《医学细胞生物学》基因信息的传递与蛋白质合成.ppt

医学细胞生物学Medical Cell Biology,cell Biology,cell Biology,第九章 基因信息的传递与蛋白质合成,遗传物质的发现,1928年Frederick Griffith 转化实验,cell Biology,cell Biology,1952年，Hershey和Chase 噬菌体感染实验,cell Biology,RNA也是遗传物质,1956年A.Gierer和G.Schraman发现烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV），其遗传物质是RNA。,烟草花叶病毒(TMV)是一种RNA病毒，不含DNA，它有一个圆筒状的蛋白质外壳，由2130个相同的亚基组成，内有一条RNA分子，沿着内壁在蛋白质亚基之间盘旋。,cell Biology,RNA是遗传物质,1957年美国的Heinz Fraenkel-Conrat和B.Singre用重建实验证实了RNA是遗传物质,cell Biology,cell Biology,第一节 基因及其结构,基因是DNA分子中一段具有生物功能的核苷酸序列，控制着生物某一特定的性状。,一、基因及其信息流向,cell Biology,基因组：是指细胞或生物体的一套完整的单倍体遗传物质，是所有染色体上全部基因和基因间的DNA的总和，它含有一个生物体进行各种生命活动所需要的全部遗传信息。,蛋白质是生命活动的执行者！,cell Biology,中心法则：遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的流动。,中心法则包括：1、DNA的复制 2、RNA的转录 3、蛋白质的翻译此外，逆转录和RNA复制是对中心法则的补充。,cell Biology,二、基因的结构及其特点,（一）原核细胞的基因结构,启动子：位于结构基因上游的一段DNA序列，它 是RNA聚合酶识别和结合的部位，可以 控制在同一条DNA上紧密连接的一个或 几个基因的转录。,转录起始点：DNA模板链上开始进行转录作用的位点，以“+1”标识。从起始点开始顺着转录方向的区域称为下游，用+标识；从起始点开始逆着转录方向的区域称为上游，用-标识。,cell Biology,识别部位：-35区（TATA盒）,结合部位：-10区（Pribnow盒）,cell Biology,cell Biology,（二）真核细胞的基因结构,真核细胞的基因序列由编码区和非编码区组成。内含子：基因内部能够被转录，但不能指导蛋白 质生物合成的非编码序列；外显子：基因内部能够被转录，并指导蛋白质生 物合成的编码序列；,cell Biology,cell Biology,GT-AG法则：在内含子的5端多以GT开始，3端 多以AG结束。这是普遍存在于真核 细胞基因RNA剪接的识别信号。,cell Biology,真核生物启动子：TATA盒（-25-35bp）CAAT盒（-70-80bp）GC盒（-80-110bp）,cell Biology,终止子：存在于基因末端具有转录终止功能的特定 序列，转录后形成发夹结构，使RNA聚合 酶从模板上脱离，终止转录。,cell Biology,真核细胞和原核细胞mRNA的区别,cell Biology,基因家族,基因家族是真核细胞基因组中来源相同、结构相似、功能相关的一组基因，是由一个祖先基因经重复和变异形成的。按照在基因组中的分布不同，基因家族可分为两类：1、基因簇基因家族成员成簇存在，串联排列于染色体区段上；2、基因家族成员分散存在，广泛分布于整个染色体，甚至不同染色体上。,cell Biology,组蛋白基因簇,cell Biology,人血红蛋白亚基,cell Biology,假基因：在基因家族中，有些成员不能产生有功能 的基因产物，称为假基因。假基因或是不能转录，或是转录后生成无功能的基因产物。但他们在核苷酸序列上与有功能的基因相似，可能来源于同一祖先基因。,cell Biology,单一序列：在真核细胞基因组中编码蛋白质的基因 一般只有一个或几个拷贝，这称为单一 序列；,中序重复序列：有相对较短的序列组成，重复次数 在101000之间。与基因调控有关。,高度重复序列：由基因组中非常短的序列组成，重 复次数在几千次以上。,真核基因组中含有大量的DNA重复序列：,cell Biology,第二节 基因的转录和转录后加工,一、基因转录的一般特点,cell Biology,在双链DNA中，作为转录模板的链称为模板链或反义链，即与mRNA互补的DNA链；与模板链互补的另一条链称为编码链或有意链，该链与转录产物的序列相同。