第10 基因信息的传递

第三篇遗传信息的传递●

概述●

DNA的生物合成●

RNA的生物合成●

蛋白质的生物合成●

基因表达的调控第一节概述Introduction●

基因和基因表达●遗传信息的中心法则基因(gene)——生物活性产物编码的最小的DNA功能片段。其产物为各种RNA或蛋白质。基因三大特征：

——携带遗传信息

——能被复制

——能突变基因表达(geneexpression)

——DNA分子中的遗传信息通过转录和翻译合成出蛋白质的过程。基因和基因表达中心法则RNADNAProtein转录翻译TranscriptionTranslationReplication复制逆转录ReverseTranscriptionJuangRH(2004)BCbasics*DNA通过复制，将基因信息代代相传*DNA通过基因表达，决定蛋白质的结构、功能*

RNA参与DNA遗传信息的表达*RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体

第13章DNA的生物合成DNABiosynthesis半保留复制参与复制的酶类及蛋白质因子

DNA生物合成过程

DNA损伤与修复逆转录复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA第一节复制的基本规律BasicRulesofDNAReplication半保留复制

DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制（semi-conservativereplication)

。母链子链AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链DNA复制过程中形成的复制叉子代DNA子链继承母链遗传信息的几种可能方式全保留式半保留式混合式

——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-DNA的细菌培养于普通培养液

第一代继续培养于普通培养液第二代梯度离心结果密度梯度实验按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。半保留复制的意义原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。双向复制复制方式A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)oriterABC真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon)

。复制子是独立完成复制的功能单位。

5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’真核生物每个染色体有多个起始点，是多起点双向复制。3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)复制的半不连续性顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazakifragment)。

领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。第二节

DNA复制的酶学

TheEnzymologyofDNAReplication复制的反应体系底物(substrate):四种dNTP

dATP,dGTP,dCTP,dTTP模板(template):解开成单链的DNA母链引物(primer):提供3

-OH末端，使dNTP可依次聚合聚合酶(polymerase):依赖DNA的DNA聚合酶简写为DNA-pol其他的酶和蛋白质因子复制的化学反应

(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

DNA复制是核苷酸的聚合反应DNA新链生成需引物和模板；新链的延长只可沿5→3

方向进行。——在聚合酶的作用下，一个核苷酸5’-P和相邻的核苷酸上核糖的3’-OH生成磷酸二酯键而逐一聚合形成多核苷酸链的过程。3’

OH5’123456参与复制的酶类及蛋白质因子DNA聚合酶（DNA-pol）原核生物的DNA-pol真核生物的DNA-pol解螺旋酶与拓扑异构酶解螺旋酶DNA拓扑异构酶单链DNA接合蛋白引物酶DNA连接酶端粒酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：①

5

3

的聚合活性

②核酸外切酶活性DNA聚合酶5´

AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´

3

5

外切酶活性

5

3

外切酶活性?能切除突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性

（1）DNA-pol

Ⅰ

（2）DNA-pol

Ⅱ

（3）DNA-pol

Ⅲ原核生物的DNA聚合酶单一多肽链从N端到C端有3个酶促

活性结构域依次排列：

5’→3’外切酶

3’→5’外切酶、DNA聚合酶。在蛋白酶的作用下，可分为大、小两个片段。功能：对复制中的错误进行校读；对复制和修复中出现的空隙进行填补。（1）DNA-polⅠ（109kD）323个氨基酸小片段5

核酸外切酶活性大片段/Klenow片段604个氨基酸DNA聚合酶活性

5

核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠKlenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。

DNA-polI在活细胞内的功能1）5’→3’聚合酶的活性：

对复制和修复中出现的空隙进行填补。2）3’→5’外切酶活性：

对复制中错误即时校读，保证复制的准确性。3）5’→3’外切酶活性：

可去除RNA引物和突变碱基。（2）DNA-polⅡ（120kD）

DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。

5’→3’聚合酶活性

3’→5’外切酶活性无5’→3’外切酶活性只是在无polI及polⅢ的情况下才起作用，真正的功能也未完全清楚，可能参与DNA损伤的应急修复。（3）DNA-polⅢ（250kD）原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。

