细胞生物学：07-1第九章 遗传信息的传递及其调控-ZX

1、第九章 遗传信息的传递及其调控（transmission of genetic information and its regulation,第一节 基因及其功能 第二节 基因转录和转录后加工 第三节 蛋白质的生物合成 第四节 基因表达信息的调控及应用,内容,第一节 基因及其功能,一、基因 二、“中心法则”阐明细胞内遗传信息流,一、基因 基因（gene）：核酸中储存遗传信息的遗传单位，是储存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必须的全部核苷酸序列。 基因组 (genome)：是携带有细胞或生物体的一整套遗传指令的核酸量,编码区: 能够转录为相应的mRNA，进而指导蛋白质的合成的

2、基因区段。 非编码区: 不能转录为mRNA编码蛋白质的区段，由编码区上游和下游的DNA序列组成，调控遗传信息的表达：启动子和终止子等。 特点：编码区是连续的,原核细胞的基因,由编码区和非编码区两部分组成。 特点：编码区是间隔的、不连续的 。（,真核细胞的基因,编码区和编码序列 非编码区和非编码序列,真核细胞基因的几个概念： 1.断裂基因(split gene)： 由若干内含子和外显子构成的不连续、镶嵌结构的结构基因。内含子(intron)，能够被转录，但不能指导蛋白质生物合成的非编码顺序。外显子(exon)，能够被转录，并能指导蛋白质生物合成的编码顺序,2.外显子内含子接头: 内含子 两端高度

3、保守顺序GT-AG法则。 3.侧翼顺序：第一个外显子和最 后一个外显子的外侧的一段不 被翻译的非编码区。 4.启动子（promoter，P）：确保 转录精确而有效地起始的DNA序 列：TATA盒和上游启动子序列 CAAT 盒/GC盒,5.增强子(enhancer）： 能增强基因转录的DNA序列，不具有启动子的功能，但能增强或提高启动子的活性。 6.沉默子（silencer）：是负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。 7.终止子（terminator）：具有转录终止的功能,中心法则,二、“中心法则”阐明细胞内遗传信息流,遗传信息通过DNA RNA和蛋白质的单向流动，称为分子

4、生物学的中心法则（central dogma）。遗传信息亦可反向转录，即从RNADNA,第二节 基因转录和转录后加工,一转录过程需要多因素参与 二基因转录过程的三个阶段 三初级转录产物经过转录后 加工才具有活性,一转录过程需要诸多因素参与,一) DNA链是基因转录的模板 （二） RNA聚合酶是基因转录的关键酶 （三）DNA模板上启动子是控制转录的关键部位,转录（transcription）：以DNA为模板，RNA聚合酶催化合成RNA分子的过程。转录的实质就是将DNA的遗传信息传递给RNA分子,基因转录的特点： 1）合成RNA的底物是5-三磷酸核糖核 苷(NTP) 2）RNA聚合酶作用下形成磷酸

5、二酯键 3）RNA碱基顺序由模板DNA碱基顺序 决定 4）被转录的区域都以单链为模板 5）RNA合成的方向是53 6）RNA合成中不需要引物,一) DNA链是基因转录的模板,模板链（template strain）能指引转录生成RNA的DNA单链，也称有意义链（sense strain）或Watson 链。编码链（coding strain）相对于模板链不能指引转录的另外一股DNA单链，又称反义链（antisense strain）或Crick链,不对称转录,二） RNA聚合酶是基因转录的关键酶,大肠杆菌RNA聚合酶组分和功能,真核生物的RNA聚合酶,三）DNA模板上启动子是控制转录的关键部位

6、,启动子决定转录的起始位点和转录的方向，启动转录的开始,10区：Pribnow box，转录方向 -35区：转录起始的辨认位点 -10区与-35区之间的间隔：转录的 强弱,原核启动子有三大要素,真核生物RNA聚合酶II的启动区,转录起始位点 TATA盒 CAAT盒 增强子,启动子,二基因转录过程包括三个阶段,一） 转录起始复合物的形成标志转录开始 （二） 转录空泡是转录延伸阶段的主要形式 （三）原核生物的转录终止包括两种方式,一） 转录起始复合物的形成标志转录开始,转录起始复合物：RNA聚合酶（全酶）DNA链和新链前两个核苷酸,转录的起始,转录空泡示意图,二） 转录空泡是转录延伸阶段的主要形式