,模板链并非总在同一单链上。,cell Biology,不对称转录：在DNA双链的某一区段，以其中一条单链为模板，而在另一区段，以其相对应的互补链为模板。这种DNA链的选择性转录也称为不对称转录。,RNA的合成方向是53，并且在RNA合成中不需要引物。,cell Biology,二、原核细胞的基因转录,cell Biology,原核细胞基因转录的基本过程分为三个阶段：1、转录的起始阶段 RNA聚合酶的亚基识别基因上游的启动子，使全酶与启动子结合形成复合物。开始合成RNA，当RNA链延长到89个核苷酸后，亚基从全酶上解离出来，转录起始完成。,cell Biology,2、转录的延长阶段,核心酶沿模板链35方向移动，使RNA链以53方向不断延长。,cell Biology,cell Biology,3、转录的终止阶段,原核细胞中转录终止有两种形式：（1）因子依赖性终 止：因子在转 录终止点与RNA 聚合酶结合，使 RNA链脱离；,cell Biology,（2）因子非依赖性终止：由新合成RNA链形 成局部发夹结构，使RNA聚合酶不再向下 移动，磷酸二酯键停止形成，RNA从模板 上脱离。,cell Biology,4、转录后加工,cell Biology,三、真核细胞的基因转录和转录后加工,cell Biology,真核细胞中含有多种RNA聚合酶。,cell Biology,真核细胞中mRNA是RNA中唯一具有编码蛋白质功能的RNA分子，其前体是在RNA聚合酶催化下转录形成的不均一核RNA（hnRNA），hnRNA经过剪切修饰称为成熟的mRNA。,1、真核细胞mRNA的转录及其转录后加工,cell Biology,真核细胞中的转录因子,cell Biology,真核细胞mRNA转录的起始,cell Biology,真核细胞mRNA的剪接修饰：包括5加帽、3加尾、剪接。,cell Biology,5加帽,在mRNA前体5端的第一个核苷酸上以5-5焦磷酸键连上一个三磷酸鸟嘌呤。并使鸟嘌呤7位氮原子甲基化，形成7-甲基鸟嘌呤三磷酸的帽子结构，同时在原来第一个核苷酸的2-O也进行甲基化。,cell Biology,甲基转移酶,鸟嘌呤核苷酸转移酶,cell Biology,5加帽的作用：1、封闭mRNA 5端，使其不能再加接核苷酸，同 时也防止转运时被核酸酶水解，增强mRNA的 稳定性；2、帽子结构能被核糖体小亚基识别，有利于mRNA 最初翻译的准确性。,3加尾（polyA）,在腺苷酸聚合酶的作用下，mRNA前体3端加上由200250个腺苷酸组成的多聚腺苷酸（poly-A）尾巴。功能：1、稳定mRNA 3端，防止被核酸酶水解；2、有利于mRNA由核到细胞质的运输。,cell Biology,mRNA的剪接,剪接就是将RNA前体分子中内含子切除，将外显子拼接的过程。完成hnRNA剪接需要三个必须的序列：5GU序列 3AG序列 分支点,mRNA前体的剪接是通过剪接体完成的。剪接体大小为60S，有数种小分子细胞核糖核蛋白颗粒（snRNP）组成。snRNP有snRNA和蛋白质组成。snRNA有U1、U2、U3、U4、U5和U6，其中U6有RNA聚合酶转录，其他均有RNA聚合酶转录。,2、真核细胞rRNA的转录及其转录后加工,cell Biology,每个rRNA基因由3个外显子和2个内含子组成，3个外显子依次编码18S rRNA、5.8S rRNA、28S rRNA的前体序列，共同组成一个转录单位。,cell Biology,rRNA的剪接自身剪接,cell Biology,cell Biology,3、真核细胞tRNA的转录及其转录后加工,在真核细胞中含有多个编码tRNA的基因，它们成簇存在并被间隔区分开，在RNA聚合酶的作用下转录成tRNA前体。,cell Biology,真核细胞tRNA的加工：1、剪接 2、化学修饰 3、3末端加CCA,其中化学修饰包括：甲基化反应、还原反应、核苷内转位反应、脱氨基反应,cell Biology,4、5S rRNA的转录及其转录后加工,cell Biology,第三节 蛋白质的生物合成,mRNA指导蛋白质的合成，这是基因表达的第二步，即翻译。,mRNA翻译的模板，决定蛋白质中的氨基酸顺序；tRNA 运输工具，携带氨基酸准确进入指定位置；rRNA 与多种蛋白质组成核糖体，作为蛋白质合 成的装配机器。,cell Biology,一、遗传信息翻译的基本原理,密码子：在mRNA链上3个相邻的碱基可以决定一 个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体被 称为密码子。