合成的开始 由于三种DNA聚合酶均需要DNA模板和3 端的自由 OH 才能进行DNA的合成 使DNA延伸 人们很早就发现RNA聚合酶 RNAploymerase 利用DNA模板 不需要特殊的引物可以直接合成RNA DNA合成前 以DNA为模板 根据碱基配对的原则 在一种特殊的RNA聚合酶 DNA引物酶 DNAprimase 的催化下 先合成一段长度为5 60个核苷酸的RNA引物 提供3 端自由 OH 然后 在DNA聚合酶III的作用下进行DNA的合成 3 一条DNA链连续合成 一条链不连续 从电子显微镜和放射自显影的结果可知 DNA两条新链的合成是从一个复制叉 replicatingfork 向着同一个方向延伸的 而组成DNA双螺旋的互补双链具有相反的方向 一条从5 3 而另地条3 5 为反向平行 二条DNA新链 只有一条DNA链的合成是连续的 而另一条则是不连续的 所以从整个DNA分子水平来看 DNA二条新链的合成方向是相反的 但是都是从5 向3 方向延伸 把一直从5 向3 方向延伸的链称作前导链 leadingstrand 它是连续合成的 另一条先沿5 3 方向合成一些片段 然后再由连接酶将其连起来的链 称为后随链 laggingstrand 其合成是不连续的 图3 19 在前导链上 DNA引物酶只在起始点合成一次引物RNA DNA聚合酶III就可开始进行DNA的合成 每个 冈崎片段 的合成都需要先合成一段引物RNA 然后DNA聚合酶III才能进行DNA的合成 随后 引物RNA被切除 并为新合成的DNA片段所替代 在大肠杆菌中 引物RNA被切除过程是在DNA聚合酶 的催化下完成的 后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段 后随链DNA的合成 因为DNA聚合酶I有5 3 端核酸外切酶的功能 它可以将RNA引物切除 同时利用其5 3 聚合酶功能 以临近 冈崎片段 的3 端自由 OH进行DNA的合成 从而将RNA引物替换为DNA链 最后由DNA连接酶 DNAligase 将 冈崎片段 连接起来 形成一条完整的新链 图3 20 最后 简要说明一下RNA病毒中RNA的自我复制 大多数RNA病毒是单链的 这种RNA的复制一般是先以自己为模板合成一条互补的单链 通常称病毒原有的 起模板作用的链称为 链 而新复制的RNA链称为 链 这样就形成了双螺旋的复制类型 replicativeform 然后这个 链又从 链模板释放出来 它也以自己为模板复制出一条与自己互补的 链 于是形成了一条新生的病毒RNA 三 真核生物DNA合成 现在已有很多证据表明 真核生物DNA的复制基本上与原核生物相同 但比原核生物更为复杂 真核生物DNA的复制与原核生物主要不同点 1 DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期 真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的S期进行 而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成 2 原核生物DNA的复制是单起点的 而真核生物染色体的复制则为多起点的 3 真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成的 冈崎片段 的长度比原核生物要短 4 有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成 图3 21 在原核生物中有DNA聚合酶I II和III等三种聚合酶 并由聚合酶III同时控制二条链的合成 真核生物中共有 和 等五种DNA聚合酶 聚合酶 和 是DNA合成的主要酶 由聚合酶 控制不连续的后随链的合成 而聚合酶 则控制前导链的合成 所以其二条链的合成是在二种不同的DNA聚合酶的控制下完成 5 染色体端体的复制 原核生物的染色体大多数为环状 而真核生染色体为线状 端体 染色体其末端有特殊DNA序列组成的结构称为 根据DNA合成的过程 新链5 末端DNA是无法自动合成的 因为当末端的RNA引物被切除后 就没有3 端的自由羟基为DNA的合成作引物 在DNA的末端存在特殊的结构 并在含有RNA的端体酶 telomerase 的催化下完成末端的合成 主要不同点 第五节RNA的转录及加工 遗传物质不管其化学性质如何 其必须具有遗传 表达和变异等三种基本功能 下面我们介绍其第二个重要的功能 基因表达 基因的表达 第一步DNA转录 transcription 为RNA 然后由RNA再翻译 