3基因表达.ppt

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1、基因信息的传递,中心法则（The Central Dogma）,DNA是遗传信息的载体DNA通过复制，将遗传信息代代相传。通过基因表达（转录和翻译），将DNA分子携带的遗传信息 转变为蛋白质分子的氨基酸信息或RNA的信息，从而表现出 生物体的各种遗传性状。RNA参与遗传信息的表达过程。RNA也可作为遗传信息的载体。以RNA携带遗传信息的病毒可以RNA为模板逆转录合成DNA。,DNA的生物合成（复制replication）,由亲代DNA合成两个相同子代DNA的过程,复制,DNA双螺旋结构碱基配对规律,DNA复制的基本特性半保留性(Semi-Conservative)双向复制半不连续性(Semi-

2、discontinuous)领头链(leading strand)-连续合成 随从链(Lagging Strand)-不连续,生成冈崎片段(Okazaki fragment),DNA复制的方式半保留复制(Semiconservative Replication),DNA复制时，亲代DNA双链解开，每股单链作为模板，以四种dNTP为原料，按碱基互补原则，由DNA聚合酶催化合成与模板互补的新链，新合成的两个子代DNA分子与亲代DNA分子碱基序列完全相同，且其中一股单链来自亲代DNA，另一股单链是新合成的。这种复制方式称为半保留复制。按半保留复制方式，子代保留了亲代DNA的全部遗传信息，体现了遗传的

3、保守性。是物种稳定的分子基础，但是相对的，不是绝对的。,ori,双向复制 复制是在DNA分子的特定位点开始，称为复制起始点ori 原核生物的DNA只有一个复制起点 真核生物染色体DNA有多个复制起始点 复制是从一个起始点开始，同时向两个方向进行,领头链(leading strand)顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行 的，得到一条连续的子链。,半不连续性复制,随从链(lagging strand)复制方向与解链方向相反，须等解开足够长度的模板链才能继续复制，得到的子链由不连续的片段所组成。,冈崎片段(Okazaki fragment),DNA复制体系,复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程,需

4、要多种物质的共同参与:底物：即dATP、dGTP、dCTP和dTTP，总称dNTP聚合酶(polymerase)：DNA-pol，从5-3方向延伸与模板 互补的子代链模板（template）：指解开成单链的DNA母链引物（primer）：提供3-OH 末端，使dNTP可以依次聚合其他酶和蛋白质因子,复制的化学反应核苷酸和核苷酸之间通过磷酸二酯键连接。方向53,DNA聚合酶(依赖DNA的DNA聚合酶),原核生物的DNA聚合酶大肠杆菌(E.coli)有DNA-pol、DNA-pol、DNA-pol 三种:=400:40:20,DNA-pol:单一肽链,对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空

5、隙进行填补。DNA-pol：是E.coli的复制酶，在复制延长中真正起聚合新链作用的DNA聚合酶。由10种亚基组成的不对称二聚体3 5 外切酶活性5 3 聚合酶活性,DNA-pol,真核生物的DNA聚合酶,真核生物DNA聚合酶已发现5种,分别称为DNA-pol、。DNA-pol 和 都是复制延长中起催化作用；DNA-pol 与原核生物的DNA-pol 相似，在复制中起校读、修复和填补缺口作用；DNA-pol 无其他DNA-pol时起作用；DNA-pol催化线粒体DNA合成。,聚合反应机理：,依赖于引物和模板 催化核苷酸聚合有方向性：5 3,DNA复制的保真性依赖于(1)遵守严格的碱基配对规律(