遗传密码：mRNA上的碱基排列顺序叫做遗传密码。四种核苷酸可以组成64个三联体密码子。,cell Biology,遗传密码表,cell Biology,遗传密码的特点：,1、通用性2、简并性3、连续性4、方向性,终止密码子：UAA、UAG、UGA起始密码子：AUG,cell Biology,蛋白质合成的接合器tRNA,tRNA既能够识别mRNA上的密码子，又能够携带特定的氨基酸。,cell Biology,tRNA通过其3端的CCA序列上的-OH与活化的氨基酸结合。该过程包括两步反应：1、氨基酸的活化 2、形成氨酰-tRNA 这两步反应均在氨酰tRNA合成酶的催化下进行。,cell Biology,tRNA反密码子环中的反密码子通过碱基互补原则识别mRNA上的密码子。不同的tRNA分子有不同的反密码子。,cell Biology,摆动性：一般来讲，密码子的前两位碱基在和反密码子配对时，遵循正常的碱基互补配对原则，而第三位碱基的配对有一定的灵活性，即反密码子的第三个碱基可与密码子的第三个碱基不配对，这就是密码子和反密码子配对的摆动性。,cell Biology,cell Biology,二、蛋白质合成的场所核糖体,原核细胞和真核细胞核糖体成分的比较,核糖体上存在的活性部位：1、mRNA结合位点 2、P位点 3、A位点 4、转肽酶活性部位 5、参与蛋白质合成的因子的结合部位,cell Biology,E位点：结合空载的tRNA,cell Biology,cell Biology,SD序列：位于原核生物的mRNA 5端起始密码子上游一段富含嘌呤的序列，它能够与30S小亚基上的16S rRNA 3端的富含嘧啶的序列互补结合，从而指导mRNA的起始密码子正确定位在30S小亚基的P位点，又称为核糖体结合位点。,cell Biology,三、蛋白质合成的一般过程,蛋白质生物合成可分为五个阶段，即氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。,1、氨基酸的活化 在氨酰-tRNA合成酶作用下，氨基酸的羧基与tRNA 3末端的CCA-OH缩合成氨酰-tRNA。,2、多肽链合成的起始,具有启动作用的氨酰-tRNA在原核细胞是甲酰甲硫氨酰-tRNA，在真核细胞是甲硫氨酰-tRNA。,3、多肽链的延长核糖体循环,核糖体循环包括进位、成肽、移位三个步骤。延长因子：EF-Tu EF-Ts,4、肽链的终止和释放,原核细胞的释放因子(RF)有三种，RF-1识别UAA和UAG，RF-2识别UAA和UGA，RF-3结合GTP并促进RF-1、RF-2与核糖体的结合。真核细胞的释放因子为eRF1，它可识别3种终止密码子。,肽链合成终止过程包括三个步骤：1、终止密码的辨认2、肽链和mRNA等释出3、核糖体大小亚基解聚,cell Biology,多聚核糖体：多个核糖体结合到一个mRNA分子上，成串排列，形成蛋白质合成的功能单位，称为多聚核糖体。,cell Biology,四、肽链合成后的加工修饰,一级结构的修饰：1、肽链氨基酸的修饰 2、共价修饰 3、多肽链的水解修饰高级结构的修饰：1、亚基聚合 2、多肽折叠 3、辅基连接,cell Biology,真核细胞内蛋白质的降解主要有两种途径：1、溶酶体的吞噬2、依赖泛素-蛋白酶体对蛋白质的降解,cell Biology,第四节 基因表达的调控,基因表达的调控一般表现为正性调控和负性调控，前者使基因表达量增加，后者则是使基因表达量减少。,cell Biology,一、基因表达的一般特点,1、基因表达具有时间性和空间性,时间特异性：按照功能需要，某一特定基因的表达 严格按照一定的时间顺序发生，这称 为基因表达的时间特异性。阶段特异性：多细胞生物从受精卵到组织、器官形 成的各个不同发育阶段，都会有不同 的基因严格按照自己特定的时间顺序 开启或关闭，表现为分化、发育阶段 一致的时间性，也称为阶段特异性。,cell Biology,空间特异性：一种基因产物在个体的不同组织或器 官中表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性。组织特异性：不同组织细胞中不仅表达的基因数量 不相同，而且基因表达的强度和种类 也各不相同，这就是基因表达的组织 特异性。,cell Biology,2、基因表达有组成性表达和可诱导/阻遏表达两种方式,组成性表达是指不太受环境变动而变化的一类基因表达。