10种亚基组成不对称异源二聚体核心酶α亚基：5’→3’聚合酶活性ε亚基：3’→5’外切酶活性和碱基选择功能，复制保真性所需θ亚基:可能起组装作用β亚基：夹稳模板链并使酶沿模板链滑动γ－复合物：促进全酶组装至模板及增强核心酶活性DNA-polⅢ在活细胞内的功能1）5’→3’聚合酶的活性：

是在复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶。2）3’→5’外切酶活性：

对复制中错误进行即时校读，保证复制的准确性。催化DNA聚合参与DNA损伤的应急状态修复修复合成、切除引物、填补空隙功能2040400分子数/细胞1011亚基数－－+5

外切酶活性+++

5

外切酶活性+++5

聚合酶活性polIIIpolIIpolIE.coli中的DNA聚合酶DNA-pol

起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

真核生物的DNA聚合酶真核生物的DNA聚合酶复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。复制保真性的酶学机制：（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读

（二）复制的保真性和碱基选择复制保真性的酶学依据A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，DNA-pol不表现活性。（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读（二）复制的保真性和碱基选择•DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。•嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。

DNA复制的精确度极高，误差率很低，以保证物种在维持遗传保守性的同时，还要通过变异不断进化。DNA复制的高度忠实性至少要依赖三种机制：1、遵守严格的碱基配对规律；2、DNA聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；3、复制出错时，DNA聚合酶的即时校读功能。复制的高保真性解螺旋酶与拓扑异构酶

在复制起始时需要多种酶和蛋白因子，解开、理顺DNA链，维持DNA在一段时间内处于单链状态。解螺旋酶DNA拓扑异构酶单链DNA接合蛋白引物酶DNA连接酶端粒酶解螺旋酶DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用。

解螺旋酶：利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链.解螺旋酶ATP(helicase)DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)10

8局部解链后改变DNA拓扑性质的酶，又称旋转酶或转轴酶。拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅱ

分类解链过程中正超螺旋的形成拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。作用机制拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键单链DNA结合蛋白单链DNA结合蛋白

——在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)引物酶引物酶——复制起始时催化生成RNA引物的酶(primase)DNA聚合酶不能从游离的核苷酸开始合成DNA链，只能延长已有的DNA或RNA引物链。引物酶在复制起始时催化引物合成，提供3

-OH末端，使DNA-pol能够催化dNTP聚合。引物酶属DNA指导的RNA聚合酶，但不同于催化转录过程的RNA聚合酶。在E.coli，引物酶是dnaG基因的产物DnaG。DNA连接酶连接DNA链3

-OH末端和相邻DNA链5

-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’端粒酶端粒(telomere)

指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。结构特点由末端单链DNA序列和蛋白质构成。末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。端粒的功能

维持染色体的稳定性

维持DNA复制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒酶的催化延长作用爬行模型DNA聚合酶复制子链进一步加工端粒和端粒酶的生物学意义端粒酶的活性与细胞的生长、繁殖、衰老凋亡以及肿瘤的发生密切相关。端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及年龄的增长而逐渐变短至消失，导致染色体稳定性下降，细胞衰老凋亡。体细胞几乎没有端粒酶活性，随多次细胞分裂端粒逐渐缩短，细胞失去增殖能力。而端粒酶活性较高的胚原细胞，端粒长度未缩短。肿瘤细胞端粒酶重新获得活性，以维持端粒结构致使染色体稳定而成为永生细胞。第三节DNA生物合成过程TheProcessofDNAReplicationDNA生物合成过程1.复制的起始2.复制的延长3.复制的终止DNADNA

