基因信息的传递.ppt

1、基因信息的传递,讲授：倪学锋,Transmission of Genetic Information,开始,结束,Sickle Erythrocytes镰形红细胞,Shaoxing University Medical College,基因信息的传递 Transmission of Genetic Information,一、生物学中心法则 二、DNA复制（DNA生物合成） 三、逆转录（DNA生物合成） 四、转录（RNA生物合成） 五、翻译（蛋白质生物合成） 六、蛋白质生物合成与医学的关系 复习参考,返回,Shaoxing University Medical College,一、生物学中心法

2、则,遗传信息的流动方向（flow of genetic information），称生物学中心法则（central dogma）。 1958年，Crick提出 20世纪70年代得到补充 中心法则还会继续得到补充、扩展、修正 基因 基因表达 发现RNA有催化作用(ribozyme)，因此有人提出，RNA可能是生物进化过程或生命起源过程中最早出现的生物大分子。,返回,“dogma(法则)”一词在科学背景下是否合适？,1865年，Mendel提出“遗传因子” 1909年，Johannsen提出“基因” 1944年，Avery、Macleod、McCarty证明DNA是遗传物质 1953年，Watso

3、n和Crick提出“DNA双螺旋结构模型”,Shaoxing University Medical College,“法则”一词在这一科学背景下是否合适？,Francis Crick的想法给出了最好的答案：“我想我把这个概念称作中心法则(dogma)有两个原因。首先我已经在序列假说中使用了这个明白的单词假说(hypothesis)。序列假说提出遗传信息编码在DNA碱基的序列中。另外，我要指出这个新假说更重要和更有力。结果，使用法则这个词导致了更多不应有的麻烦。许多年以后，Jacques Monod向我指出我可能没有理解法则这个词的正确用法，法则是指不可被怀疑的信念。我的确以某种含糊的方式意识到

4、这一点，但既然我想所有的宗教信念都没有认真的基础，所以我就按自己对这个单词的想法而不是众人所想的假说，这假说尽管是言之有理，但在当时还很少有直接的实验支持。”(Francis Crick.What Mad Pursuit.109),返回,Shaoxing University Medical College,基因的一些解释,基因（gene）指DNA分子中的某一区段（功能性片段），经过复制可以传给子代，经过转录及翻译可以保证支持生命活动的各种RNA及蛋白质在细胞内有序地合成。 基因（gene）即是DNA分子中的功能性片段，包含转录成完整RNA或翻译合成蛋白质的遗传信息序列。 基因（gene）是编

5、码生物活性产物的DNA功能性片段，这些产物主要是蛋白质或是各种RNA。,返回,Shaoxing University Medical College,基因表达,基因表达(gene expression)是基因转录及翻译的过程。 必须指出，并非所有基因表达过程都产生蛋白质，经转录而合成RNA的过程也属基因表达。 基因表达的两种情况： 基因表达(基因激活)转录翻译（合成蛋白质） 基因表达(基因激活)转录（合成RNA）,返回,Shaoxing University Medical College,二、DNA复制,DNA复制的概念 DNA复制的酶学 DNA复制的过程 DNA复制的特点 DNA复制的意义

6、 DNA损伤与修复,返回,Shaoxing University Medical College,DNA复制的概念,以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程称为DNA复制(replication)。 复制的分子基础：DNA双螺旋结构及碱基配对规律 胞内定位：核区（或核内） DNA复制方式：半保留复制(semi-conservative riplication) 半保留复制实验依据 半保留复制反应体系,返回,生物学中心法则,Shaoxing University Medical College,半保留复制,DNA复制时，亲代DNA解开为两条单链，各自作为模板，按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。

7、子代细胞的DNA，一条链从亲代完整地接受过来，另一条链则完全重新合成，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-conservative replication)。,返回,Shaoxing University Medical College,半保留复制实验依据,1957年，哈佛大学生物系教授Matthew Meselson和他的学生Franklin Stahl用“天才”实验证明了DNA是按半保留方式进行复制的。 The hypothesis of semiconservative replication was proposed by Watson

8、and Crick soon after publication of their 1953 paper on the structure of DNA; the theory was proven in ingeniously designed experiments by Matthew Meselson and Franklin Stahl in 1957 . 细菌可利用NH4Cl作氮源合成DNA，实验中分别以15NH4Cl和14NH4Cl作为氮源。,返回,CsCl density gradient centrifugation氯化铯密度梯度离心,原子序数相同, 质量数不同的原子互称为同

