基因表达与蛋白质合成

基因表达与蛋白质合成第1页，共39页，2023年，2月20日，星期四基因转录与蛋白质合成第2页，共39页，2023年，2月20日，星期四基因转录DNARNA第3页，共39页，2023年，2月20日，星期四整体流程转录区域启动子转录起点终止子模板链编码链转录RNA第4页，共39页，2023年，2月20日，星期四启动子启动子：是一段位于结构基因5’端上游的一段DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确结合并具有转录起始的特异性。上游原件-35区-10区多种调控原件CAAT区TATA区其中原核生物启动子区在转录起始位点上游10bp处有一个-10区，是RNA聚合酶的紧密结合位点，在上游35bp处有-35区，是RNA聚合酶的σ亚基识别位点并具有高度的亲和力。真核生物在转录起始位点上游-30～-25bp有一个共同序列，功能和原核生物的-10区类似，称为TATA区；另外在-78～-70bp也有一段与原核生物的-35区相对应的序列，称为CAAT区。原核生物有操纵子结构：操纵子是原核生物进行基因转录调控的主要方式，包括：操纵基因、启动子和结构基因，其中结构基因也就是要表达的基因，通过启动子上游阻遏物基因是否表达产生阻遏物与启动子区的阻遏基因结合来调控基因转录，阻遏物基因表达，产生阻遏蛋白，与启动子区的操纵基因结合，结构基因被抑制，不表达，阻遏物基因不表达，没有阻遏蛋白，启动子区与RNA聚合酶结合，转录起始。第5页，共39页，2023年，2月20日，星期四第一步：模板识别RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之结合的过程。RNA聚合酶：以双链DNA为模板，以NTP为原料，并以镁离子或者锰离子为辅助因子，催化RNA链的起始、延伸和终止，不需要任何引物。原核生物只含有一种RNA聚合酶，可以催化合成mRNA、tRNA、rRNA。其核心酶是由两个α亚基、一个β亚基，一个β’亚基、一个ω亚基组成，加上一个σ亚基后则成为RNA聚合酶全酶。真核生物由三种RNA聚合酶，其中RNA聚合酶Ｉ合成rRNA前体45S；RNA聚合酶Ⅱ合成mRNA的前体及大部分snRNA以及microRNA；RNA聚合酶Ⅲ合成tRNAs、rRNA5S等。它们的结构与原核生物RNA聚合酶类似。σ亚基第6页，共39页，2023年，2月20日，星期四RNA聚合酶结构示意图两个α亚基：与核心酶的组装及启动子的识别有关β亚基：有着聚合酶的活性，负责催化RNA的合成。β’亚基：与DNA模板结合，与β亚基一起组成了RNA聚合酶的催化中心。ω亚基：还未清楚它的功能。但是它在耻垢分枝杆菌中似乎是有保护β‘亚基的功能。σ亚基：负责模板链的选择和转录的起始，是核心酶的别构效应物，使酶专一性的识别模板上的启动子，可以极大的提高RNA聚合酶对启动子区DNA序列的亲和力。第7页，共39页，2023年，2月20日，星期四1、聚合酶与启动子可逆性结合形成转录起始复合物，此时DNA链仍处在双链状态，称为二元封闭复合物。第二步：转录起始原核生物形成的起始复合物比较简单，是由聚合酶和启动子直接结合形成的，而真核生物则较为复杂，需要众多因子的参与，其中包括顺式作用元件和反式作用因子。真核生物在转录起始位点上游200bp附近还有增强子序列，能够强化转录起始。σ亚基顺式作用元件：影响自身基因表达活性的DNA序列，启动子、增强子、沉默子；反式作用因子：和调控区序列相结合或间接影响其作用的蛋白质因子，统称为反式因子。一般为DNA结合蛋白，核内蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）。第8页，共39页，2023年，2月20日，星期四2、DNA构象发生重大变化，封闭复合物打开，变成二元

