基因的遗传和表达.ppt

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1、第十一章 基因的遗传和表达,基因信息的传递,DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。,DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。,在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。,中心法则,生物的遗传信息

2、从 DNA传递给mRNA的过程称为转录。根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程，被称为翻译和表达。1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。,基因：,从分子水平上看，基因就是染色体DNA分子中含有特定遗传信息的一段脱氧核苷酸序列，是遗传的功能单位。遗传信息以基因为单位储存在DNA分子中。,基因的分类：,结构基因：带有遗传信息的基因。控制基因：能控制结构基因启动 或关闭的基因。,第一部分 DNA的生物合成(复制）,第一节 复制的基本规律,Section 1 Basic Rules of DNA Replication,DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相

3、同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。,一、半保留复制,DNA半保留复制示意图,DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M.Meselson 和 F.Stahl 所完成的实验所证明。该实验首先将大肠杆菌在含15N的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转变为15N。然后将大肠杆菌移至只含14N的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取DNA，作密度梯度离心，将具有不同密度的DNA分离开。,DNA半保留复制的实验证明：,DNA半保留复制研究实验结果示意图,按半保留复

4、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,DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin)。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。,二、有一定的复制起始点,细菌和酵母菌中DNA复制起始点的碱基序列,习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为一个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。,复制

5、起始点与复制子示意图,复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）,参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer)，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。,三、需要引物,DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。,四、双向复制(bidirectional replication),A.环状双链DNA及

6、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),DNA的双向复制示意图,DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须是35。由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。,五、半不连续复制(semi-discontinuous replication),领头链(leading strand),随从链(lagging strand),DNA的半不连续复制,以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为53，这一条链被称为领头

7、链(leading strand)。以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53，这条链被称为随从链(lagging strand)。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。,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,Section 2 Factors for DNA Replication,第二节 DNA复制的条件,

8、以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。,一、底物(substrate),DNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应,DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。,二、模板(template),引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。,三、引发体和RNA引物

9、,在E.coli中，含有解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域的复合结构被称为引发体(primosome)。,含有解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,引发体的组装形成,引物酶催化合成短链RNA引物分子,引物,引物酶,四、DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase,DDDP)简称：DNA-pol活性：1.53 的聚合酶活性 2.核酸外切酶活性,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

10、。,DNA聚合酶的核酸外切酶活性,在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol），DNA聚合酶（pol），DNA聚合酶（pol），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。参与DNA复制的主要是pol 和pol。,（一）种类和生理功能：,pol为具有三种酶活性的单一肽链的大分子蛋白质，可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段保留了两种酶活性,即53聚合酶和35外切酶活性，通常被称为Klenow fragment。,Klenow片段的分子结构,pol 由十种亚基组成不对称异源二聚体结构，其中亚基具有53聚合DNA的酶活性，具有复制DNA的功能；而亚基具有35外切酶

11、的活性，与DNA复制的校正功能有关。,原核生物中的三种DNA聚合酶,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种:,真核生物的DNA聚合酶,为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关：1遵守严格的碱基配对规律；2DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择；3对复制过程中出现的错误及时进行校正。,（二）DNA复制的保真性(fidelity)：,DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读,A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合酶活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，DNA-pol不表现外切酶活性。,复制的保真性和碱基选择,DNA聚合酶靠其大分

12、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连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,五、DNA连接酶,DNA连接酶的连接作用,DNA连接酶催化的条件是：需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA片段具有5-Pi基；未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的；需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。,DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺

13、口作用。是基因工程的重要工具酶之一。,DNA连接酶的作用：,解螺旋酶：又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。,六、解螺旋酶,单链DNA结合蛋白（single strand binding protein,SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。,七、单链DNA结合蛋白,SSB的生理作用：,使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA；保护单链DNA，避免核酸酶的降解。,八、DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase),人类拓扑异构酶的分子结构,能够松解D