7、,三）原核生物的转录终止包括两种方式,1.依赖因子的转录终止 2.非依赖因子的转录终止,因子参与的转录终止过程,RNA的发卡结构与转录终止,初级转录产物(primary transcripts) 是指转录生成的RNA，其不一定是成熟的RNA分子。 转录后加工(post-transcriptional processing) 即将新生的、无活性的RNA初级产物转变成有活性的成熟RNA的过程，也叫RNA的成熟,三初级转录产物经过加工具有活性,真核细胞RNA的转录后加工,1. 5端帽子结构生成： mRNA成熟的真核生物，其结构5端都有一个m7GpppG.结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子，是mRNA翻

8、译起始的必要结构并增加mRNA稳定性。 2. PolyA尾的生成：poly A尾的有无与长短是维持mRNA 作为翻译模板活性和增加mRNA稳定性的重要因素,hnRNA进行首尾修饰和内含子剪切后转变为成熟的mRNA,3. hnRNA的剪接 hnRNA经转录最初生成的mRNA前体，其分子量常比成熟mRNA大几倍或几十倍。 剪接作用在所谓剪接体(splicesome)中进行，剪接体由多种snRNA和几十种蛋白质组成,剪接部位在内含子末端的特定位点，即5GT，AG3GT-AG法则,卵清蛋白基因转录及加工过程,1. tRNA前体的剪切 2. tRNA前体的化学修饰 ：还原，转位，脱氨，甲基化反应。 3.

9、 3端加上CCA,二）前体tRNA的转录后加工,tRNA的转录后加工,rRNA进行的是自我剪接，表明RNA分子也具有酶的催化活性。这种有酶催化活性的RNA分子被命名为核酶（ribozyme,核酶的发现是对传统酶学的挑战 核酶的发现，对中心法则作了重要补充,三）核酶参与了rRNA的转录后加工,1.有多种RNA聚合酶分别合成不同类别的RNA 2.有多种类型的启动子为不同的RNA聚合酶所用 3.有多种转录因子 4.真核生物于转录时或转录后有广泛的RNA加工,真核生物转录的主要特点是,第三节 蛋白质的生物合成,一翻译是在mRNA指导下的蛋白质合成过程 二蛋白质合成过程包括五个阶段 三肽链合成加工后的输

10、送,一翻译是在mRNA指导下的蛋白质合成过程,将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序的过程叫做翻译,核糖体：由rRNA和几十种蛋白质组成的亚细胞颗粒，位于胞质内。 可分为两类： 1）附着于糙面内质网，主要参与白蛋白、胰岛素等分泌性蛋白质的合成； 2）游离于胞质，主要参与细胞固有蛋白质的合成,一)核糖体是肽链合成场所,糙面内织网上的核糖体,真核生物与原核生物核蛋白体成分的比较,1. mRNA结合位点 2. P位点（peptidyl-tRNA site） 3. A位点（Aminoacyl-tRNA site） 4. 转肽酶（tran

11、speptidase）活性部位 5. 结合参与蛋白质合成的因子,核糖体大、小亚基有许多活性蛋白是参与蛋白质生物合成过程的酶和蛋白质因子，结构上具有以下特点,二) mRNA是合成蛋白质的直接模板,mRNA分子上以53方向，从AUG开始每三个连续的核苷酸组成一个密码子，mRNA中的四种碱基可以组成64种密码子,氨 基 酸 的 密 码 表,1.通用性 2.方向性 3.简并性 4.连续性 5.起始密码子和终止密码子,遗传密码有如下特点,三）tRNA是活化和转运氨 基酸的工具,tRNA的二级结构,四）若干酶类和因子参与蛋白质生物合成,1.氨基酰-tRNA合成酶: 氨基酸在组成多肽之前，必须先经过氨基酰-

12、tRNA 合成酶催化并与其特异的tRNA结合。 2.转肽酶（transpeptidase）: 使大亚基P位上肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位上氨基酰-tRNA的氨基上，结合成肽键，使肽链延长,3.其他因子 蛋白质因子：起始因子延长因子终止因子等； 无机离子：如镁离子钾离子等； 供能物质：如ATPGTP等,氨基酸+tRNA+ATP 氨基酰tRNA +AMP +PPi,二蛋白质合成过程包括五个阶段,一）氨基酸活化及转运,氨基酰-tRNA合成酶,起始阶段指大亚基、小亚基、mRNA和具有启动作用的起始氨基酰-tRNA聚合为起始复合物的过程,二） 翻译起始复合物的 形成,大肠杆菌细胞翻译起始复合物形成的