translation 成蛋白质 转录 就是以DNA双链之一的遗传密码为模板 把遗传密码以互补的方式转录到mRNA上 翻译 就是mRNA携带着转录的遗传密码 附着在核糖体上 把tRNA运来的各种氨基酸 按照mRNA的密码顺序 相互连接起来成为多肽链 并进一步折叠起来成为立体蛋白质分子 先介绍RNA的转录 一 三种RNA分子 信使RNA messengerRNA mRNA 转移RNA transferRNA tRNA 核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 三种不同的RNA分子在基因的表达过程中起重要的作用 一 mRNA mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来 然后 由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序 是基因表达过程中遗传信息传递的中介 它起着传递信息的作用 因而称为信使RNA mRNA 前面已经介绍 生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中 但DNA并不直接决定蛋白质的合成 而且在真核细胞中 DNA主要存在于细胞核的染色体上 而蛋白质的合成中心却位于细胞质的核糖体上 因此 它需要一种中介物质 才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体 在真核生物中 转录形成的RNA中 含由大量非编码序列 大约只有25 RNA经加工成为mRNA 最后翻译为蛋白质 未经加工的前体mRNA pre mRNA 在分子大小上差别很大 所以通常称为不均一核RNA heterogeneousnuclearRNA hnRNA 二 tRNA 如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图 则核糖体是合成蛋白质的工厂 由于合成蛋白质的原材料 20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力 因此 必须用一种特殊的RNA 转移RNA tRNA 把氨基酸搬运到核糖体上 tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链 每种氨基酸可与1 4种tRNA相结合 现在已知的tRNA的种类在40种以上 tRNA是最小的RNA 其分子量约为27000 25000 30000 由70到90个核苷酸组成 1969年以来 研究了来自各种不同生物 如 酵母 大肠杆菌 小麦 鼠等的十几种tRNA的结构 证明它们的碱基序列都能折叠成三叶草叶型 图3 22 tRNA的结构的共性 图3 23 1 5 端之末具有G 大部分 或C 2 3 端之末都以ACC的顺序终结 3 有一个富有鸟嘌呤的环 4 有一个反密码子环 其的顶端有三个暴露的碱基 称为反密码子 这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对 5 有一个胸腺嘧啶环 三 rRNA 核糖体RNA 它是组成核糖体的主要成分 而核糖体则是合成蛋白质的中心 原核生物的核糖体所含的rRNA 有5S 16S及23S等三种 S为沉降系数 sedimentationcoefficient 当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时 此速度与粒子的大小直接成比例 真核生物的核糖体 含有4种rRNA和约80种蛋白质 四种rRNA为5S 5 8S 18S和28S rRNA是单链 它包含不等量的A与U G与C 但是有广泛的双链区域 在双链区 碱基因氢鍵相连 表现为发夹式螺旋 rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了 但16S的rRNA3 端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的 这可能有助于mRNA与核糖体的结合 除了上述三种主要的RNA外 还有小核RNA smallnuclearRNA snRNA 是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体 spliceosome 的主要成份 另外 还有端体酶RNA telomeraseRNA 它与染色体末端的复制有关 以及反义RNA antisenseRNA 它参与基因表达的调控 