14、NA超螺旋结构的酶。,DNA复制过程中正超螺旋的形成,解链过程中正超螺旋的形成,拓扑异构酶的作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键,拓扑异构酶 拓扑异构酶,分 类,DNA拓扑异构酶的作用机制,第三节 DNA生物合成过程,Section 3 The Process of DNA Biosynthesis,DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。1解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（SSB）四聚体结合在两条单链DNA上，形成复制叉。,一、复制的起始,2引发体组装和引物合成：由解螺旋酶(DnaB蛋白)、

15、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域形成引发体；在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3端自由羟基（3-OH）。,二、复制的延长,复制的延长指在DNA聚合酶催化下，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向聚合子代DNA链。其化学本质是dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，磷酸二酯键不断生成。在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶；而在真核生物中是DNA聚合酶。,dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGTP,dATP,dCTP,OH 3,3,DNA复制的延长过程,领头链的合成过程,随从链的合成过程,DNA聚

16、合酶催化领头链和随从链同时合成,DNA复制过程简图,三、复制的终止,RNA引物水解后遗留的缺口，由DNA聚合酶（原核生物）或DNA聚合酶（真核生物）催化延长缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。在复制过程中形成的RNA引物，需由RNA酶来水解去除；,（一）去除引物，填补缺口：,在DNA连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。,（二）连接冈崎片段：,随从链上不连续性片段的连接,第四节 逆转录和其他复制方式,Section 4 Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways,一、逆转录病毒和

17、逆转录酶,逆转录病毒细胞内的逆转录现象：,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。,三、滚环复制和D环复制,滚环复制(rolling circle replication)：是某些低等生物的复制形式，如X174和M13噬菌体等。,滚环复制的过程,D环复制(D-loop replication)：是线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。,第五节 DNA的损伤（突变）与修复,Section 5 DNA

18、 Damage（Mutation）and Repair,由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤，也称为突变（mutation）。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。,一、突变的意义,（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础,（一）自发因素：1.自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基。2.自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶，腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。3.复制错配：由于复制时碱基配

19、对错误引起的损伤，发生频率较低。,二、引起突变的因素,由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。,（二）物理因素：,嘧啶二聚体的形成,1.脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成H。,（三）化学因素：,2.烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。3.DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤

20、。,4.碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。5.断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链的断裂。,三、突变的分子改变类型,DNA分子上单一碱基的改变称点突变(point mutation)。,镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基,正常成人Hb(HbA)亚基,血红蛋白-亚基的点突变,3.缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。,4.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。,框移突变是指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。,缺失或插入都可导致框移突变。,缺失引起的框移突变,5.重排 DNA分子内较

21、大片段的交换，称为重组或重排。,由基因重排引起的两种地中海贫血基因型,四、DNA损伤的修复,DNA损伤修复(repair)：是对已发生分子改变的补偿措施，使其尽可能回复为原有的天然状态。,光修复(light repair)切除修复(excision repair)重组修复(recombination repair)SOS修复,修复的主要类型：,这是一种广泛存在的修复作用，能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。修复过程由光修复酶(photolyase)催化完成。,（一）光修复（light repair）：,光修复酶的分子结构,其修复过程为：光修复酶(photolyase)识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合

22、物。在300600nm可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开。光修复酶从DNA上解离。,这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种DNA损伤的修复。切除修复机制的基本过程是将受损的DNA片段切除，然后再以对侧链为模板，重新合成新链进行修复。,（二）切除修复(excision repair)：,在原核生物中，与DNA切除修复有关的蛋白质包括UvrA、UvrB、UvrC，以及DNA pol 和连接酶。UvrA和UvrB主要起辨认和结合受损部位的作用；而UvrC则主要与受损片段的切除有关。,原核生物DNA切除修复的机制,真核生物XP切除修复系统,1.识别,3.切除,4.修复,2.组装,这

23、是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。修复时，利用重组蛋白RecA的核酸酶活性，将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换。,（三）重组修复(recombination repair)：,RecA的分子结构,RecA重组蛋白修复DNA示意图,当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。在E.coli中，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。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。,（四）SOS修复（SOS Repair）：,第二部分 R