复制RNADNA

逆转录复制的起始需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。2.合成引物，提供3-OH末端。

原核生物的DNA生物合成

1.辨认起始点复制起点(origin)：DNA复制所必需的一段特殊的起始DNA序列。E.coli复制起始点oriC

GATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···

11317293244

···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245串联重复序列反向重复序列5

3

5

3

2.模板DNA的解旋和解链

DnaA

DnaB、DnaCDNA拓扑异构酶SSB3

5

3

5

辩认起始位点解螺旋协助DnaB在DnaC的辅助下结合于初步打开的双链，并用其解螺旋酶活性开链

DnaA

DnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB3

5

3

5

3.引发体的形成含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。辩认起始位点解螺旋协助3

5

3

5

引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。RNA引物3'HO5'引物酶复制起始的过程1．DnaA蛋白辨认结合oriC的重复序列，并与DNA形成复合物，引起解链；2．DnaB在DnaC的辅助下结合于初步打开的双链，并用其解螺旋酶活性开链；3．拓扑酶通过切断、旋转和再连结的作用，实现DNA超螺旋的转型；4．SSB结合在已开链的DNA模板上，使DNA在一定的范围内保持开链状态。5．引物酶介入，形成的引发体，可按照模板的配对序列，催化NTP的聚合，生成引物。复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，按照碱基配对的原则，将dNTPdNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链的3’-OH端，使新合成链不断延长，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。

5'

3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-poldATP+DNApol领头链的合成目录随从链的合成目录随从链的合成随从链的合成

在同一个复制叉上，领头链的复制先于后随链，但两链是在同一DNApolⅢ催化下进行。即随从链的模板可折叠或环绕成环状，与前导链正在延长的区域对齐，使领头链和随从链的生长点都处在DNApolⅢ催化位点上。

解链方向就是酶的前进方向，也是复制叉延伸方向。复制过程简图复制过程动画复制的终止1、原核生物DNA为环状，双向复制的汇合点就是复制终止点。oriter

E.coli8232

ori

terSV405002.领头链上的RNA引物被RNA酶水解后，由DNApolI催化，由新合成链提供-OH补齐。5

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATP

ADP+Pi5

5

DNA连接酶3.随从链上不连续性片段的连接哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM•细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。G1→S及G2→M的调节，与蛋白激酶活性有关。•蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。真核生物的DNA生物合成•真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。•复制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replicationfactor,RF)。•增殖细胞核抗原(proliferationcellnuclearantigen,PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。（一）复制的起始3

5

5

3

领头链3

5

3

5

亲代DNA随从链引物核小体（二）复制的延长染色体DNA呈线状，复制在末端停止。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。（三）复制的终止5

3

3

55

3

3

5+5

3

3

3

3

5

5

目录目录切除引物的两种机制目录第四节

逆转录和其他复制方式ReverseTranscriptionandOtherDNAReplicationWays逆转录酶(reversetranscriptase)

逆转录(reversetranscription)

RNADNA

逆转录酶一、逆转录病毒和逆转录酶

逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA模板逆转录酶DNA-RNA杂化双链RNA酶单链DNA逆转录酶双链DNA逆转录酶

AAAA

TTTTAAAASI核酸酶

DNA聚合酶Ⅰ碱水解

TTTT分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。

以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。试管内合成cDNAcDNAcomplementaryDNA二、逆转录研究的意义

逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。

逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。

滚环复制(rollingcirclereplication)三、滚环复制和D环复制

是某些低等生物的复制形式，如

X174和M13噬菌体等。3

-OH5

-P5

5

5

3

3

3

3

5'滚环复制5'

5

3

3

5

目录dNTPDNA-polγ

D环复制(D-loopreplication)

是线粒体DNA(mitochondrialDNA，mtDNA)的复制形式。

第五节

DNA损伤（突变）与修复DNADamage(Mutation)andRepairDNA损伤与修复遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNAdamage)。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。沉默突变：完全无害或没有可察觉的表型改变渗漏突变：影响不大的突变致死突变：导致生物功能的丧失、机体的疾病甚至死亡DNA损伤的因素物理因素

紫外线(ultraviolet,UV)、各种辐射

UV化学因素DNA突变的类型点突变

(pointmutation)缺失突变

(deletionmutation)插入突变

(insertionmutation)重排(rearrangement)点突变（错配）1.转换：发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。DNA分子上的碱基错配称点突变(pointmutation)。2.颠换：发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val