9、位素。(质子数相同，中子数不同),Shaoxing University Medical College,DNA双螺旋结构的要点,DNA分子是由两条反向平行的多脱氧核苷酸链围绕着同一中心轴以右手螺旋方式盘旋而成的双螺旋结构。 两条链之间碱基配对：AT；GC。 双螺旋的直径为2nm，两个相邻碱基之间距离为0.34nm，每旋转一周包含10对碱基，故螺距为3.4nm。 双螺旋结构的稳定因素：氢键和碱基堆积力。 (详见“核酸的结构与功能”一章),返回,Shaoxing University Medical College,半保留复制反应体系,模板(template)：双链DNA分子解开形成的两条单链

10、原料：dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP） 参与酶类： 解旋、解链酶类：解旋、解链 引物酶：合成引物(引物提供3-OH末端) DNA聚合酶：聚合4种dNTP形成新生链 DNA连接酶：催化相邻片段的连接 碱基互补：模板链与新生链碱基互补，AT；GC 子代DNA分子特点：每一子代DNA分子中的一条链来自亲代，另一条链是新合成的。,返回,Shaoxing University Medical College,DNA复制的酶学,解旋、解链酶类 引物酶 DNA聚合酶 DNA连接酶,返回,DNA复制过程中主要酶的综合作用,Shaoxing University Medical College

11、,DNA聚合酶,DNA聚合酶（DNA polymerase，DNA pol）全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase，DDDP) 1958年，Arthur Kornberg在 E.coli (Escherichia coli, 大肠杆菌)中首先发现 经10年努力，纯化为均一的纯酶 100kg细菌沉渣中提取了0.5g DNA聚合酶 当时被定名为复制酶(replicase)，后被命名为DNA-pol. DNA聚合酶的作用 DNA聚合酶的底物 原核生物DNA聚合酶 真核生物DNA聚合酶 DNA复制的保真性,返回,Shaoxing University

12、Medical College,DNA聚合酶的作用,53聚合酶活性：以DNA为模板，催化dNTP聚合为新生DNA链。 聚合条件： 原料： dNTP （dATP、dGTP、dCTP、dTTP） 模板：DNA单链 3-OH端（最先由RNA引物提供） 聚合反应 聚合方向：新链53延伸，需要3-OH，形成3,5-磷酸二酯键 核酸外切酶活性： 35核酸外切酶活性：辨认、切除错配碱基(校读) 53核酸外切酶活性：切除引物或突变片段,返回,复制中dNTP的加入,Shaoxing University Medical College,DNA聚合酶的底物,DNA聚合酶的底物，即DNA合成原料：dNTP dATP

13、 dGTP dCTP dTTP,返回,Shaoxing University Medical College,DNA聚合酶催化的聚合反应,DNA聚合酶催化的聚合反应： (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 总反应： (dATP)m + (dGTP)n + (dCTP)y + (dTTP)z (dAMP + dGMP + dCMP + dTMP)m+n+y+z + (m+n+y+z)PPi 聚合方向：53延伸（DNA新链的延伸方向）,返回,复制中dNTP的加入,加dNTP，留dNMP，掉PPi,Shaoxing University Medical College,原核生

14、物DNA聚合酶,大肠杆菌(E.coli)中的3种DNA聚合酶： DNA-pol ： 切除错配的核苷酸，参与校读（35核酸外切酶活性） 切除引物或切除突变片段，参与复制或损伤修复（53核酸外切酶活性） 填补空缺（53聚合酶活性） DNA-pol ： 作用尚不完全清楚，推测在DNA-pol 和缺失下起作用 复制延长（53聚合酶活性） 参与校读（35核酸外切酶活性） 有人认为参与DNA损伤的应急修复 DNA-pol ：复制的主要聚合酶 聚合能力最强，参与复制延长（53聚合酶活性） 切除错配的核苷酸，参与校读（35核酸外切酶活性）,返回,Shaoxing University Medical Coll

15、ege,真核生物DNA聚合酶,DNA-pol ：起始引发、引物酶活性，延伸酶（后随链延伸） 53聚合酶活性 53核酸外切酶活性 DNA-pol ：没有其他DNA-pol时起作用，可能与修复有关 53聚合酶活性 53核酸外切酶活性 DNA-pol ：线粒体DNA复制 53聚合酶活性 53核酸外切酶活性 35核酸外切酶活性 DNA-pol ：复制的主要聚合酶（前导链延伸），解螺旋酶活性 53聚合酶活性 53核酸外切酶活性 35核酸外切酶活性 DNA-pol ：校读、修复，填补引物空缺 53聚合酶活性 53核酸外切酶活性 35核酸外切酶活性,返回,Shaoxing University Medica

16、l College,DNA复制的保真性,DNA复制保真性（fidelity）的依赖机制： 依赖模板（遵循碱基互补） 选择碱基（DNA聚合酶的聚合活性） 校读纠错（DNA聚合酶的核酸外切酶活性）,返回,Shaoxing University Medical College,引物酶,引物酶(primase)是特殊的RNA聚合酶(依赖DNA的RNA聚合酶，DDRP) 引物酶也称为DnaG 引物酶功能：以DNA为模板，NTP (ATP、GTP、CTP、UTP)为原料，催化合成短片段RNA引物(primer)。 引物酶及引物的特点： 不需要3-OH，可聚合两个游离的NTP 引物长度一般为5100 NMP