上述各种RNA分子均为转录的产物 mRNA最后翻译为蛋白质 而rRNA tRNA及snRNA等并不翻译 其终产物即为RNA 二 RNA合成的一般特点 RNA的合成与DNA合成有以下三方面明显不同 1 所用的原料为核苷三磷酸 而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸 2 只有一条DNA链被用作模板 而DNA合成时 两条链分别用作模板 3 RNA链的合成不需要引物 可以直接起始合成 而DNA合成一定要引物的引导 转录合成的RNA链 除了U替换为T以外 与用作模板的DNA链互补 而与另一条非模板链相同 如果转录的RNA是mRNA 其信息最后通过密码子决定蛋白质的合成 现在通常将用作模板 进行RNA转录的链称作模板链 templatestrand 而另一条则为非模板链 nontemplatestrand RNA链的合成与DNA链的合成同样 也是从5 向3 端进行的 此过程由RNA聚合酶 RNApolymerase 催化 RNA聚合酶首先在启动子部位 promoter 与DNA结合 形成转录泡 transcriptionbubble 并开始转录 在原核生物中只有一种RNA聚合酶完成所有RNA的转录 而在真核生物中 有三种不同的RNA聚合酶控制不同类型RNA的合成 RNA的合成也同样遵循碱基配对的规则 只是U代替了T 三 原核生物RNA的合成 通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位 transcriptunit 一个转录单位可能刚好是一个基因 也可能含有多个基因 RNA的转录可以分为三步 图3 24 1 RNA链的起始 2 RNA链的延长 3 RNA链的终止及新链的释放 在讨论有关RNA转录时通常要用到上游 upstream 和下游 downstream 二个概念 因为RNA的转录总是从5 向3 端进行 所以上游总是指RNA分子的5 端 而下游则指3 端 一 RNA聚合酶 催化转录的RNA聚合酶是一种由多个蛋白亚基组成的复合酶 如大肠杆菌的RNA聚合酶有五个亚基组成 其分子量为480 000道尔顿 含有 和 等四种不同的多肽 其中 为二个分子 亚基与RNA聚合酶的四聚体核心 2 的形成有关 亚基含有核苷三磷酸的结合位点 亚基含有与DNA模板的结合位点 因子的作用就是识别转录的起始位置 并使RNA聚合酶结合在启动子部位 二 链的起始 RNA链转录的起始首先是RNA聚合酶在 因子的作用下结合于DNA的启动子部位 并在RNA聚合酶的作用下 使DNA双链解开 形成转录泡 为RNA合成提供单链模板 并按照碱基配对的原则 结合核苷酸 然后 在核苷酸之间形成磷酸二脂键 使其相连 形成RNA新链 因子在RNA链伸长到8 9个核酸后 就被释放 然后由核心酶催化RNA的延伸 启动子位于RNA转录起始点的上游 因子对启动子的识别是转录起始的第一步 三 链的延伸 RNA链的延伸是在 因子释放以后 在RNA聚合酶四聚体核心酶的催化下进行 因RNA聚合酶同时具有解开DNA双链 并使其重新闭合的功能 随着RNA的延伸 RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合 RNA转录泡也不断前移 合成新的RNA链 图3 26 四 链的终止 当RNA链延伸遇到终止信号 terminationsignal 时 RNA转录复合体就发生解体 而使新合成的RNA链释放出来 现在发现在大肠杆菌中有二类终止信号 一类只有在存在蛋白质 的情况下 转录才会终止 称为依赖于 的终止 dependentterminator 第二类使转录终止不需要 的参与 所以称为不依赖于 的终止 independentterminator 实际上在原核生物中 RNA的转录 蛋白质的合成以及mRNA的降解通常可以是同时进行的 因为在原核生物中不存在核膜分隔的核 另外 RNA的转录和多肽链的合成都是从5 向3 方向进行 只要mRNA的5 端合成后 即可以进行蛋白质的翻译过程 在原核生物中mRNA的寿命一般只有几分种 因此 往往在3 端mRNA的转录还没有最后结束 5 端mRNA在完成多肽链的合成后 已经开始降解 四 真核生物RNA的转录及加工 一 真核生物RNA转录的特点真核生物与原核生物RNA的转录过程主要有以下几点不同 图3 27 1 真核生物RNA的转录是在细胞核内进行而蛋白质的合成则是在细胞质内 所以 RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内 才能进行蛋白质的合成 2 