·

his

·

leu

·

thr

·

pro·val

·

glu

·

·

·

·

·

·

C肽链CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亚基N-val

·

his

·

leu

·

thr

·

pro·glu

·

glu

·

·

·

·

·

·

C肽链CTCGAG基因缺失、插入与移码突变人之初，性本善，性相近，习相远…人初性，本善性，相近习，相远…5′….UCACGACAUAUG….3′5′….UCAGCGACAUAUG….3′丝精组蛋丝丙苏酪5′….UCAGACAUAUG….3′丝天异亮插入缺失正常缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。缺失或插入都能导致移码突变移码突变：三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变，其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同。移码突变是最严重的突变！由基因重排引起的两种地中海贫血基因型DNA分子内较大片段的交换，又称为重组。重排DNA损伤的修复修复(repairing)

是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。光修复(lightrepairing)切除修复(excisionrepairing)重组修复(recombinationrepairing)SOS修复

修复的主要类型光修复酶(photolyase)

UV光修复切除修复UvrC切除DNApolIDNA连接酶5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'5'5'3'3'UvrA，UvrB识别并结合XPXPDNApol

是细胞内最重要和有效的修复机制切除修复动画先天缺乏切除修复机制导致的遗传病RecADNApol切除修复重组修复SOS修复是一类应急性的修复方式。由于DNA损伤广泛至难以继续复制，由此而诱发出一系列复杂的反应。在E.coli，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。特点：反应特异性低，对碱基识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞可存活。然而，DNA保留的错误会较多，引起较广泛、长期的突变。SOS修复的机制第三节RNA的生物合成RNABiosynthesis转录的模板和酶转录过程

RNA的转录后加工修饰——生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA

基因表达的开始。

遗传信息从DNA向RNA传递过程。转录(transcription)参与转录的物质原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶

(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子转录的模板和酶DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structuralgene)。

DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为反义链或Crick链。一、转录的模板5´3´5´3´不对称转录(asymmetrictranscription)在DNA分子双链上某一区段,一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一条单链上。箭头示转录产物及转录方向方框内的DNA区段为结构基因为模板链；为编码链。5´…GCAGTACATGTC…3´3´…cgtcatgtacag…5´DNAN…AlaValHisVal…C多肽链转录翻译编码链模板链5´…GCAGUACAUGUC…3´mRNA二、RNA聚合酶简称RNApol也称转录酶（transcriptase)全称:依赖DNA的RNA聚合酶(DNAdependentRNApolymerase,DDRP)1.原核生物的RNA聚合酶β催化功能1σ识别转录起始点1ω

未知1β′结合DNA模板1α决定哪些基因被转录2

大肠杆菌RNA聚合酶亚基类型主要功能每个酶分子中亚基数全酶(holoenzyme)

核心酶(coreenzyme)

2

ω

2

ω

核心酶coreenzyme全酶holoenzymeσ亚基+σααββ´TTGACATATAAT-35原核生物的RNA聚合酶及其在转录起始区的结合σ-102.真核生物的RNA聚合酶

RNApolⅠ

RNApolⅡ

RNApolⅢ真核生物RNApol的种类与功能种类转录产物对鹅膏蕈碱的敏感性45S是5.8S、18S和28SrRNA的前体hnRNA是mRNA的前体45SrRNA不敏感hnRNA和snRNA

极敏感tRNA和5S-rRNA中度敏感

snRNA3.模板上酶的辨认、结合操纵子

(operon):原核生物的转录单位。包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。RNA聚合酶结合模板DNA的部位，称为启动子(promoter)。启动子Promoter调控序列结构基因操纵子

结合RNA聚合酶表达功能蛋白S1S2S3?POIRNA聚合酶保护法3

开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205

3

3

5

原核生物启动子保守序列RNA-pol辨认位点(recognitionsite)5

RNA聚合酶保护区结构基因5

3

TATA盒

CAAT盒

GC盒增强子顺式作用元件结构基因-GCGC---CAAT---TATA转录起始真核生物启动子保守序列DNA复制与转录的比较复制转录相同点以DNA为模板遵循碱基配对原则都需依赖DNA的聚合酶聚合过程都是生成磷酸二酯键新链合成方向为5’→3’不同点模板两股链均复制模板链转录原料dNTPNTP聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶合成方式半保留、半不连续复制不对称转录碱基配对A-T，G-CA-U，T-A，G-C产物双链DNA单链RNA转录过程起始延长终止转录起始1.原核生物的转录起始RNA聚合酶全酶(2)与模板结合