17、 DNA复制起始的引发体(primosome)由解螺旋酶，引物酶及其他因子组成 引物的3-OH是引发DNA-pol 发生聚合的位点 引物可由DNA pol水解除去 去除引物留下的空缺由DNA pol催化填补 DNA复制时，为什么引物是RNA而不是DNA？,返回,Shaoxing University Medical College,DNA复制时，为什么引物是RNA而不是DNA？,目前的解释：DNA聚合酶没有催化两个游离dNTP聚合的能力，而RNA聚合酶(引物酶)则可催化游离的NTP聚合形成RNA短片段引物，聚合时以DNA为模板。一段短RNA引物即可提供3-OH末端供dNTP加入、延长之用。,返

18、回,Shaoxing University Medical College,解旋、解链酶类,DnaA：辨认起始点 解螺旋酶(helicase, 也称DnaB) 断开氢键，促使DNA两条链分离 每解开1对碱基对，需消耗2个ATP DnaC：运送和协同DnaB DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase) 断开单链或双链，松驰（超或双）螺旋，再促使断链连接，可避免缠绕、打结或连环现象。 既切又连（先水解、再连接磷酸二酯键） 拓扑异构酶：切断一股再连接（一般与双螺旋有关），不需ATP 拓扑异构酶：切断二股再连接（一般与超螺旋有关），需要ATP 单链DNA结合蛋白(single strand

19、ed DNA-binding protein，SSB) 维持模板处于单链状态 防止单链模板被水解 可反复结合分离,返回,双链解开时的打结、缠绕现象,解旋、解链,Shaoxing University Medical College,拓扑,拓扑(topo)是指物体或图像作弹性移位而又保持物体不变的性质。,返回,Shaoxing University Medical College,DNA连接酶,DNA连接酶（DNA ligase）的功能： 催化一个DNA片段的3-OH与另一个相邻DNA片段的5-P形成3,5-磷酸二酯键，使片段相连，形成完整的DNA子链。 只能连接双链中的单链缺口，没有连接单独存

20、在的DNA单链或RNA单链的作用。 消耗NAD+(原核)或ATP(真核),返回,DNA连接酶的作用,Shaoxing University Medical College,DNA复制的基本过程,起始 延伸 终止,返回,复制过程动画演示,Shaoxing University Medical College,复制起始阶段,起始阶段主要发生： DNA解开成单链，提供模板。 形成引发体，合成引物，提供3-OH末端。 起始点： 原核：单一固定起始点（origin C, ori C） 真核：多个起始点，多个复制单位 复制叉（replication fork） 双向复制（bidirectional rep

21、lication） 引发体（primosome）由解螺旋酶(DnaB)、引物酶(DnaG) 、其他复制因子(如DnaC)及DNA起始复制区域(ori C)组成。 引物酶催化生成RNA引物（primer），其长度一般为5100 NMP。 引物合成方向为53，从其3-OH端可以开始真正的DNA新链复制。,返回,Shaoxing University Medical College,固定起始点（origin C, ori C）,单一固定起始点（origin C, ori C）位于E.coli基因图82分钟处。 ori C跨度为245bp oriC的构成： 3组串连重复序列：识别区 2对反向重复序列：

22、富含AT区（容易发生解链） DnaA可辨认识别区并结合于富含AT区。,返回,大肠杆菌基因组DNA约含5.7106 bp,Shaoxing University Medical College,复制延伸阶段,延伸阶段主要发生：53延长DNA新链 原核由DNA pol 催化 真核由DNA pol 、DNA pol 催化 原核延长速度相当快，据推算每秒能加入的核苷酸数达2500个(即2500bp/s)，真核稍慢。 复制的半不连续性 冈崎片段,返回,复制中dNTP的加入,Shaoxing University Medical College,复制的半不连续性,前导链（leading strand）：复

23、制延长与解链(复制叉前进方向)同向所生成的子链是连续复制的。 后随链（lagging strand）：复制延长与解链(复制叉前进方向)反向所生成的子链是不连续复制的。,返回,复制的半不连续性,Shaoxing University Medical College,冈崎片段,1968年， Okazaki(冈崎，日本科学家)用电子显微镜及放射自显影技术，观察到DNA复制中可出现一些不连续片段，后人证实此片段只存在于DNA复制叉其中的一股上(后随新链)，即复制的半不连续现象。 DNA复制过程中出现的不连续片段称为冈崎片段(Okazaki fragment)。 冈崎片段的一般长度： 原核：100020

