遗传信息传递2.ppt

1、基因信息的传递(2),高 颖 大连医科大学生化教研室 ,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,基因表达,基因表达（gene expression） 是指基因所贮存的遗传信息通过转录 （transcription）和翻译（translation） 产生具有生物功能的多肽和蛋白质的过程。,转录（transcription） 生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。,转录,DNA,转录与复制

2、的相似点： 1. 模板均为DNA 2. 延长机理都是形成磷酸二酯键 3. 方向均为53。,不同点： 对于一个基因组来说，转录只发生在一部分 基因，而且每个基因的转录都受到相对独 立的控制。 转录是不对称的 RNA链的合成是连续的,转录和复制的区别,参与转录的物质,模板 DNA 原料 ATP、CTP、GTP、UTP RNA聚合酶 原核细胞 全酶（holoenzyme） 2 真核细胞 RNA聚合酶 RNA聚合酶 RNA聚合酶,转录模板,能转录出RNA的DNA区段,模板链 (template strand),编码链 (coding strand),编码链,模板链,双链DNA分子中能作为模板转录出RN

3、A的链，称为模板链。又叫有意义链（sense strand）或Watson链。 另一条互补链称为编码链，又叫反义链（antisense strand）或 Crick链。,转录产物RNA的碱基序列，除了T 变U外，其余与编码链相同。,RNA聚合酶（DDRP） 1. 原核生物的RNA聚合酶 E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的六聚体（ 2 ）,E. coli RNA聚合酶组分,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶、都由多个 亚基组成。有些亚基是三种酶所共有。 mRNA是各种RNA中寿命最短、 最不稳定的，需经常重新合成。因此RNA聚合酶是三种酶中最活跃的

4、。,转录起始复合体在启动子部位形成 原核细胞 RNA聚合酶与启动子相互作用 真核细胞 RNA聚合酶、反式作用因子与 顺式原件相互作用,酶与模板的辨认结合 原核生物一个转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)，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)。是调控转录的关键部位。,原核生物启动子 35区：一致性序列为TTGACA 是RNA-pol的辨认位点 10区：一致性序列为TATAAT 又叫Pribnow盒 是RNA-pol的结合位点,真核生物启动子,RNA聚合酶相关转录因子,转录过程 起始(initi

5、ation) 延长(elongation) 终止(termination),2. DNA双链解开。,1. RNA聚合酶全酶(2)与模板结合。,3. 在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物。,5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + PPi,转录起始过程,一、原核生物的转录过程,（二）转录延长,1. 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；,2. 在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。,(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi,转录的起始及延长过程,(三) 转录终止 RNA聚合酶在D

6、NA模板上停顿下来，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。,分类：,依赖Rho ()因子的转录终止 非依赖Rho因子的转录终止,1. 依赖因子的转录终止 因子是同六聚体蛋白； 因子能结合RNA，与poly C的结合力最强； 因子还有ATP酶和解螺旋酶的活性。,2. 不依赖因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，有特殊的碱基序列，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。,二、真核生物的转录过程,（一）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，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。,转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,顺式作用

7、元件(cis-acting element),1. 转录起始前的上游区段,AATAAA,切离加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,OCT-1：ATTTGCAT八聚体,2. 转录因子,能直接或间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。,反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(trans-criptional factors, TF)。,参与RNA-pol 转录的TF,3. 转录起始前复合物(pre-initiation complex, PIC),真核生物RNA-pol不与DNA分子

8、直接结合，而需依靠众多的转录因子。,（二）转录延长,真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有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。,RNA-Pol,RNA-Pol,RNA-Pol,核小体,转录延长中的核小体移位,转录方向,（三）转录终止,转录终止的修饰点处切离并加尾,初级转录物经转录后加工方可成熟 原核细胞 tRNA和 rRNA需加工，mRNA不需加工 真核细胞 tRNA、rRNA和 mRNA均需加工,真核生物的转录后修饰 Post-transcriptional Modification,一、mRNA的

9、转录后加工 (一)首尾的修饰 1. 5-端加帽：m7GpppG 2. 3-端加尾：多聚腺苷酸 (poly A),（二）mRNA的剪接,1. hnRNA 和 snRNA,核内的初级mRNA称为杂化核RNA (hetero-nuclear RNA, hnRNA) snRNA (small nuclear RNA),mRNA前体通过剪切切除内含子 编码的序列,由小分子细胞核内核蛋白颗粒 （snRNP)去除核不均一RNA（hnRNA) 中的内含子转录序列。,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,富含嘧啶区 (15 b),G U A/