开链复合物。σ亚基第9页，共39页，2023年，2月20日，星期四3、σ亚基释放，RNA聚合酶结合到模板链，形成RNA聚合酶、DNA、新生RNA的三元复合物。新生RNA链σ亚基第10页，共39页，2023年，2月20日，星期四第二步：转录延伸RNA聚合酶释放σ亚基之后与启动子脱离，核心酶沿模板DNA链移动并使新生RNA链不断延长的过程。第11页，共39页，2023年，2月20日，星期四第三步：转录终止终止位点当链延伸到转录终止位点时，RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键，RNA-DNA杂合体分离，DNA恢复到双链状态而RNA聚合酶和新生成的RNA链从模板上释放出来，这就是转录的终止。第12页，共39页，2023年，2月20日，星期四RNA前体第13页，共39页，2023年，2月20日，星期四真核生物转录的终止在3’端加上polyA的尾巴,与转录终止密切相关(多聚腺苷酸化)5’3’AAUAAAGAGUAAUAAAGAGUCPSFpolyA合成酶CstFpolyA结合蛋白AAUAAApolyA合成酶的复合物多聚腺苷酸化CAAAAAAAAAAAAAAApolyA合成酶复合物包括polyA合成酶、多聚腺苷酸化特异因子（CPSF）、切割活化因子（CstF）以及polyA结合蛋白。CPSF及CstF会在约AAUAAA序列后35个核苷GA处启动切割。polyA合成酶（PAP）会立即展开编写polyA尾巴，细胞核内的polyA结合蛋白会立即与新的polyA序列结合。其中，polyA结合蛋白作为一种分子标尺，界定多聚核苷酸化何时停止。第14页，共39页，2023年，2月20日，星期四原核生物转录的终止依赖ρ因子的转录终止不依赖ρ因子的转录终止ρ因子是由相同的6个亚基组成六聚体，具有NTP酶活性和解螺旋酶活性，是促使转录三元复合物解离的根本原因。依赖ρ因子终止的终止子含有一个反向重复序列，使RNA末端形成一个发夹结构，导致转录延宕，ρ因子得以发挥作用，终止转录。第15页，共39页，2023年，2月20日，星期四依赖ρ因子的转录终止“穷追模型”：RNA合成起始以后，ρ因子即附着在新生的RNA链5’端的某个有序列或二级结构特异性的位点上，利用ATP水解产生的能量，沿着5’到3’方向朝着转录泡移动，其运动速度比RNA聚合酶快些，当RNA聚合遇到终止子而暂停时，ρ因子追上并取代了暂停在终止位点上的RNA聚合酶，它所具有的RNA-DNA解螺旋活性使转录产物RNA从模板上释放。随后转录复合解体，完成转录过程。第16页，共39页，2023年，2月20日，星期四不依赖ρ因子的转录终止1、终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，由这段DNA转录产生的RNA容易形成

发卡结构。2、在终止位点前面有一段由4—8个A组成的序列，

所以转录产物的3’端为寡聚U，这种结构特征

的存在决定了转录的终止。第17页，共39页，2023年，2月20日，星期四真核生物转录后的修饰过程内含子的剪接RNA的编辑、再编码和化学修饰由于原核生物属于连续基因，基因内部不存在内含子，没有转录后修饰的过程，边转录边翻译。5’加帽3’加尾第18页，共39页，2023年，2月20日，星期四5’加帽和3’加尾1、真核生物在延伸早期，会在mRNA前体的5’端加上一个7-甲基鸟嘌呤的帽子，这种帽子的作用是使mRNA在转录过程中免遭核酸酶的破坏。2、在延伸终止时期，会在3’端加上一个polyA的尾巴，