真核生物mRNA分子一般只编码一个基因原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因 而少数较低等真核生物外 在真核生物中 一个mRNA分子一般只编码一个基因 3 真核生物RNA聚合酶较多在原核生物中只有一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成 而在真核生物中则有RNA聚合酶I II III等三种不同酶 分别催化不同种类型RNA的合成 4 真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA在真核生物中 三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录 一 原核生物与真核生物RNA转录的区别1 真核生物RNA的转录是在细胞核内 翻译在细胞质中进行 原核生物则在核区同时进行转录翻译 2 真核生物一个mRNA只编码一个基因 原核生物一个mRNA编码多个基因 3 真核生物有RNA聚合酶 等三种不同的酶 原核生物则只有一种RNA聚合酶 4 真核生物中转录的起始更复杂 RNA的合成需要转录因子的协助进行转录 原核生物则较为简单 5 真核生物的mRNA转录后进行加工 然后运送到细胞质中进行翻译 原核生物无需进行加工 边转录边翻译 二 mRNA的加工 1 在mRNA前体的5 端加上7 甲基鸟嘌呤核苷的帽子 cap 2 在mRNA前体的3 端加上聚腺苷酸 poly A 的尾巴 3 如果基因中存在不编码的内含子序列 要进行剪接 将其切除 第三节蛋白质的生物合成把蛋白质合成的过程称为翻译 非模板链 编码链 有义链 信息链是同一条链 模板链 反义链 非信息链是同一条链 一 遗传密码有义密码子达61个 这意味着存在一种以上密码子对应一种氨基酸的情况 事实上 唯有甲硫氨酸和色氨酸对应一种密码子 这种由一种以上密码子编码同一氨基酸的现象称为密码的简并 编码相同氨基酸的密码子称为同义密码子 tRNA反密码子臂上的反密码子可正确识别mRNA模板上的密码子并与之配对 确保着肽链的合成按正确顺序进行 遗传密码及相应的氨基酸 遗传密码 geneticcodon 的特点 1 连续性 2 简并性 3 摆动性 4 通用性 5 有起始子 AUG 和终止子 UAG UAA UGA 二核糖体是肽链合成的场所核糖体由大 小亚基构成原核生物 70s 30s 50s 真核生物 80s 40s 60s 多聚核糖体在一条mRNA链上 多个核糖体呈串珠状排列 间隔80个核苷酸 多个核糖体同时在一条mRNA上进行翻译 大大加速蛋白质合成的速度 提高了mRNA的利用率 三tRNA和氨基酰 tRNA tRNA的反密码子环与mRNA的密码配对tRNA的3 端CCA OH是氨基酸的结合位点氨基酰 tRNA合成酶具有绝对专一性校正活性氨基酰 tRNA的写法 Arg tRNAargfMet tRNAfmetMet tRNAimetMet tRNAemet 四蛋白质生物合成过程 1翻译的起始蛋氨酰 tRNA与mRNA结合到核糖体形成起始复合物起始复合物的生成 S D序列 mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列 9 12bp 5 AGGAPuPuUUUPuPuAUG 3 真核生物翻译起始的特点eIF1 11蛋氨酰 tRNAimetmRNA的5 端有帽子结构 3 端有polyA核糖体为 先结合上蛋氨酰 tRNAimet 再结合mRNA 2肽链的延长延长因子 EF 核糖体循环 注册 成肽 转位 1 注册氨基酰 tRNA进入A位 需要EF T协助 GTP 2 成肽转肽酶3 转位转位酶 GTP mRNA向前移动一个密码子的位置耗能 肽链合成方向N端 C端 3肽链合成的终止终止密码的辨认 肽链从肽链 tRNA上水解出 mRNA从核糖体中分离 大小亚基拆开 需要RF参与终止 RF的作用是辨认终止密码促进肽链C端与tRNA3 OH酯键的水解 原核生物 RF 1识别UAA及UAGRF 2识别UAA及UGARF 3能促进RF 1和RF 2对核糖体的结合 是酯酶的激活物 翻译后的加工 翻译后加工 肽链从核蛋白体释放后 经过细胞内各种修饰处理过程 成为有活性的成熟蛋白质一 高级结构的修饰 一 亚基聚合四级结构Hb 2 2 二 辅基连接结合蛋白 二 一级结构的修饰 一 切除N 端的甲酰基或N 蛋氨酸 脱甲酰基酶或氨基肽酶 二 个别氨基酸的修饰羟脯氨酸 羟赖氨酸的羟化 含 OH的丝氨酸 苏氨酸 酪氨酸的磷酸化 多肽链二硫键的形成 三 水解修饰鸦片促黑皮质素原 