24、00个核苷酸 真核：100数百个核苷酸 冈崎片段的形成原因：因为后随链的延长方向与解链的方向相反，需要等待复制叉解开至一定长度，生成新的引物，然后再在引物3-OH末端上延长。,返回,Shaoxing University Medical College,复制终止阶段,终止阶段主要发生：去除引物、填补空缺、连接片段 原核： DNA pol：去除引物，填补空缺 DNA连接酶：连接片段 真核： DNA复制的同时，染色体蛋白(组蛋白、非组蛋白)的合成同步进行，DNA复制完成后，随即装配成核内的核蛋白，并组成染色体。 端粒与端粒酶,返回,Shaoxing University Medical Colle

25、ge,端粒与端粒酶,原核环状DNA复制时所有的引物都能被水解并由DNA链填补，但是，在真核的线性DNA分子中，前导链的RNA引物和后随链的最后一个RNA引物水解后无法再形成DNA链，与引物配对的模板链形成局部单链，单链DNA不稳定，随后被DNA聚合酶的外切酶活性催化水解，导致线性DNA分子每复制一次，DNA分子两端就截短一节。这个特性导致大多数真核细胞不能无限分裂下去。 20世纪80年代中期发现端粒酶(telomerase)，其可以提供RNA模板，并催化逆转录，以恢复DNA的长度，维持染色体的完整性。 端粒酶的作用导致DNA分子的两端出现高度重复的碱基序列(富含T、G的短序列)，这种重复结构存

26、在于染色体的两端，称为端粒(telomere)。端粒在维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性有重要作用。 许多研究发现，细胞老化是和端粒酶活性下降相关的；基因突变、肿瘤发生时，端粒可表现缺失、融合或序列缩短等现象。,返回,Shaoxing University Medical College,DNA复制的特点,半保留复制 需要引物 半不连续复制（前导链、后随链、冈崎片段） 对称性 方向性：双向复制（原核-单起点，真核-多起点） 高保真性：碱基互补，反向配对,返回,Shaoxing University Medical College,DNA复制的生物学意义,返回,DNA复制是细胞分裂，生物生长

27、、繁殖的物质基础。 按半保留复制的方式，子代保留了亲代DNA的全部遗传信息，实现了遗传信息的准确传代，体现了遗传过程的相对保守性。 遗传的保守性，是物种相对稳定性的分子基础。 变异（创新或突变）是物种进化、分化的分子基础。 但突变是某些疾病的发病基础。,人类可能未能亲眼见到某一物种的自然演变过程，而只见到长时期突变积累的结果。,突变有益还是有害？,Shaoxing University Medical College,DNA损伤与修复,DNA损伤(DNA突变, 基因突变)是指DNA分子中碱基的改变。 突变的意义 引发突变的因素 基因突变的类型 DNA损伤的修复,返回,Shaoxing Univ

28、ersity Medical College,突变的意义,突变是进化、分化的分子基础 只有基因型改变的突变 致死性的突变 突变是某些疾病的发病基础,返回,Shaoxing University Medical College,引发突变的因素,物理因素 化学因素 生物因素,返回,Shaoxing University Medical College,基因突变的类型,点突变(错配) 缺失、插入(可引起框移突变) 重排(重组),返回,Shaoxing University Medical College,DNA损伤的修复,光修复 切除修复：最重要 重组修复：常在损伤面太大又不能及时修复时发生 SOS

29、修复：损伤广泛至难以继续复制时发生，可遗留错误,返回,Shaoxing University Medical College,三、逆转录,逆转录概念 逆转录过程 逆转录意义,返回,Shaoxing University Medical College,逆转录概念,以RNA为模板合成DNA的过程称为逆转录( reverse transcription)。 1970年，Howard Temin发现逆转录现象 模板：RNA 原料：dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP） 催化酶：逆转录酶（reverse transcriptase），全称为：依赖RNA的DNA聚合酶(RNA-depende

30、nt DNA polymerase，RDDP)具有三种活性： RDDP活性：以RNA为模板合成DNA，形成RNA-DNA杂化分子 核糖核酸酶活性：水解杂化分子中的RNA链，剩下的DNA单链称cDNA DDDP活性：以DNA为模板合成DNA 引物：tRNA 新链延伸方向：53,返回,以RNA为模板，经逆转录合成的与RNA碱基序列互补的DNA链称为互补DNA(complementary DNA, cDNA),生物学中心法则,Shaoxing University Medical College,逆转录意义,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

31、有遗传信息传代与表达功能 对逆转录病毒(retrovirus)的研究拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论： 致癌病毒一般认为属逆转录病毒 病毒癌基因与细胞癌基因 逆转录酶存在于正常细胞和胚胎细胞中，可能与细胞分裂及胚胎发育有关 分子生物学研究中应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一（cDNA法）。以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链称为互补DNA(complementary DNA, cDNA) 。,返回,Shaoxing University Medical College,四、转录,转录概念 转录模板 转录酶 转录酶与模板的辨认结合 转录过程 真