σ亚基辨认-35区（结合松弛）（结合紧密）RNApol全酶移向-10区DNA双链解开RNA聚合酶作用下发生聚合反应，形成第一个磷酸二酯键5

-pppG-OH+5

-pppN-OH

5

-pppGpN-OH3

+ppiRNApol(

2

)-DNA-pppGpN-OH3

转录起始复合物σ亚基脱落，转录进入到延长阶段转录起始不需引物转录起始2.真核生物的转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。反式作用因子

——能直接或间接辨认、结合顺式作用元件，从而调节基因表达的一类蛋白质因子。

转录因子(transcriptionalfactor,TF)——反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的蛋白质因子。顺式作用元件

——可影响自身基因表达活性的DNA非编码序列。转录起始TATA盒CAAT盒GC盒增强子AATAAA切离加尾转录终止点修饰点外显子翻译起始内含子OCT-1OCT-1：ATTTGCAT八聚体转录起始前的上游区段

翻译终止参与RNA-polⅡ转录的TFⅡTBP：TATAbindingprotein,TATA结合蛋白TAF:TBPassociatedfactor,TBP辅因子,不同基因TAF不同CTD:RNA-polⅡ大亚基羧基末端结构域转录起始前复合物真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。(pre-initiationcomplex,PIC)ⅡAⅡB由RNA-PolⅡ催化转录的PICPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡETBPTAFTFⅡD-ⅡA-ⅡB-DNA复合物TATAPOL-ⅡTFⅡFⅡHⅡECTD-PⅡAⅡBTBPTAFTATAPIC组装完成，TFⅡH使CTD磷酸化(NMP)n+NTP

(NMP)n+1

+PPi转录延长原核生物的转录延长

亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。转录空泡(transcriptionbubble)也称转录复合物，是RNA聚合酶的核心酶、DNA模板和转录产物RNA结合在一起的复合物。RNA-pol(核心酶)

····DNA

····RNADNA/DNA双链比DNA/RNA杂化双链稳定

稳定性:

G≡C>A=T>A=UDNA双链超螺旋作用5´DNA原核生物转录过程中的羽毛状现象核糖体RNARNA聚合酶3´5´3´原核生物转录的特点：多个转录同时进行原核生物转录尚未完成，翻译已在进行转录延长真核生物的转录延长真核生物转录延长过程与原核生物大致相似；无转录与翻译同步的现象。RNA-pol前移处处都遇上核小体。转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。转录延长中的核小体移位RNA-PolRNA-Pol核小体转录方向RNA-Pol转录终止原核生物的转录终止依赖Rho(ρ)因子的转录终止非依赖Rho因子的转录终止

RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。分类ρ因子(1)识别结合富含C的RNA链(2)ATPase活性(3)解螺旋酶活性依赖Rho(ρ)因子的转录终止5′3′Polymeraseρ因子+ATP富含Cρ因子与RNA3’-OH的polyC结合，抑制聚合酶活性，激活解螺旋活性。RNApolRNApol3′5′ρ因子解螺旋，使RNA脱落RNApol失活DNA模板近终止处，有特殊的碱基序列，转录出RNA产物形成特殊的结构终止转录。特点：

(1)RNA单链内部接近终止区域有富含GC配对区，形成稳定的二级结构。(2)在茎环结构的下游有polyU结构。茎环（stemloop）结构发夹（hairpin）结构非依赖Rho(ρ)因子的转录终止(U:A不稳定)5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`

RNA5

TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT...3

DNAUUUU...…UUUU...…5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU...3`茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构UUUU………..5´3´A.茎环结构改变RNApol的结构，使其失活B.茎环结构的形成使转录复合物趋于解体，polyU加速这一过程。茎环结构使转录终止的机理使RNA聚合酶变构，转录停顿；使转录复合物趋于解离，RNA产物释放。5´pppG53