POMC 图3 34中心法则及其发展 第四节基因表达调控 一 基因表达的概述1 概念基因表达就是基因转录及翻译的过程 在一定调节机制控制下 大多数基因经历基因激活 转录及翻译等过程 产生具有特异生物学功能的蛋白质分子 但并非所有基因表达过程都产生蛋白质 tRNA rRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达 基因表达是个体正常生长 发育和适应环境的基础细胞的分化是受控表达或选择表达的结果 2 基因表达的时间性及空间性基因表达的时间 空间特异性由特异基因的启动子和增强子与调节蛋白相互作用决定 1 时间特异性 按功能需要 某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生 这是基因表达的时间特异性 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性 2 空间特异性 在个体生长全过程 某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现 这就是基因表达的空间特异性 又称细胞特异性或组织特异性 4 基因表达的复杂性表现为 1 多级调控 染色体和基因的结构活化 转录起始 转录后加工及转运 mRNA降解 翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的控制点 2 多要素综合作用 DNA序列 调节蛋白和RNA聚合酶等的结合作用 调控机理上 调控层次上 原核与真核生物最常见的调控就是转录过程的调控 5 基因表达的生物学意义 主要体现在适应环境 维持生长 增殖 个体发育和分化等方面 二 原核生物基因表达调控1 操纵子学说 原核生物的基因表达可在DNA水平 转录水平和翻译水平三个层次进行调控 其中转录水平调控是基因表达调控的主要环节 操纵子是原核生物转录水平调控的主要方式 操纵子由调节基因R 操纵基因O和结构基因S组成 操纵子通过调节基因编码的调节蛋白开启或关闭操纵基因 调控结构基因的表达 如果调节蛋白关闭基因表达活性 称为负调控 反之 调节蛋白开启基因表达活性 称为正调控 一些小分子物质可作用于调节蛋白 开启转录活性的为诱导物 反之为辅阻遏物 超阻遏物 正控制系统 positivecontrol 在无调节蛋白质存在时基因关闭 加入调节蛋白后基因活性被开启 调节蛋白称为无辅基诱导蛋白 apoinducer 负控制系统 negativecontrol 无调节蛋白质存在时基因表达 加入调节蛋白后基因表达受阻 调节蛋白称为阻遏蛋白 repressor A 转乙酰酶 半乳糖苷透过酶 Z Y 2 操纵子结构和功能 乳糖操纵子模型 乳糖操纵子的结构 P R 1961Jacob Monod 操纵子分为结构区和调控区两部分 调控区包括聚合酶结合的启动基因 promoter P 与阻遏蛋白结合的操纵基因 operator O 存在乳糖而无葡萄糖时 乳糖与阻遏蛋白结合 使阻遏蛋白构象改变 不能结合到O上 打开操纵子开关 缺少葡萄糖 使CAP浓度增高 形成复合物 与CAP位点结合 开放聚合酶通道 活化结构基因 开始大量转录 缺少葡萄糖时 乳糖与葡萄糖均存在时 乳糖与阻遏蛋白结合 使阻遏蛋白构象改变 不能结合到O上 存在葡萄糖 CAP浓度降低 不能与CAP位点结合 聚合酶不能与P结合 只能少量转录 只有葡萄糖存在时 阻遏蛋白结合在O上 关闭所控制的操纵子 阻止结合在启动基因P上的RNA聚合酶作用 使结构基因处于抑止状态 2 1pre RNAprocessing forEukaryotsonly 2 2RNAinterference RNAi 广泛存在于原核生物 E coli 真核生物 plant mammalian 二 转录后水平的调控 RNA干涉 RNAinterference RNAi 是指内源性或外源性双链RNA dsRNA 介导的细胞内mRNA发生特异性降解 从而导致靶基因的表达沉默 产生相应功能表型缺失的现象 重要的意外发现 SuGuo1995康乃尔大学 用反义RNA技术抑制par 1基因的表达 RNAinterference RNAi 的发现与证实 秀丽新小杆线虫胚胎对称性基因 该研究小组一直没能给这个意外以合理解释 RNA干涉 RNAinterference RNAi 是指内源性或外源性双链RNA dsRNA 介导的细胞内mRNA发生特异性降解 从而导致靶基因的表达沉默 产生相应功能表型缺失的现象 RNAvirus的侵染转座子的转录反向重复序列的转录 细胞中一组特异蛋白质 