13、过程： 1.核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位 2.30S前起始复合物的形成 3.70S起始复合物的形成,大肠杆菌细胞 翻译起始复合 物的形成,三）肽链的延长（核糖体循环过程,核糖体循环（ribosome circulation） 肽链延长在核糖体上连续循环进行； 每经过一个循环肽链增加一个氨基酸； 核糖体循环包括进位（register）、成肽(peptide formation)、转位(transposition)三个步骤,多核糖体循环,在进行蛋白质合成时，每分子mRNA上同时结合着多个核蛋白体，可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，大大提高了翻译的效率,1.终止密码的辨

14、认 2.肽链和mRNA等释出 3.核糖体大小亚基解聚,四）肽链合成终止过程,肽链合成的 终止过程,1.肽链氨基端的修饰 2.共价修饰：磷酸化 糖基化 羟基化 二硫键的形成 3.辅助因子的连接和亚基聚合 4.多肽链的水解修饰,五）肽链合成后的加工、修饰,三肽链合成加工后的输送蛋白质经过靶向运输到特定区域发挥生物学活性,蛋白质合成后运送到相应功能部位，称为蛋白质的靶向运输。按功能和去向分成两类： 1.分泌蛋白 由结合于糙面内质网的核糖体合成 2.分布于胞质、线粒体及核内蛋白 由游离核糖体合成,靶向输送蛋白的信号序列或成分,分泌性蛋白的信号肽形成和靶向运输,第四节 基因表达信息的调控及应用,一基因信

15、息表达受到严密精 确的调控 二转录水平调控在基因表达 中发挥重要作用 三翻译水平调控 四、其他重要的调控机制 五基因信息表达调控的医学 应用,一）基因表达调控是发育、分化和适应的需要 基因表达(gene expression)：基因表现其生物功能的整个过程。 基因调控分为正调控和负调控,一基因信息表达受到严密精确的调控,二）基因表达具有时间性和空间性 （三）基因表达包括组成性表达(constitutive expression)和适应性表达 (adaptive expression,四）基因表达调控是多环节、多步骤的过程 DNA扩增、重排和 甲基化 转录水平和翻译水平,二转录水平调控在基因表达

16、中发挥重要作用,一）多种要素参与了基因转录调控,1.特异DNA序列： 操纵子（operon）由一组结构基因加上其上游的调控区组成。 顺式作用元件（cisacting element）是指特异性转录因子的结合位点或DNA序列：启动子，增强子，沉默子等 2.调节蛋白 3.RNA聚合酶,二）基因转录调节包括多种常见模式,1.乳糖操纵子（lac operon,1)阻遏蛋白的负性调控,CAP的正性调控,协调调控机制,2. 色氨酸操纵子（trp operon）的表达调控模式,衰减子及其作用,色氨酸操纵子的负性调控,3真核生物的转录调控三种RNA聚合酶介导,原核生物翻译水平调节 自我控制（autogenou

17、s control） 反义调控（antisense control） 真核生物翻译水平调节 真核生物翻译水平调节点主要在起始阶段，通过磷酸化调节起始因子活性,三翻译水平调控,泛素-蛋白酶体在蛋白质的降解中发挥作用,一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白； 主要功能：标记需要分解的蛋白质，使其被水解； 机制：当附有泛素的蛋白质移动到桶状的蛋白酶的时候，蛋白酶就会将该蛋白质水解； 其他功能：转录、翻译调节和蛋白质细胞内定位等； 结构：泛素由76个氨基酸组成，分子量大约8500道尔顿。它在真核生物中具有高度保留性，人类和酵母的泛素有96%的相似性。 2004年，A. Ciechanover, A. He

18、rshko 和 I. Rose因发现泛素调节的蛋白质降解过程而获诺贝尔化学奖,泛素(Ubiquitin,Varshavsky A. Protein Sci. 2006,15(3):647-54,The ubiquitin system of the yeast S. cerevisiae,Ubiquitin proteasome system,The N-end rule pathway in the yeast S. cerevisiae,Xia Z, et al. JBC 2008, 283(35):24011-28,泛素系统研究策略,Shi Y. et al. Mol Cell Proteomics. 2011, 10:1-8,四、其他几种重要的调控机制,一）DNA重排是基因活性调 节的一种方式,二）微小RNA基因调节机制 是一新的调控理论,五基因信息表达调控的医学应用,利用真核、原核生物蛋白质合成体系的任何差异，以设计、筛选仅对病原微生物特效而不损害人体的药物,抗菌药(ant