24、NA的生物合成(转录),在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA等。,复制和转录的区别,第一节 RNA转录合成的特点,Section 1 Characters of RNA Biosynthesis,转录(transcription)的不对称性就是指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。,一、转录的不对称性,能够转录RNA的那条DNA链称为

25、模板链(template strand)，也称作有意义链或Watson链。而与之互补的另一条DNA链称为编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。,模板链,编码链,编码链,模板链,模板链和编码链的相对性,模板链、编码链与转录及翻译的关系,RNA转录合成时，以DNA作为模板，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。,二、转录的连续性,RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，所依赖的模板DNA链的方向为35，而RNA链的合成方向为53。,三、转录的单向性,RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定

26、的终止位点。特定起始点和特定终止点之间的DNA链构成一个转录单位，通常由转录区和有关的调节顺序构成。,四、有特定的起始和终止位点,第二节 参与转录合成的酶和蛋白因子,Section 2 Enzymes and Protein Factors for RNA Biosynthesis,原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:单链DNA酶:RNA聚合酶(RNA polymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子,参与转录的物质：,这是一种不同于引物酶的依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。该酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从53聚合RNA。,一、RN

27、A聚合酶（DDRP）,原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即2。亚基与转录起始点的识别有关，在转录合成开始后被释放；余下的部分（2）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。,（一）原核生物的RNA聚合酶,核心酶(core enzyme),全酶(holoenzyme),原核生物RNA聚合酶的全酶和核心酶,原核生物RNA聚合酶亚基的功能,真核生物中的RNA聚合酶可按其对-鹅膏蕈碱的敏感性而分为三种，它们均由1012个大小不同的亚基所组成，结构非常复杂，其功能也不同。,（二）真核生物的RNA聚合酶,RNA聚合酶的分子结构,酵母RNA聚合酶和的电子晶体图,在真核生物中，转录的起始过程较为复杂。现已

28、发现数百种蛋白因子与RNA转录合成有关，这些蛋白因子被统称为反式作用因子(trans-acting factor)。在反式作用因子中，直接或间接参与转录起始复合体的形成的蛋白因子被称为转录因子（transcriptional factor,TF)。不同的RNA聚合酶存在相应的转录因子，如与RNA聚合酶相关的转录因子包括 TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TFH等。,二、转录因子,真核生物RNA聚合酶转录因子及其功能,原核生物中的终止因子蛋白是一种六聚体的蛋白质，亚基的分子量为50kd。该蛋白因子能识别转录终止信号，并与RNA紧密结合，导致RNA的释放。,三、终止因子,第三节 RNA转录合

29、成的过程,Section 3 The Process of RNA Biosynthesis,（一）转录起始,转录起始需解决两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。,一、原核生物的转录过程,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。DNA分子上参与转录调控的序列统称为顺式作用元件（cis-acting element）。,1.模板与酶的辨认识别：,原核生物转录起始时，首先由RNA聚合酶中的因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。位于基因

30、上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA调控序列被称为启动子（promoter)。启动子序列通常由一些带共性的保守序列构成。,原核生物启动子的保守序列,原核生物转录起始区的一致性序列,被RNA聚合酶辨认的区段就是位于转录起始点-35区的TTGACA序列。酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列（Pribnow盒），并启动转录。,RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合,DNA局部双链解开。,RNA聚合酶全酶(2)与模板结合。,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。,RNApol(2)-DNA-pppGpN-OH 3,转录起始复合物:,5-pppG-OH

31、+NTP 5-pppGpN-OH 3+ppi,2.转录起始过程：,因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。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。,（二）转录延长,(NMP)n+NTP(NMP)n+1+PPi,RNA转录的延长,转录空泡(transcription bubble)的形成,原核生物转录过程中的羽毛状现象,RNA转录合成的终止机制有两种：1依赖Rho因子的转录终止：由终止因子(因子)识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。,（三）转录终止,ATP