23ntsmallD S RNA sD SRNA 具有与对应mRNA足够的序列同源性 21 23ntsD SRNA 蛋白质复合体结合mRNA If D SRNA的无义链与mRNA不互补ComplexwayoutfrommRNA If D SRNA的无义链与mRNA发生互补交换置换sD SRNA的有义链RNAaseIII从sD SRNA的无义链一端切断mRNA25nt 25ntmRNA与sD SRNA无义链 蛋白质结合 形成复合体 启动新一轮切割 RNA干涉一旦启动 就可将对应的mRNA全部降解 达到缺失突变的效应 sD SRNA也可降解pre RNA 但机率较低 23ntsD SRNA极易穿过细胞 进行远距离的转移 并可进入生殖细胞传递下一代 由于pre RNA存在时间短 同时有加工蛋白的结合 阻止干涉复合体的结合 RNAi研究的意义 合成并注射特异sD SRNA 在表型上达到的遗传效应相同于 翻译过程中的自体调控1 阻碍蛋白对翻译起始的调控2 mRNA二级结构对翻译的调控一个顺反子的转录需要mRNA二级结构的改变 而这又依赖于前一个顺反子的翻译 三 翻译水平的调控 3 参与构成基因表达装置的蛋白质合成的自体调控 核糖体蛋白 S7 S5 S4 S12 L2 L4 L5 L6 蛋白质合成的辅助因子 EF G EF Tu 普通遗传学长江大学 衰减 弱化 作用 Attenuation E colitrpsynthetaseoperon CharlesYanofskystanford U 衰减子系统 更为精细的调控系统 衰减子 attenuator 一个受到翻译控制的转录终止子结构 特征 前导序列中含开放阅读框 并有2个连续的色氨酸密码子 通过前导序列中一小肽链的翻译来控制转录 不依赖终止因子的终止子结构 弱化作用 Attenuation E colitrpsynthetaseoperon CharlesYanofskystanford U 调控机制分析 1 2 3 4 2 3 调控机制分析 Trp Arg starved Non starved Arg60 70 UGA69 79 2 3 3 4 Rho independentT 序列2和3配对 转录不终止 序列3和4配对 转录终止 Attenuatorcontrol的生物学意义 YanofskyCharles 1981 Nature 289 751 758 通过引导区短肽的翻译过程对operon转录的精细控制 原核生物中mRNA半衰期较短 一般为2 3分钟 频繁更新 适应环境 真核生物中不同基因mRNA半衰期相差很大降解速率明显不同 mRNA的寿命对翻译的调节 第二节真核生物的基因表达调控 一 DNA水平的基因表达调控 1 基因丢失 低等生物 丢失基因 高等生物 关闭无用基因 活化有用基因 2 基因扩增 特定基因大量增加 是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够基因产物的一种调控手段 3 DNA的甲基化和去甲基化 5 mCpG 3 3 GpCm 5 导致甲基深入双螺旋结构大沟内部 影响DNA与结合蛋白的相互作用 加强阻遏蛋白或降低激化蛋白与DNA结合 使DNA双螺旋大沟过分拥集 改变不同构象间平衡 扩展大沟内空间 影响DNA结合蛋白对应专一序列的结合 基因重排 基因从远离其启动子的地方移动到距启动子近的位点而被启动转录调节表达基因的种类和活性 二 转录水平的调控 Britten Davidson模型 一个结构基因受不同综合者基因 接受位点系统控制 启动子 DNA分子上结合RNA聚合酶并形成转录起始复合物的区域 在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白质结合位点 增强子 enhancer 远距离调节启动子以增加转录速率的DNA序列 其增强作用与序列方向无关 与它在基因的上下游位置无关 并具有强烈的细胞类型依赖性 远上游序列 farupstreamsequence 在 100以上 SV40两个正向重复序列 107 178 179 250 沉默子基因表达负调控 作用方式与增强子相似 三 转录后水平的调控 可变剪接 alternativesplicing 来自一个基因的mRNA前体含有多个内含子 在个体发育或细胞分化时 某个内含子5的供点可在特定条件下与另一个内含子的3受点进行剪接 同时删除2个内含子及其中间的全部外显子和内含子 按不同方式对mRNA前体进行的剪接 可变剪接的方式 顺式剪接 cis splicing 发生在一个RNA分子内部的剪接 即通过剪接将一个RNA分子内部的内含子剪接掉 