35RNA-pol5------AAUAAA-5

------AAUAAA--核酸酶-GUGUGUGRNA-polAATAAAGTGTGTG转录终止的修饰点5

5

3

3

3加尾AAAAAAA······3mRNA——和转录后修饰密切相关。转录终止真核生物的转录终止GpN结构基因RNApol识别结合生成起始复合物转录延长转录终止启动子终止区pppGpppG原核生物的转录过程RNA的转录后加工修饰几种主要的修饰方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.修饰(modification)4.添加(addition)真核生物的转录后加工修饰真核生物mRNA的转录后加工5’端帽子结构与3’端尾巴结构mRNA的剪接mRNA的甲基化真核生物tRNA的转录后加工切除多余核苷酸剪接去除内含子3’端加-CCA真核生物rRNA的转录后加工5’端形成帽子结构(m7GpppGp—)真核生物mRNA的转录后加工

7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷

5’-5’磷酸二酯键5pppGp…5GpppGp…pppG

ppi鸟苷酸转移酶帽子结构的生成5ppGp…磷酸酶

Pi5

m7GpppGp…甲基转移酶SAM帽子结构的功能:

核内生成,保护mRNA不被核酸外切酶水解。与翻译过程有关，帽子结构结合蛋白是翻译起始必需的因子。3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)真核生物mRNA的转录后加工

生成：在核内修饰,与转录终止同时进行.

作用：增加mRNA稳定性，维持翻译模板活性。hnRNA+nATPpolyA聚合酶Mg2+RNA-(A)n+nPPiGmRNA的剪接真核生物mRNA的转录后加工鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA真核生物的结构基因，由若干个编码区和非编码区连续镶嵌而成，去除非编码区后再连接，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这种结构基因称为断裂基因。编码区A、B、C、D非编码区CABD外显子：（基因上的编码序列）在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。内含子：（基因上的非编码序列）在断裂基因及其初级转录产物上出现，而在剪接过程中被除去的核酸序列。

hnRNA

(heterogeneousnuclearRNA)核不均一RNA，核内未被剪接的有内含子的mRNA前体。hnRNA内含子(intron)mRNA

外显子(exon)内含子的分类

I：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因；

II：也发现于线粒体、叶绿体，转录产物是mRNA；

III：是常见的形成套索结构后剪接，大多数mRNA基因有此类内含子；

IV：是tRNA基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。按基因的类型和剪接的方式分:snRNA

(smallnuclearRNA)种类：U1，U2，U3，U4，U5，U6等。与hnRNA的内含子区段结合，参与hnRNA的剪接

核内蛋白质

snRNP(并接体

splicesome)(小分子核糖核蛋白体)snRNA真核生物mRNA的剪接过程1.并接体识别结合hnRNA内含子5´及3´区域2.形成套索RNA(lariatRNA)，外显子靠近3.两步转酯反应，切去内含子，连接外显子外显子内含子DNAmRNA转录形成套索RNA，外显子靠近剪接体去除套索RNA，外显子连接成熟mRNACAUUCAUAUGAUGU外显子1外显子2GUAAGUAUACUACAAG5´3´内含子分支点U1U2并接体O—P-O-GUAAG-O—P-OE1E2OHE1AAG-O—P-OE2UGOPOO-P-OE1E2+AAG-OHUGOPOintron2´-OH第一步转酯第二步转酯5´3´5´5´3´内含子的功能，两种观点内含子是在进化中出现和消失的，是进化过程中的遗迹，无实质性意义。2.在基因表达中有调控功能。外显子是断裂基因中可表达的序列，内含子是隔断基因线性表达的序列。真核生物tRNA的转录后加工切除末端多余的核苷酸

3’端加CCA

内含子的剪接碱基的修饰tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNA转录获得tRNA前体核酸内切酶核酸外切酶

tRNA的初级产物tRNA核苷酸转移酶连接酶ATPADP成熟tRNA碱基修饰（2）还原反应如：UDHU（3）核苷内的转位反应如：Uψ（4）脱氨反应如：A

I如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）真核生物rRNA的基因属于丰富基因(redundantgene)族的DNA序列，也即高度重复的串联基因(tandemgene)，或称为高度重复序列DNA。45srDNA45srRNA18s，5.8s，28srRNARNApolI45srDNA间隔区(spacer)内含子外显子5srDNA5srRNARNApolIII真核生物rRNA的转录后加工加工