32、核生物的转录后加工,返回,复制、转录、逆转录的比较,Shaoxing University Medical College,转录概念,以DNA为模板合成RNA的过程称为转录（transcription）。 胞内定位：核区（或核内） 转录的反应体系： 模板：双链DNA分子基因片段中的一条链 原料：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP） 参与酶：RNA聚合酶(催化4种NTP聚合为新生RNA链) 碱基互补： AU GC CG TA 产物RNA分子特点：单链分子，需经转录后加工才有活性。,返回,RNA链多核糖核苷酸链,生物学中心法则,Shaoxing University Medical Colle

33、ge,转录模板,根据生物体某一时空的生存需要，基因组DNA中只有少部分基因发生转录。 结构基因（structural gene）：能转录出RNA的DNA片段。 DNA片段双链中能指导转录的一条链称模板链(template strand)或有意义链(sense strand)或沃森链(Watson strand)。 与模板链互补的相应链称为编码链(coding strand)或反意义链(antisense strand)或克里克链(Crick strand)。 不对称转录（asymmetric transcription）的含义： 针对某一转录单位，DNA片段上只有一股链可转录； 不同转录单位，

34、模板链不总在同一DNA单链上。 每一转录区段可认为是一个转录单位，称为操纵子(operon)，由结构基因、启动序列、操纵序列等构成。,返回,操纵子模型示意图,Shaoxing University Medical College,转录酶,转录酶(transcriptase)即RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA pol)，全称为：依赖DNA的RNA聚合酶（DNA-dependent RNA polymerase，DDRP）。 功能：以DNA为模板，催化4种NTP聚合为新生RNA链(53)。 大肠杆菌（E.coli）的RNA聚合酶： 分子量为480 kD 由4种亚基构成的五聚体蛋

35、白质：2 2 称全酶（holoenzyme） 2 称核心酶（core enzyme）：延长RNA新链 组分与功能 真核细胞的RNA聚合酶 RNA聚合酶催化的聚合反应,返回,1 Dalton (道尔顿) = H原子质量 = 1.000 （1.6710-24g）,Shaoxing University Medical College,RNA聚合酶催化的聚合反应,RNA聚合酶催化的聚合反应： (NMP)n + NTP (NMP)n+1 + PPi 总反应： (ATP)m + (GTP)n + (CTP)y + (UTP)z (AMP + GMP + CMP + UMP)m+n+y+z + (m+n+

36、y+z)PPi 聚合方向：53延伸（RNA新链的延伸方向）,返回,转录中NTP的加入参阅“DNA复制中dNTP的加入”,Shaoxing University Medical College,转录酶与模板的辨认结合,操纵子(operon)是一个转录(协调)单位，包含若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列(启动序列及操纵序列等)。 启动序列或称启动子(promoter)是RNA-pol结合模板DNA的辨认和结合区域，也是控制转录的关键部位。 对启动子的研究常采用RNA-pol保护法。 原核生物的启动子是位于结构基因上游的保守序列，或称一致性(consensus)序列： -35 bp

37、区：5-TTGACA-即辨认位点（recognition site） -10 bp区：5-TATAAT- 称Pribnow box 真核生物的启动子,返回,RNA聚合酶在转录起始区的结合,操纵子模型示意图,Shaoxing University Medical College,真核生物的启动子,真核生物的启动子较为复杂 -25-110 bp区域内的共有序列： 5-TATA-Hogness box或TATA box 5-GCCAAT-CAAT box 5-GGGCGG-GC box 调控表达：顺式作用元件与反式作用因子(见基因表达调控) 顺式作用元件(cis-acting element)是指D

38、NA分子中可影响自身基因表达活性的DNA序列，存在于编码基因两侧。 绝大多数真核基因调节蛋白(转录因子)由它的编码基因表达后，可与特异的调节元件(顺式作用元件)结合，反式激活另一基因的转录，故称为反式作用因子(trans-acting factors)，大多数反式作用因子属DNA结合蛋白。,返回,Shaoxing University Medical College,转录的基本过程,起始 延伸 终止,返回,Shaoxing University Medical College,转录起始阶段,因子识别起始点 RNA聚合酶以全酶与模板结合 局部解链（1020 bp） RNA聚合酶“挤入”DNA双螺