使外显子连接在一起的碱基方式 反式剪接 trans splicing 发生在两个RNA分子间的剪接 即以两种不同来源的RNA前体分子作为底物 经过剪接在成熟的非翻译部分5端拼接上一小段 反式剪接 反义基因在耐储藏番茄育种中的应用 乙烯合成被抑制 anti senseACCgene 本章结束 普通遗传学长江大学 乳糖操纵子的功能 负调控机制 3 操纵子的其他调控形式 1 色氨酸操纵子 2 半乳糖操纵子 galoperon 3 阿拉伯糖操纵子 araoperon 4 基因表达的时空调控噬菌体SPO1侵染枯草杆菌 侵染后 早期基因立即转录 4 5m后 转为中期基因表达 8 12m后转为晚期基因表达 5 DNA序列重排的调控DNA序列的重排调控基因的表达 如鼠伤寒沙门氏菌的相转变机制 包括P的DNA倒位 三 真核生物基因表达调控1 真核基因组结构特点 基因组 Genome 是指一特定生物体的整套 单倍体 遗传物质的总和 1 真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组DNA长达109个bp 2 单顺反子 真核基因转录产物为单顺反子 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子 经翻译生成一条多肽链 顺反子表示一个起作用的单位 其所包括的一段DNA与一个多肽链的合成相对应 是基因的基本功能和转录单位 一个基因可有几个顺反子 一个顺反子产生一条mRNA 3 重复序列 在原核 真核DNA中都有重复出现的核苷酸序列 但在真核更普遍 根据重复频率可将重复序列区分为高度重复序列 106次 中度重复序列 103 104 及单拷贝序列 单拷贝序列在整个基因组中只出现一次或很少的几次 4 基因不连续性 真核结构基因两侧存在不被转录的非编码序列 往往是基因表达的调控区 在编码基因内部尚有一些不为蛋白质所编码的间隔序列 称内含子 而编码序列称为外显子 因此真核基因是不连续的 二 真核生物基因表达调控 一 DNA及染色体水平的调控 二 转录水平的调控1 基因转录的反式作用元件2 转录因子的分子结构特征 基因丢失 基因扩增 基因重排 甲基化修饰 三 转录后水平的调控1 RNA编辑 RNAediting 2 mRNA前体的选择性拼接3 反义RNA的调控反义RNA的调控是指真核生物基因组中 某些调节基因转录所产生的RNA可与基因组DNA或RNA序列互补 形成杂交体 阻断或减弱基因转录或翻译的调控机制 这些调节基因所产生的RNA称之为反义RNA 第六节遗传密码与蛋白质的翻译一 遗传密码 1 三联体密码 2 通用性 3 简并现象 4 遗传密码间不能重复利用 除少数情况外 一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子 5 起始密码子 AUGGUG和终止密码子 UAAUAGUGA 6 遗传密码间无逗号 即在翻译过程中 遗传密码的译读是连续的 图3 29核糖体的结构 原核生物70S核糖体 哺乳动物原核生物80S核糖体 图3 30蛋白质合成的起始 图3 31蛋白质合成链的延伸 图3 32蛋白质合成的终止 图3 33多聚核糖体 二 DNA复制的延伸 DNA复制叉 后随链的合成 三 DNA复制的终止 四 原核生物和真核生物DNA的复制特点 一 复制的起点和速率通常细菌等原核生物只要一个复制起点 真核生物有很多个复制起点 真核生物线性DNA的复制泡 二 复制方式 型复制滚环式复制D环复制 三 真核生物染色体末端DNA的复制 第二节DNA的转录一 DNA转录的基本特征转录与复制的相同点 都在酶的催化作用下 以DNA为模板 按碱基互补配对的原则 沿5 3 方向合成与模板互补的新链 转录与复制的差别 1 转录只发生在一部分区域 约1 的DNA序列最后被表达成为成熟的mRNA进入细胞质中 指导蛋白质的合成 2 转录时只有一条链为模板 称为模板链或反义链 而另一条称为有意义链或编码链 DNA复制时 两条链都用作模板 3 转录起始时 不需要引物的参与 而DNA复制一定要引物的存在 4 转录的底物是4种核糖核苷三磷酸 rNTP 即ATP GTP CTP和UTP RNA与模板DNA的碱基相互配对关系为G C和A U 而复制的底物是dNTP 碱基互补配对关系为G C和A T 5 RNA的合成依赖于RNA聚合酶的催化作用 而DNA复制需要DNA聚合酶 两种聚合酶系不同 6 转录时DNA RNA杂合双链分子是不稳定的 RNA链在延伸过程中不断从模板链上游离出来 模板DNA又恢复双链状态 而DNA复制叉形成之后一直打开 不断向两侧延伸 