rRNA的剪接不需要任何蛋白质参与即可发生，说明rRNA本身就有酶的催化作用。——具有酶促活性的RNA核酶发现的意义：1.对传统酶学提出挑战2.生物进化中的意义,对中心法则的补充3.潜在的基因治疗的有力工具核酶最简单的核酶二级结构——槌头状结构(hammerheadstructure)底物部分通常为60个核苷酸左右同一分子上包括有催化部份和底物部份催化部份和底物部份组成锤头结构底物部分：含有GU序列催化部分：锤头结构,3个茎,1-3个环保守序列：13个碱基切割点切割点紫色为人工合成的核酶黑色为被切割的天然RNAX为保守序列XXXNXXXXXX5´3´XXXX5´3´XXXNXXX5´3´XXXXXX5´3´第四节蛋白质的生物合成ProteinBiosynthesis蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成过程蛋白质合成后的加工和修饰蛋白质生物合成的干扰与抑制蛋白质的生物合成，即翻译，是将核酸中由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。蛋白质生物合成体系参与蛋白质生物合成的物质：20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF

ATP、GTP、无机离子三种RNAmRNA(messengerRNA,信使RNA)

rRNA(ribosomalRNA,核蛋白体RNA)

tRNA（transferRNA,转移RNA）ATP主要参与氨基酸的活化；GTP提供翻译起始、延长、终止阶段所需能量mRNA模板与遗传密码

mRNA是遗传信息的携带者遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)

。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)

。

原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5

3

蛋白质PPPmG-5

3

蛋白质

mRNA上存在遗传密码mRNA分子上从5

至3

方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(tripletcoden)。起始密码(initiationcoden):AUG

终止密码(terminationcoden):

UAA，UAG，UGA遗传密码表从mRNA5

端起始密码子AUG到3

端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。开放读码框

5'......AUGGCU......GGAUAA......3'RNA(N端)蛋—丙......甘(C端)蛋白质起始密码终止密码翻译1.连续性(commaless)遗传密码的特点编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。除Met、Trp外，其余氨基酸均由2个以上密码子编码。

同义密码子

但每一个密码子仅对应一个氨基酸。不同物种对密码子有“偏爱性”。2.简并性(degeneracy)遗传密码的特点简并性密码子上第三位碱基改变往往不影响氨基酸的翻译。ACUACCACAACG苏氨酸UGUUGCUGAUGG缬氨酸UCUUCCUCAUCG丝氨酸简并性——3.通用性(universal)蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。4.摆动性(wobble)转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。

密码子反密码子氨基酸5’3’U摆动配对密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基IUGACmRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG三、tRNA与氨基酸的活化反密码环氨基酸臂氨基酸、tRNA与反密码子合成酶识别底物：副密码子tRNA的三级结构示意图

tRNA的功能：

2.活化氨基酸；

1.搬运氨基酸；

3.

密码子与对应氨基酸之间的接合体

(adaptor)如：密码子GGU----携带反密码子ACC的tRNA----Gly密码子—tRNA反密码子—氨基酸对号入座氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA的生成氨基酸＋ATP-E氨基酰-AMP-E

＋AMP＋PPi

＋

tRNA

氨基酰-tRNA

＋AMP

＋

E第一步氨基酸的活化氨基酸＋ATP-E氨基酰-AMP-E＋AMP＋PPi

第二步活化氨基酸的转运氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E绝对专一性，酶同时对氨基酸和tRNA高度特异识别。有20种，分别特异性识别相应的20种氨基酸和tRNA具有校正活性(proofreadingactivity)氨基酰-tRNA的表示方法：

Ala-tRNAAla

Ser-tRNASer

Met-tRNAMet氨基酰tRNA合成酶真核生物：

Met-tRNAiMet原核生物：

fMet-tRNAifMet起始肽链合成的氨基酰-tRNA起始tRNACH3SCH2CH2CHH2NCOOtRNAfMet转甲酰基酶N10-CHO-FH4CH3SCH2CH2CHH-C-HNCOOtRNAfMetO大肠杆菌起始密码子编码的Met需甲酰化真核细胞起始密码子编码的Met不需甲酰化小亚基大亚基核蛋白体核蛋白体组成、结构与功能特点：1.结构复杂而精密由数种rRNA（占60%左右）

及数十种蛋白质组成。rRNA起着主导的作用，蛋白质协助维持rRNA的功能区域。3.