32、,依赖 Rho因子的转录终止,2非依赖Rho的转录终止：模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,5UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,RNA,5TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT.3,DNA,5U

33、UGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU.3,茎环(stem-loop)/发夹(hairpin)结构,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。,二、真核生物的转录过程,1.转录起始的上游区段：真核生物的转录起始点上游-25bp区也存在一段富含TA的顺序，被称为Hogness盒或TATA盒，通常认为是启动子的核心序列。除此之外，在真核生物中还可见到其他带共性的序列，如CAAT盒及GC盒等。在远离受控基因的调控序列称为增强子。,（一）转录起始,真核生物启动子保守序列,真核生物

34、转录起始时，首先由TFD的TBP亚基识别并结合TATA盒，然后在其他转录因子的配合下，与RNA聚合酶组装形成转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC)。,2.转录起始过程：,RNA聚合酶催化第一个磷酸二酯键形成。RNA聚合酶的羧基末端结构域（CTD）被磷酸化修饰，大部分转录因子脱离，聚合酶向下游移动延伸RNA链。,（二）转录延长,真核生物转录延长过程与原核生物类似，但由于存在核小体的高级结构，故在转录延长过程中可观察到核小体移位和解聚现象。,（三）转录终止,真核生物转录终止与转录后修饰，即poly A尾巴结构的添加密切相关。在poly A修饰位点的下游存在一组共同

35、序列AATAAA和GTGTGT，为转录终止的识别修饰位点。在转录越过修饰点后，RNA链在修饰点处被切断，随即进行加帽和加尾修饰。,真核生物RNA的转录终止,5-AAUAAA-,5-AAUAAA-,核酸酶,-GUGUGUG,RNA-pol,AATAAA GTGTGTG,转录终止的修饰点,5,5,3,3,3加尾,AAAAAAA 3 mRNA,第四节 真核生物的转录后修饰,Section 4 Post-transcriptional Modification in Eukaryote,1加帽(adding cap)：即在mRNA的5-端加上m7GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即HnRNA即可进行

36、加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。,一、真核生物mRNA的转录后加工,（一）首、尾的修饰,帽子结构的生成,2加尾(adding tail)：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3-端一些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。polyA结构与mRNA的半寿期有关。,（二）mRNA的剪接（splicing),鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图,mRNA,DNA,1.断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除

37、非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,外显子(exon)和内含子(intron),外显子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。(结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序)内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。(不能指导多肽链合成的非编码顺序)。,内含子的分类,根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含子分为4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

38、及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。,核内带有外显子和内含子编码序列的初级RNA转录产物称为杂化核RNA(hetero-nuclear RNA,hnRNA)。hnRNA经剪接加工除去内含子编码序列并将外显子编码序列连接起来才能形成成熟的mRNA。,2.hnRNA和snRNA：,snRNA为核内小RNA，富含尿嘧啶，故以U作分类和命名，如U1、U2等。snRNA与核内蛋白质组装形成小核蛋白体（snRNP），参与hnRNA的剪接加工。,3.hnRNA的剪接过程：,snRNP与hnRNA结合成为剪接体。,剪接体结构调整，U2和U6形成催化中心，发生转酯反应。,pG-OH(ppG-OH,

39、pppG-OH),剪接过程的二次转酯反应,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,RNA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，因此也称为分化加工(differential RNA processing)。,4.mRNA的编辑(mRNA editing),二、tRNA的转录后加工,主要有以下几种加工方式：切断。剪接。3-末端-CCA序列添加。化学修饰。,tRNA前体,RNA pol,tRNA前体的转录合成,tRNA前体的切断和剪接加工,tRNA3-末端-CCA序列的添加,tRNA的碱基修饰,三、rRNA