39、旋内 DNA拓扑异构酶参与 不需引物， RNA聚合酶催化2个游离NTP直接聚合连接： 5-pppG-OH-3 + NTP 5-pppGpN-OH-3 + PPi (GTP) 形成转录起始复合物 DDRP(2)-DNA-pppGpN-OH 因子脱落,返回,DNA聚合酶能催化2个游离dNTP直接聚合吗？,起始阶段，真核比原核更复杂,Shaoxing University Medical College,转录延伸阶段,DDRP核心酶沿DNA模板35移动，新链RNA 53延长 形成转录复合物 DDRP(2)-DNA-RNA (转录空泡) 转录酶经过后，DNA局部即恢复成双螺旋结构 转录和翻译同步进行,

40、返回,转录空泡的形成,转录延伸阶段,原核生物转录过程中的羽毛状现象,真核的延伸阶段，未发现与原核有重大差别(但没有转录与翻译同步现象),Shaoxing University Medical College,转录空泡的形成,DDRP分子可以覆盖40bp以上的DNA分子段落，转录解链范围小于20bp，产物RNA又和模板链配对形成长约12bp的RNA/DNA杂化双链，这样由DDRP (2) -DNA-RNA形成的转录复合物，被形象地称为转录空泡(transcription bubble)。,返回,转录空泡,核酸碱基对的稳定性： GC AT AU,Shaoxing University Medica

41、l College,转录终止阶段,原核终止方式： 依赖因子的终止方式 非依赖因子的终止方式 真核终止： 转录终止的修饰点：-AATAAAGT- 转录越过修饰点数百到数千核苷酸后才停止。 转录越过修饰点后，修饰点处被切断，加入3-尾巴(polyA)及5-帽子(m7Gppp-)。,返回,Shaoxing University Medical College,依赖因子的终止方式,1969年，J.Roberts在E.coli中发现控制转录终止的蛋白质，定名为因子： 因子由6个相同的亚基组成的六聚体蛋白质，亚基分子量为46 kD 因子对RNA上的polyC结合力最强 因子能结合RNA(3-端有丰富的C)

42、，并具有ATP酶及解螺旋酶活性。 因子的终止转录作用,返回,依赖因子的转录终止方式,Shaoxing University Medical College,非依赖因子的终止方式,DNA模板终止区有特殊碱基序列，密集的A-T对或G-C对，转录出RNA后，RNA产物形成特殊的结构来终止转录。 转录产物RNA的3-末端常发现有多个连续的U。 非依赖因子的转录终止模式：RNA链延长至接近终止区时，转录出的碱基序列随即形成茎-环结构(发夹结构)，这种二级结构的形成可阻止转录。 茎-环结构阻止转录的原因,返回,Shaoxing University Medical College,茎-环结构阻止转录的原因

43、,茎-环结构在RNA分子上形成，可能改变RNA聚合酶的构象，使酶不再向下游移动，转录停顿。 转录复合物上有局部的RNA/DNA杂化短链，RNA分子要形成自己的局部双链，DNA也要复原为双链，本来不稳定的杂化链更不稳定，转录复合物趋于解体。(产物RNA3-末端的一串U是RNA从DNA模板上脱落的促进因素，因为所有的碱基配对中，以rU/dA配对最为不稳定。),返回,核酸碱基对的稳定性： GC AT AU,茎-环结构阻止转录,Shaoxing University Medical College,真核生物的转录后加工,转录生成的RNA是初级转录产物(primary transcripts)。 原核生

44、物和真核生物初级转录产物都需经一定程度的加工修饰才具有活性，称转录后加工或转录后修饰(posttranscriptional modification)。 真核生物的转录和翻译部位被核膜隔开，故其转录后加工较为复杂。 真核生物RNA的转录后加工： mRNA转录后加工 tRNA转录后加工 rRNA转录后加工,返回,Shaoxing University Medical College,真核mRNA转录后加工,mRNA来自不均一核RNA(hetero-nuclear RNA, hnRNA) hnRNA由RNA-pol 催化生成 加工方式： 首尾修饰（modification） 中段剪接（splic

45、ing） mRNA编辑(mRNA editing) (一些修饰方式：部分碱基进行甲基化、还原、移位、脱氨基等修饰),返回,Shaoxing University Medical College,首尾修饰,5-端“戴帽”： 5-帽子结构（5-cap）：5-m7GpppN-(N: G or A) 核内完成，先于剪接 与分子自身稳定性有关；与翻译起始有关 3-端“接尾”： 3-多聚A尾巴（3-polyA tail）：-AAAAAA-3（80250个AMP） 核内完成，先于剪接 长度随mRNA寿命而缩短 与分子自身稳定性有关；与维持翻译模板的活性有关,返回,Shaoxing University Me