新合成的链与亲本链形成子链 7 真核生物基因和rRNA tRNA基因经转录生成的初级转录物一般都需经过加工 才能具有生物功能和成熟的RNA分子 二 RNA聚合酶 一 大肠杆菌RNA聚合酶大肠杆菌中只有一种RNA聚合酶负责所有mRNA rRNA和tRNA的合成 它是一种复合酶 由5个亚基组成 2 2 四个亚基构成核心酶 核心酶与 亚基构成全酶 亚基能识别启动子 并与DNA形成稳定的起始复合物 参与转录的起始 二 真核生物RNA聚合酶真核生物细胞内负责转录的RNA聚合酶有三类 即RNA聚合酶I II和III 它们在细胞中处于不同的部位 其中RNA聚合酶II为主力酶 三 基因转录的一般过程 一 转录的起始 二 转录的延伸 三 转录的终止 转录的起始转录延伸的移动方式RNA链的延伸 原核生物转录的终止处有特殊结构的存在 称为终止子 原核生物的终止子分为二种 一种为强终止子 另一种为弱终止子 强终止子存在回文结构 且富含GC序列 其3 端有多个核苷酸的寡聚U 强终止子的结构 因子不依赖转录终止机制 弱启动子也存在回文序列 易形成发夹二级结构 但其发夹结构中的G C含量少 但若没有其他蛋白质因子的帮助 聚合酶将会越过终止子继续 通读 下去 只有当一种蛋白质因子 rhofactor 存在时 转录才会终止 这种终止方式称为 因子依赖性终止 依赖性终止机制见右图 四 mRNA的加工原核生物的mRNA往往一产生就是成熟的 不需转录后的修饰加工 真核生物基因的初始转录产物则一般缺乏生物活性 必须经过剪接加工后成为有活性的成熟mRNA分子 它们需从细胞核转移到细胞质内 指导蛋白质的合成 真核生物mRNA的加工主要包括在mRNA的5 末端加 帽子 在3 端加上多聚腺苷酸尾巴以及进行RNA的剪接 真核生物的帽子有三种类型 0型帽子 1型帽子和2型帽子 真核生物RNA的剪接有三类 第一类是依靠内含子的特殊结构而能自发地进行剪接 第二类是蛋白质 酶 促剪切 第三类是需要一种细胞核小分子核糖核蛋白参与剪接的方式 真核生物mRNA的剪接就是这种方式 第三节蛋白质的生物合成把蛋白质合成的过程称为翻译 一 遗传密码有义密码子达61个 这意味着存在一种以上密码子对应一种氨基酸的情况 事实上 唯有甲硫氨酸和色氨酸对应一种密码子 这种由一种以上密码子编码同一氨基酸的现象称为密码的简并 编码相同氨基酸的密码子称为同义密码子 tRNA反密码子臂上的反密码子可正确识别mRNA模板上的密码子并与之配对 确保着肽链的合成按正确顺序进行 遗传密码及相应的氨基酸 遗传密码 geneticcodon 的特点 1 连续性 2 简并性 3 摆动性 4 通用性 5 有起始子 AUG 和终止子 UAG UAA UGA 二核糖体是肽链合成的场所核糖体由大 小亚基构成原核生物 70s 30s 50s 真核生物 80s 40s 60s 多聚核糖体在一条mRNA链上 多个核糖体呈串珠状排列 间隔80个核苷酸 多个核糖体同时在一条mRNA上进行翻译 大大加速蛋白质合成的速度 提高了mRNA的利用率 三tRNA和氨基酰 tRNA tRNA的反密码子环与mRNA的密码配对tRNA的3 端CCA OH是氨基酸的结合位点氨基酰 tRNA合成酶具有绝对专一性校正活性氨基酰 tRNA的写法 Arg tRNAargfMet tRNAfmetMet tRNAimetMet tRNAemet 四蛋白质生物合成过程 1翻译的起始蛋氨酰 tRNA与mRNA结合到核糖体形成起始复合物起始复合物的生成 S D序列 mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列 9 12bp 5 AGGAPuPuUUUPuPuAUG 3 真核生物翻译起始的特点eIF1 11蛋氨酰 tRNAimetmRNA的5 端有帽子结构 3 端有polyA核糖体为 先结合上蛋氨酰 tRNAimet 再结合mRNA 2肽链的延长延长因子 EF 核糖体循环 注册 成肽 转位 1 注册氨基酰 tRNA进入A位 需要EF T协助 GTP 2 成肽转肽酶3 转位转位酶 GTP mRNA向前移动一个密码子的位置耗能 肽链合成方向N端 C端 3肽链合成的终止终止密码的辨认 肽链从肽链 tRNA上水解出 mRNA从核糖体中分离 大小亚基拆开 需要RF参与终止 RF的作用是辨认终止密码促进肽链C端与tRNA3 OH酯键的水解 原核生物 RF 1识别UAA及UAGRF 2识别UAA及UGARF 3能促进RF 1和RF 2对核糖体的结合 是酯酶的激活物 翻译后的加工 翻译后加工 肽链从核蛋白体释放后 经过细胞内各种修饰处理过程 成为有活性的成熟蛋白质一