10、G A G U C U A/G A C/U,A/C A G,N C A G,外显子 1,5 剪接位点,分支点,内含子,3 剪接位点,外显子 2,作为内含子起始和结束的 GU 和 AG 剪接点序列为剪接位点。,内含子-外显子连接部位及内含子的特征序列,选择性剪接,通过不同剪接方式选择性使用外显子， 合成功能不同而结构只有微小差异的蛋白质。,选择性剪接 (alternative splicing),mRNA 编辑 (mRNA editing),RNA编辑是对mRNA前体的序列进行的改编，在mRNA前体分子的碱基序列中C被U取代，A被G取代，使成熟mRNA的序列与基因组DNA序列不同。,CAA,UA

11、A,Apo B 100,1,4336,5,3,5,3,1,2152,翻译,编辑后mRNA,未编辑mRNA,RNA编辑 脱氨基作用,翻译,真核生物成熟mRNA的运输 信使核糖核蛋白颗粒（m RNP） 成熟mRNA+蛋白质细胞核细胞质,(三）rRNA 的转录后加工,真核生物 rRNA 前体的加工,原核生物rRNA前体的加工,1 标记的位置是 RNase III 的作用位点 2 标记的位置是 RNase P 的作用位点 3 标记的位置是 RNase E 的作用位点,(1) 甲基化：A Am (2) 还原反应：U DHU (3) 核苷内的转位反应：U (4) 脱氨反应：A I,碱基的修饰方式,剪切 剪

12、接 添加 修饰,（四）真核生物tRNA的转录后加工,Protein Biosynthesis (Translation),蛋白质的生物合成(翻译),以特定核苷酸序列的mRNA为模板，合成 相应氨基酸序列的多肽链，即将带有遗传信息 的核苷酸顺序转换为氨基酸顺序的过程。 组成蛋白质的氨基酸由其特定的tRNA携带 和转运，在核蛋白体上按照模板mRNA所提供的 编码信息合成具有特定序列的多肽链。,蛋白质合成体系 模板 mRNA 氨基酸运输 tRNA 肽链合成场所 核糖体(rRNA+蛋白质) 蛋白质因子 起始、延长、终止因子 原料 20种有遗传密码的氨基酸,mRNA是蛋白质合成的模板,在mRNA分子中蛋

13、白质序列编码区内，每3个核苷酸组成一个密码子（codon），编码多肽链上的一个氨基酸。 mRNA中的4种核苷酸通过不同排列组合，可组成64个密码子，其中有3个是终止密码子。,mRNA的寿命一般较短 mRNA具有方向性，从5端到3端 3个核苷酸构成1个密码子，指令氨基酸 编码单个蛋白或多个蛋白,遗传密码的意义 决定蛋白质的一级结构（primary structure） 结构基因的遗传信息决定蛋白质的结构与 功能。 蛋白质一级结构决定空间结构，而蛋白质 的一级结构是由结构基因中的遗传密码 决定的。,遗传密码表,密码子特点 连续性 简并性 通用性 摆动性 方向性,各种tRNA通过反密码子-密码子识别

14、为mRNA模板提供氨基酸原料,反密码环,氨基酸臂,tRNA运输氨基酸 由氨基酰-tRNA 合成酶催化 与氨基酸的连接 具有绝对专一性 和校正功能,肽链合成场所 核糖体（rRNA+蛋白质） 原核细胞 70S 30S： 16S rRNA和21种蛋白质 50S： 5S、23S rRNA和34种蛋白质 真核细胞 80S 40S 18S rRNA和33种蛋白质 60S： 5S、5.8S、23S rRNA和49种蛋白质,原核生物核蛋白体结构模式,蛋白质因子,原料 20种有遗传密码的氨基酸 原核细胞 起始氨基酸为N-甲酰蛋氨酸 （密码子AUG、GUG、UUG） 真核细胞 起始氨基酸为蛋氨酸（密码子AUG）,

15、氨基酸 + tRNA,氨基酰- tRNA,ATP,AMPPPi,氨基酰-tRNA合成酶,（一）氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,氨基酰tRNA合成酶保证氨基酸 与tRNA的正确结合,氨基酸 + ATP + tRNA 氨基酰tRNA + AMP +PPi,氨基酰tRNA的表示方法 ala-tRNAala arg-tRNAarg met-tRNAimet 真核细胞起始用蛋氨酰tRNA met-tRNAemet 真核细胞延伸用蛋氨酰tRNA fmet-tRNAimet 原核细胞起始用甲酰蛋氨酰tRNA,氨基酸的活化与转运特点 一种氨基酸可由