46、dical College,中段剪接,20世纪70年代末提出了真核生物基因呈断裂性排列的概念。 真核生物的结构基因由若干个编码区(外显子)和非编码区(内含子)互相隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，为一个由连续氨基酸组成的完整蛋白质多肽链编码，故称断裂基因(split gene)。 外显子(exon)是在断裂基因及其初级转录产物上出现，并可表达为成熟RNA的核酸序列。 内含子(intron)是隔断基因线性表达而在剪接过程中被去除的核酸序列。 主要剪接方式：由Klessig提出 非编码区先弯成套索状，即套索RNA（lariat RNA） 多种snRNA参与 特异RNA酶水解剪去非编码区

47、编码区相互连接,返回,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后加工,对内含子功能的推测,Shaoxing University Medical College,对内含子功能的推测,关于内含子的功能，存在两种不同的看法： 内含子是在进化中出现或消失的，与物种的进化选择有关。 内含子在基因表达中有调控功能。,返回,Shaoxing University Medical College,mRNA编辑,mRNA经编辑加工，遗传信息在转录水平发生改变，由一个基因产生不止一种蛋白质，此类加工称为mRNA编辑(mRNA editing)。 mRNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录后加工，是可有多用途分化的，因此，

48、也称为RNA分化加工(differential RNA processing)。 过去有人估计人类体内蛋白质种类可高达10万余种，推断基因总数在510万个甚至10万以上，目前认为总数约为33.5万个（HGP估计为31780个，塞莱拉公司的报告认为总数不会超过3.5万个）。,返回,Shaoxing University Medical College,真核tRNA转录后加工,由RNA-pol 催化生成tRNA初级产物 也由断裂基因转录生成，也需剪接 修饰： 甲基化：A mA，G mG 还原：U DHU 核苷内的转位反应：U 脱氨反应：A I 3-端加上-CCA-OH,返回,Shaoxing Un

49、iversity Medical College,真核rRNA转录后加工,真核细胞的rRNA基因(rDNA)属于丰富基因(redundant gene)，其上有高度重复序列(highly repeat sequence)，即有一些相似或完全一样的纵列串联基因(tandem gene)单位的重复。 初级rRNA需剪接加工：如初级产物45S rRNA 可剪接为5.8S、18S、28S rRNA。 rRNA能进行自身剪接（mRNA和tRNA也能进行） 1982年，Thomas Cech，四膜虫，rRNA能进行自我剪接，发现核酶。 具有催化作用的RNA被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA（ca

50、talytic RNA）。,返回,酶(enzyme)与核酶(ribozyme)在概念上应避免混淆。,有人想造一新字：,Shaoxing University Medical College,五、翻译,翻译的概念 蛋白质生物合成体系 蛋白质生物合成的过程 多核糖体循环 翻译后加工和靶向输送,返回,Shaoxing University Medical College,翻译的概念,将mRNA分子中的4种核苷酸（即碱基）序列转译成蛋白质分子中20种氨基酸序列的过程称为翻译（translation），即蛋白质的生物合成过程。 翻译场所的胞内定位(核糖体的胞内分布)： 胞液：一般与细胞内固有蛋白质的合成

51、有关 粗面内质网：一般与分泌到细胞外的蛋白质及多肽合成有关 在细胞物质生物合成中，蛋白质生物合成机制是最复杂的 细胞用于合成蛋白质所消耗的能量占生物合成总能耗的90 大肠杆菌参与蛋白质合成的大分子总量达细胞干重的35,返回,生物学中心法则,Shaoxing University Medical College,蛋白质生物合成体系,原料：氨基酸 参与酶类及蛋白质因子 三类RNA： mRNA是蛋白质合成的直接模板 tRNA是氨基酸的转运工具 rRNA与蛋白质结合构成的核糖体是蛋白质生物合成的场所 其他物质： Mg2+、K+等无机离子 GTP、ATP供能,返回,Shaoxing University

52、 Medical College,mRNA是蛋白质生物合成的直接模板,mRNA是蛋白质生物合成的直接模板 原核的mRNA可编码功能相关的几种蛋白质(多顺反子mRNA) 真核的mRNA一般编码一种蛋白质(单顺反子mRNA) mRNA由DNA分子中的特定结构基因转录得到 不同蛋白质各有其特定的mRNA模板 mRNA作为直接模板的结构基础： mRNA分子中的核苷酸序列决定所合成蛋白质的氨基酸序列 mRNA中的核苷酸序列可排列构成遗传密码(genetic code),返回,Shaoxing University Medical College,遗传密码,mRNA分子53方向上，以AUG开始，每三个相邻

53、的核苷酸组成一个三联体(triplet)，即遗传密码(genetic code)或密码子(codon)，一般可编码一种特定的氨基酸。 Marshall Nirenberg等经4年的研究，在1965年遗传密码表被完整地编成。 4种碱基（A、G、C、U）3个一组共可组成 43 = 64 个密码子 起始密码：AUG（蛋氨酸） 终止密码：UAA、UAG、UGA（终止密码一般不代表氨基酸） 61个密码子代表20种氨基酸 色氨酸、蛋氨酸仅有1个密码子，其余氨基酸有2/3/4/6个密码子。 密码子的阅读方向：53 mRNA序列中从起始密码(AUG)开始，可建立读码框架(reading frame)。 遗传密