40、的转录后加工,rRNA前体的转录和剪接加工,四、核酶,具有催化活性的RNA称为核酶。,核酶(ribozyme),四膜虫rRNA内含子的二级结构,四膜虫rRNA的剪接采用自身剪接方式,5-端核苷酸序列,四膜虫前rRNA的自身剪接过程,最简单的核酶二级结构槌头状结构,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分；催化部份和底物部份组成锤头结构。,核酶研究的意义,核酶的发现，对中心法则作了重要补充；核酶的发现是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶。,第三部分 蛋白质的生物合成（翻译）,蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体转译为蛋白质中

41、氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。,第一节 蛋白质合成体系,Section 1 Protein Biosynthesis System,20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、EF、RF 供能物质（ATP、GTP）、无机离子,参与蛋白质生物合成的物质,三种RNAmRNA（messenger RNA,信使RNA）rRNA（ribosomal RNA,核蛋白体RNA）tRNA（transfer RNA,转移RNA）,一、mRNA模板及遗传密码,mRNA是翻译的直接模板,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

42、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(single cistron)。,多顺反子与单顺反子,mRNA上的遗传密码,作为指导蛋白质生物合成的模板，mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码(codon)。共有64种不同的密码。其中：,起始密码(initiation codon):AUG终止密码(termination codon):UAA，UAG，UGA,标准的通用遗传密码表,从mRNA 5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

43、体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框(open reading frame,ORF)。,遗传密码具有以下特点：连续性；简并性；通用性；方向性；摆动性。,1.连续性(commaless),遗传密码的特点：,指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。,遗传密码的连续性,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(frameshift mutation)。,2.简并性(degeneracy),遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为

44、遗传密码的简并性。遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。,遗传密码的简并性,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、植物细胞的叶绿体等。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,4.方向性(direction)：,指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿53方向进行。,5.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上的遗传密码反平行配对结合，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。,密码子与反密码子的摆动配对,U,摆动配对现象示意图,核蛋白体

45、是多肽链合成的场所，是由多种rRNA与蛋白质组装形成的复合体。,三、rRNA和核蛋白体,原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和34种蛋白质构成。,真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和约50种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。,核蛋白体的组成,大肠杆菌核蛋白体的空间结构为一椭圆球体，其30S亚基呈哑铃状，50S亚基带有三角，中间凹陷形成空穴，将30S小亚

46、基抱住，两亚基的结合面为蛋白质生物合成的场所。,1与模板mRNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关。2三个不同的tRNA结合位点：A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。,核蛋白体大、小亚基的功能：,3.转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键；由大亚基成分构成。4.GTPase活性：水解GTP，获得能量；分别由大、小亚基成分构成。5.起动因子、延长因子及释放因子的结

47、合位点：分别由大、小亚基成分构成。,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式,A位：氨基酰位(aminoacyl site),P位：肽酰位(peptidyl site),E位：排出位(exit site),在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多聚核蛋白体（polysome）。,多聚核蛋白体示意图,电镜下的多聚核蛋白体,氨基酸臂,反密码环,三、tRNA与氨基酸的活化,tRNA的三级结构示意图,氨基酸的活化与携带反应由氨基酰tRN

48、A合成酶催化。特定的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而由tRNA携带活化的氨基酸参与蛋白质的生物合成。,（一）氨基酰-tRNA合成酶,tRNA与酶结合的模型,氨基酰tRNA合成酶催化的反应：,氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi,第一步：活化反应,第二步：连接反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proof-reading activity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla Ser-tRNASerMet-tRNAMet,能够

49、识别mRNA中5端起始密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即fMet-tRNAifmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即Met-tRNAimet。在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码AUG。,（二）起始tRNA,与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因子（initiation factor，IF）。原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。IF的作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始tRNA及模板

50、mRNA结合。,四、起始因子（IF）,原核和真核生物中各种起始因子的生物功能,与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延长因子（elongation factor，EF）。原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。EF的作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。,五、延长因子（EF）,多肽链合成的延长因子,与多肽链合成终止并从核蛋白体上释放有关的蛋白因子称为释放因子（release factor，RF）。RF在原核生物中有3种，在真核生物中只有1种。,六、释放因子（RF）,原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3