与转录的终止密切相关。第19页，共39页，2023年，2月20日，星期四内含子的剪接剪接前体5’3’1U2AFsU2-snRNP121U4/U6-snRNPU5-snRNP124/65254/6625剪接体U1snoRNA以碱基互补的方式识别mRNA前体5’剪接点，由结合在3’剪接点上游富嘧啶区的U2AF（U2auxiliaryfactor）识别3’剪接点并引导U2snRNP与分支点相结合，形成剪接前体。剪接前体进一步结合U4、U5、U6，形成60S的剪接体，进行RNA前体分子的剪接。许多相对分子质量较小的核内RNA（如U1snoRNA、U2、U4、U5和U6）以及与这些RNA相结合的核蛋白（snRNPs）参与RNA的剪接。第20页，共39页，2023年，2月20日，星期四625625内含子被剪切，两个外显子通过磷酸二酯键相连。第21页，共39页，2023年，2月20日，星期四RNA的编辑、再编码和化学修饰RNA编辑是指某些RNA，特别是mRNA前体的一种加工方式，如插入、删除或者取代一些核苷酸残基，导致DNA所编码的遗传信息的改变，经过编辑的mRNA序列发生了不同于模板DNA的变化。RNA再编码是指mRNA在某些情况下不是以固定的方式翻译，而可以改变原来的编码信息，以不同的方式进行翻译。RNA的化学修饰是指有些RNA，特别是rRNA和tRNA的前体，可能发生特异性化学修饰，如甲基化、去氨基化、硫代、碱基的同分异构化和核苷酸的替代等等。第22页，共39页，2023年，2月20日，星期四至此，一条成熟的mRNA就合成了第23页，共39页，2023年，2月20日，星期四蛋白质合成mRNA蛋白质第24页，共39页，2023年，2月20日，星期四整体流程mRNA5’3’GUAtRNA氨基酸CAU延伸中的肽链翻译方向第25页，共39页，2023年，2月20日，星期四第一步：氨基酸的活化游离的tRNA氨基酸氨酰—tRNA合成酶氨酰--tRNA至少存在20种以上具有氨基酸专一性的的氨酰—tRNA合成酶，能够识别并通过氨基酸的羧基与tRNA3’端腺苷酸核糖基上3’-OH缩水形成二酯键。第26页，共39页，2023年，2月20日，星期四第二步：翻译的起始（以原核生物为例）IF-1IF-3核糖体30S小亚基P位A位mRNAmRNA起始密码子AUGIF-3IF-1（1）、30S小亚基与起始因子IF-1、IF-3结合，通过SD序列与mRNA模板相结合。注：SD序列是存在于原核生物起始密码子上游7-12个核苷酸处的一个4-7个核苷酸保守片段，它与16SRrna3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。第27页，共39页，2023年，2月20日，星期四fMetUACIF-2GTP（2）在IF-2和GTP的帮助下，fMet-tRNA进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。AUGIF-3IF-1第28页，共39页，2023年，2月20日，星期四AUGIF-3IF-1fMetUACIF-2GTP第29页，共39页，2023年，2月20日，星期四fMetUACIF-2GTPAUGIF-3IF-1第30页，共39页，2023年，2月20日，星期四AUGIF-3IF-1fMetUACIF-2GTPGDP（3）带有tRNA、mRNA和三个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，GTP水解，释放翻译起始因子。真核生物的主要区别：1、核糖体较大2、有较多起始因子参与3、mRNA有7-甲基鸟嘌呤的帽和polyA的尾巴，且都参与翻译的起始4、甲硫氨酸（Met）不用甲酰化为甲酰甲硫氨酸（fMet）第31页，共39页，2023年，2月20日，星期四第三步：肽链的延伸AUGfMetUACTuGTPxxxxxxE位（1）后续AA-tRNA与核糖体结合：起始复合物形成以后，第二个AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNA·EF-Tu·GTP复合物，然后结合到核糖体的A位上，GTP水解释放，EF-Tu释放，进入下一个循环。第32页，共39页，2023年，2月20日，星期四TuGTPAUGfMetUACxxxxxxE位第33页，共39页，2023年，2月20日，星期四AUGfMetUACxxxxxxE位（2）肽键的生成：在肽基转移酶的催化下，P位上的AA-tRNA上面的氨基酸转移到A位上与A位上的氨基酸形成肽键。（注;完成使命的tRNA有两种说法，一种是继续留在P位，后面释放，另一种是形成肽键之后立即释放）第34页，共39页，2023年，2月20日，星期四fMetxxxxxxAUGUAC（2）移位：核糖体向mRNA3’端方向移动一