转肽酶是RNA而不是蛋白质。原核生物真核生物核蛋白体小亚基大亚基核蛋白体小亚基大亚基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白质rpS21种rpL36种rpS33种rpL49种不同细胞核蛋白体的组成原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)蛋白质生物合成过程翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为：翻译的起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物(translationalinitiationcomplex)。原核、真核生物各种起始因子的生物功能原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合；核蛋白体大亚基结合IF-3IF-11.核蛋白体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合S-D序列IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。Met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各种elF释放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2-GTP真核生物翻译起始复合物形成过程起始因子IF和eIF（eukaryoticIF）IF与eIF在形成起始复合物中的作用比较大小亚基分离IFeIF步骤IF3（IF1）eIF3mRNA的就位核酸之间及与蛋白质的辨认结合eIF4G，eIF4EeIF4A，eIF4BPAB起始tRNA就位IF2,GTP(IF1)eIF2

大小亚基结合IF脱落及GTP水解eIF脱落，eIF5,GTP水解真核生物与原核生物翻译起始的不同点：1.起始Met-tRNAiMet不需甲酰化；2.eIF种类多；3.小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再与mRNA结合；5.ATP和GTP供能。4.mRNA与40s亚基的结合依靠帽子结合蛋白复合物与mRNA帽子结构的识别结合。肽链的延长——根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸。每次循环包括以下三步：进位(entrance)成肽(peptidebondformation)转位(translocation)原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-αEF-Ts调节亚基EF-1-βγEFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)、EF-G真核生物：EF-1、EF-2又称注册

(registration)（一）进位根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

延长因子EF-T催化进位（原核生物）TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP（二）成肽指在转肽酶(transpeptidase)的作用下，将P位点的肽酰基转移到A位点的氨基酰-tRNA上，在A位形成肽键，使肽链延长。（三）转位延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3'侧移动。fMetAUG5'3'fMetTuGTP进位转位成肽真核生物肽链合成的延长过程与原核基本相似，但有不同的反应体系和延长因子。真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。真核生物延长过程翻译的终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合成终止。RF-3：促进RF-1或RF-2与核蛋白体结合，使转肽酶变为酯酶活性，并水解GTP。真核生物的释放因子：eRF；eRF可识别三种密码子,并需GTP供能。RF-1：UAA，UAGRF-2：UAA，UGA

mRNA上的终止密码子处在A位时，释放因子(RF)识别这种信号,进入终止阶段.UAG5'3'RFCOO-原核肽链合成终止过程：多聚核蛋白体(polysome)——使蛋白质合成高速、高效进行。蛋白质合成后的加工和修饰从核蛋白体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。主要包括多肽链折叠为天然的三维结构

肽链一级结构的修饰高级结构修饰1.多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。多肽链自身氨基酸顺序储存着蛋白质折叠的信息，即一级结构是空间构象的基础。细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，需要其他酶、蛋白辅助。高级结构的形成几种有促进蛋白折叠功能的大分子1.分子伴侣(molecularchaperon)2.蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)热休克蛋白促进蛋白质折叠的基本作用——结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠。形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。

HSP40结合待折叠多肽片段

HSP70-ATP复合物HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物ATP水解复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠肽链N端的修饰

起始氨基酸的切除个别氨基酸的修饰

形成二硫键磷酸化糖基化多肽链的水解修饰一级结构的修饰原核生物去除N末端蛋氨酸残基脱甲酰基酶Met-fMet-氨基肽酶真核细胞个别氨基酸的修饰磷酸化：丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸羟基化：脯氨酸，赖氨酸酰基化：组氨酸甲基化：色氨酸核糖基化：精氨酸意义：调节蛋白质结构与功能。鸦片促黑皮质素原(POMC)的水解修饰NC信号肽PMOCKRKR103肽

(？)ACTH

-LT

-MSH

-MSHEndophin亚基聚合辅基连接疏水脂链的共价连接

高级结构的修饰蛋白质合成后需要经过复杂机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位，这一过程称为蛋白质的靶向输送。蛋白质的靶向运输所有靶向输送的蛋白质结构中存在分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的适当靶部位，这一序列称为信号序列。信号序列(signalsequence)靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白信号肽