16、2-6种tRNA特异的运载 tRNA的总数（40-50）大于氨基酸的数目 氨基酰tRNA合成酶具有高度特异性 氨基酰tRNA合成酶具有校读活性 真核生物携带蛋氨酸的tRNA有两种， 分别为tRNAimet和tRNAemet 原核生物AUG只能辨认甲酰化的蛋氨酸,大肠杆菌蛋白质合成的5个阶段所需化合物,1,氨基酸的活化,20,种氨基酸,20,种氨基酰,-,tRNA,合成酶,32,种（或多于,32,种）,tRNA,ATP,、,Mg,2+,2,起始,mRNA,N,-,甲酰甲硫氨酰,-,tRNA,fmer,mRNA,上的起始密码子（,AUG,）,30S,核糖体亚基,50S,核糖体亚基,起始因子（,IF

17、,-,1, IF,-,2, IF,-,3,）,GTP,、,Mg,2+,3,延长,具有功能的,70S,核糖体（起始复合物）,密码子特异的氨基酰,-,tRNA,延长因子（,EF,-,Tu, EF,-,Ts, EF,-,G,）,GTP,、,Mg,2+,4,终止与释放,mRNA,上的终止密码,释放因子（,RF,-,1, RF,-,2, RF,-,3,）,5,折叠和翻译后的加工,特异酶、辅助因子、除去起始残基和信号肽所需的化合物，,水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅,基结合到蛋白质上,阶段,必需化合物,1,氨基酸的活化,20,种氨基酸,20,种氨基酰,-,tRNA,合成酶,32,

18、种（或多于,32,种）,tRNA,ATP,、,Mg,2+,2,起始,mRNA,N,-,甲酰甲硫氨酰,-,tRNA,mRNA,上的起始密码子（,AUG,）,30S,核糖体亚基,50S,核糖体亚基,起始因子（,IF,-,1, IF,-,2, IF,-,3,）,GTP,、,Mg,2+,3,延长,具有功能的,70S,核糖体（起始复合物）,密码子特异的氨基酰,-,tRNA,延长因子（,EF,-,Tu, EF,-,Ts, EF,-,G,）,GTP,、,Mg,2+,4,终止与释放,mRNA,上的终止密码,释放因子（,RF,-,1, RF,-,2, RF,-,3,）,5,折叠和翻译后的加工,特异酶、辅助因子、

19、除去起始残基和信号肽所需的化合物，,水解过程，末端残基的修饰，磷酸、甲基、羧基、碳水化合物或辅,基结合到蛋白质上,阶段,必需化合物,蛋白质生物合成过程 The Process of Protein Biosynthesis,蛋白质合成中 mRNA模板的方向：5 3； 蛋白质的合成方向：N端 C端。 蛋白质合成过程： 起始 延长 终止,*起始 形成翻译起始复合物 *延长 指每加一个氨基酸经过进位、成肽和转位 *终止 原核细胞 RF1,RF2识别终止密码，RF3激活 转肽酶释放肽链 真核细胞 eRF同时具有上述功能,一、肽链合成起始,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

20、复合物 (translational initiation complex)。 参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiation factor，IF）。,原核生物起始因子有三种： IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。 IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。 IF-3：促进大小亚基分离，提高P位 对结合起始tRNA敏感性。,S-D序列：在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在49个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS),S-D序列,（一）原核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基

21、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。,（二）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。,真核生物翻译起始因子,真核生物翻译起始复合物形成过程,真核生物翻译起始的特点 核蛋白体是80S； 起始因子种类多； 起始tRNA的Met不需甲酰化； mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关； 起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA,肽链在核糖体从mRNA的5端向3端移动 过程中依据密码子顺序从N端开始向C端延长。 这是一个在核

22、糖体上重复进行的进位、成肽 和转位的循环过程。每完成一个循环，肽链 上即可增加一个氨基酸残基。该过程被称为 核糖体循环。,二、肽链的延长,核蛋白体循环（ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步： 进位（entrance） 成肽（peptide bond formation） 转位（translocation）,进位（entrance）或称为注册（registration） 指的是一个与mRNA密码子相对应的 氨基酰-tRNA进入核糖体 成肽（peptide bond formation） 是两个氨基酸间形成肽键的反应 转位（translocation） 指核糖体沿

23、着mRNA移动一个密码子距离 的过程,肽链合成的延长因子,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。 另外，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。,（四）真核生物延长过程,三、肽链合成的终止,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。,终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF),识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。,释放因子的功能,原核

24、生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF,蛋白质合成后加工和输送Posttranslational Processing & Protein Transportation,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,一、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、合成后进行，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、模体、结构域到形成完整的空间构象。 大多数天然蛋白质折叠都需要其他酶和蛋白质的辅助。,几种有促进蛋白折叠功能的大分子,1. 分子伴侣 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 3. 肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI),（1）热休克蛋白(heat shock protein, HSP) HSP70、HSP40和GreE族 （2）伴侣素(chape