管家基因是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的。如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因与核糖体蛋白基因等。,cell Biology,诱导/阻遏表达：又称适应性表达，指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。诱导：应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因。阻遏：随环境条件变化而基因的表达水平降低的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。,cell Biology,二、原核基因的表达调控,转录调控是原核生物基因表达调控的关键步骤。原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子由结构基因和表达调控元件组成，是原核细胞中最常见的表达调控单位。原核基因表达调控最典型的代表是大肠杆菌乳糖操纵子调控模式。,cell Biology,大肠杆菌乳糖操纵子含LacZ、LacY和LacA三个结构基因，分别编码-半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵子序列Olac、一个启动子序列Plac及一个调节基因LacI。,cell Biology,代谢物激活蛋白（CAP）,cell Biology,大肠杆菌的乳糖操纵子调控机制包括正、负调控两种方式。,1、阻遏蛋白的负性调控,cell Biology,cell Biology,2、CAP的正性调控,cell Biology,大肠杆菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当大肠杆菌利用葡萄糖功能时，cAMP含量降低；相反，当环境中无葡萄糖可利用时，cAMP的含量增高。,cell Biology,cell Biology,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP的正性调控不能发挥作用；但是如果没有CAP存在来加强转录活性时，即使阻遏蛋白从操纵序列上解离，乳糖操纵子仍然没有转录活性。可见，上述两种机制相辅相成、互相协调、相互制约。当葡萄糖和乳糖共同存在时，细菌会首先利用葡萄糖。,cell Biology,三、真核基因的表达调控,真核细胞基因表达调控可以在转录水平、RNA加工水平、RNA转录水平、RNA转运水平、mRNA的降解水平、翻译水平和蛋白质的活性水平上进行。,cell Biology,1、转录水平的调控,反式作用因子：是指能直接或间接地识别或结合在特异性的DNA（各类顺式作用元件核心序列)上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。顺式作用元件：基因表达调节蛋白（反式作用因子）所识别的DNA序列叫做顺式作用元件。,cell Biology,cell Biology,真核细胞的顺式作用元件分为：启动子、增强子、沉默子。,增强子是一种能增强真核细胞某些启动子功能的调节序列，不具有启动子的功能，但能增强或提高增强子的活性。,cell Biology,真核细胞中的反式作用因子,蛋白质的转录因子可包含的结构域：1、DNA结合域 2、转录激活域 3、连接区,常见的转录因子DNA结合域：锌指结构 螺旋-转角-螺旋 螺旋-环-螺旋 亮氨酸拉链,真核基因表达的调节蛋白，又称转录调节因子或转录因子。,cell Biology,锌指结构,cell Biology,cell Biology,螺旋-转角-螺旋,cell Biology,cell Biology,cell Biology,螺旋-环-螺旋,cell Biology,亮氨酸拉链,cell Biology,cell Biology,cell Biology,cell Biology,本章知识重点：1、名词：基因、基因组、结构基因、调控基因、中心 法则、外显子、内含子、模板链、编码连、不对称 转录、多聚核糖体、顺式作用元件、反式作用因子2、原核细胞和真核细胞基因结构特点3、原核细胞基因转录的过程及其特点4、真核细胞基因转录后加工（mRNA、tRNA、rRNA）5、蛋白质翻译中mRNA、tRNA、rRNA的功能6、蛋白质合成的一般过程7、乳糖操纵子的正负调控,cell Biology,cell Biology,