54、码的特点,返回,Shaoxing University Medical College,读码框架,在所有生物，遗传密码都是不重叠的。 mRNA序列中从哪里开始读码？ mRNA序列5-端的起始密码开始到3-端终止密码之间的核苷酸序列，各个三联体密码可编码一个蛋白质多肽链，建立了连续的读码框架(reading frame)。 通常一个不含终止密码的，由50或更多密码子组成的连续读码框架被称为一个开放读码框架(open reading frame,ORF)，可编码一个蛋白质多肽链。 编码一个分子量为60000的典型蛋白质分子可能需要一个包含500或更多密码子的开放读码框架。(Lehninger Pr

55、inciples of Biochemistry, Fourth Edition, p.1039),返回,遗传密码的重叠与不重叠,不重叠三联体密码的三种读码可能性,Shaoxing University Medical College,遗传密码的特点,方向性（direction）：起始密码位于mRNA 5-端，终止密码位于3-端，翻译沿53方向进行。 连续性（commaless）：三联体不间断。如发生碱基插入或缺失，可造成框移突变(frameshift mutation)或称移码突变 。 简并性（degeneracy）：色氨酸、蛋氨酸仅有1个密码子，其余氨基酸有2或3或4或6个密码子。密码子上

56、第3位碱基改变往往不影响氨基酸翻译。 摆动性（wobble）：密码子与反密码子发生反向配对时，有时不严格遵守碱基互补规律，常见于密码子的第3位碱基对反密码子的第1位碱基，两者虽不严格互补，但也能相互辨认配对，称为摆动配对现象。 通用性（universal）：生物界的各种物种都使用同一套遗传密码，如病毒、细菌、人类等，可说明地球生物进化的同一起源。但有例外。,返回,近来发现，动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体在翻译时使用的密码与目前这套“通用”密码有些差异。如用AUA兼作蛋氨酸密码和起始密码，终止密码可为AGA、AGG，而UGA编码色氨酸等。,Shaoxing University Medica

57、l College,tRNA是转运氨基酸的工具,tRNA是转运氨基酸的工具，起接合器(adaptor)作用。 连接氨基酸的位置：tRNA -CCA-3-OH 识别模板的部位：反密码环上的反密码子（anticodon） 反密码子的阅读方向：53 反密码子与密码子配对结合时，方向相反，即反向配对。 摆动配对：tRNA 反密码子第1位碱基与mRNA 密码子第3位碱基有可能呈不严格配对。 密码子-反密码子-氨基酸三者间的关系，可使蛋白质生物合成时氨基酸进行“对号入座”，从而确保核酸到蛋白质信息传递的准确性。,返回,Crick的“接合器”假说,tRNA的三级结构,tRNAAla的二级结构,tRNA的二级

58、结构,氨基酰-tRNA,氨基酸的活化与转运,Shaoxing University Medical College,rRNA与蛋白质结合构成的核糖体是蛋白质生物合成的场所,rRNA与蛋白质结合构成的核糖体(ribosome，或称核蛋白体)是蛋白质生物合成的场所。 核糖体由大亚基和小亚基构成 每个亚基都由多种核糖体蛋白质(ribosomal protein, rp)和rRNA组成 大、小亚基所含蛋白质分别称为rpL和rpS 核糖体的组分(表) 原核生物核糖体的结构模式 核糖体的主要结构特征 核糖体分布于： 胞液(主要合成胞内固有蛋白质) 粗面内质网(主要合成分泌到胞外的蛋白质),返回,原核生物和

59、真核生物核糖体的构成,The secondary structure of E.coli 16S rRNA and 5S rRNA,真核生物细胞质中的核糖体,A model of a complete active bacterial ribosome,Shaoxing University Medical College,核糖体的主要结构特征,具有mRNA的结合位点 具有P位点(peptidyl site, P site, 肽酰位) 具有A位点(aminoacyl site, A site, 氨基酰位) 具有转肽酶活性部位 具有蛋白质因子的结合位点,返回,Shaoxing University Medical College,参与蛋白质合成的酶类,氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetases)： 催化氨基酸与其相应的tRNA以酯键相结合，形成氨基酰-tRNA(活化氨基酸)。 转肽酶(transpeptidase)： 属核酶，23S rRNA(位于大亚基上) 可使P位上肽酰-tRNA的肽酰基转移至A位上氨基酰-tRNA的氨基上，使酰基与氨基结合形成肽键。 转位酶(translocase)： 转位酶活性存在于延伸因子G (EF-G) 推动核糖体向mRNA的3-端移动相当于一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。,返