6、2)聚合酶在复制延长中对碱基 的选择功能(3)复制出现错误时有即时校读 功能,*参加DNA复制的主要酶和蛋白质DNA聚合酶(DNA Polymerase)：从5-3方向延伸与模板互补的子代链.引物酶(Primase)：与其他多种蛋白组成多蛋白复合体-引发体，催化RNA引物合成和复制起始.DNA连接酶(DNA Ligase)：催化一个双链DNA的5磷酸与另一双链DNA的3-OH形成磷酸二酯键.DNA解链酶、拓扑异构酶：打开DNA双链，复制中的解旋,防止母链与新链的打结、缠绕；SSB：维持模板处于单链状态,避免重新形成双链;保护单链完整性,防止被核酸酶水解；端粒酶(Telomerase),DNA生

7、物合成过程,起始 延长 终止,终止阶段,E.coli（环状染色体）的两个复制叉的汇合点就是复制的终点（termination,Ter），一般位于环形染色体和Oric相对处。也有特异的终止区序列，复制终止时，RNA引物被polI切除，并延长填补空缺，DNA连接酶连接二个DNA片段，形成完整的DNA链。真核DNA复制的同时,组蛋白、非组蛋白同时合成,复制完成后,装配成核小体,进一步组成染色体。,DNA ligase,DNA polymerase,DNA polymerase I in prokaryotesRNAse H in eukaryotes,切除引物,填补空隙,连接,DNA polymer

8、ase,DNA ligase,真核生物DNA复制的特点,真核染色质DNA结构庞大，DNA复制有多个起始点，通过许多独立复制子完成。每个复制子有固定复制起点，双向复制。真核细胞DNA聚合速度比原核DNA-pol慢，随后链也是不连续合成，冈崎片段比原核细胞的短，只有数百个核苷酸。真核生物DNA聚合酶有DNA-pol、。DNA-pol 和 都是复制延长中起催化作用。还需其它因子参与，如复制因子，增殖细胞核抗原等。真核DNA复制的同时,组蛋白、非组蛋白同时合成,复制完成后,装配成核小体,进一步组成染色体。,真核生物线状染色体复制终止,222222,端粒与端粒酶 端粒(telomere)是位于真核细胞线

9、性 染色体末端的特殊结构,由一段串联 重复的富含T、G的DNA短序列与端粒结合蛋白构成；端粒具有稳定染色体，防止末端降解和融合的功能；并维持 DNA复制的完整性。端粒DNA序列在进化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相 似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人类的重复序列为 TTAGGG，长约15kb；端粒平均长度随细胞分裂次数的增多及年龄的增长而变短,端粒DNA逐渐变短而消失,可导致染色体稳定性下降，细胞随 之衰老。,荧光原位杂交显示的端粒（上）和端粒序列（下）,端粒酶(telomerase)由RNA和蛋白质构成的一种核糖核蛋白复合体，RNA分子含复制端粒DNA所需的核苷酸模板，其蛋白质部

10、分具有逆转录酶活性。能以自身的RNA为模板逆转录合成端粒DNA，维持端粒的长度。人类端粒酶含三部分：端粒酶RNA(Human telomerase RNA,hTR)、端粒酶协同蛋白(Human telomerase associated protein1,hTP1)、端粒酶逆转录酶(Human telomerase reverse transcriptase,hTRT).除骨髓干细胞、胚胎原始干细胞等细胞外,大多数正常人体细胞检测不到端粒酶活性。恶性肿瘤细胞中,85%90%端粒酶强阳性。端粒酶可作为肿瘤标志和肿瘤治疗靶点.,人类和各种生物细胞的遗传物质是相对稳定的，在一定的内外环境影响下可以发

11、生变化，DNA分子碱基的改变，即遗传物质结构的改变引起遗传信息的改变，称之为突变（mutation）,基因的突变与各种疾病的发生有密切的关系。,DNA的损伤与修复,一 基因突变/DAN损伤的基本概念,DNA分子在结构上发生碱基对或排列顺序的改变，并导致遗传信息和表型的改变。自发突变（spontaneous mutation）-在自然条件下，由于复制错误、DNA链中碱基的改变（如胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤的脱氨基）和丢失、以及正常代谢产生的氧自由基等对DNA造成的损伤或突变等。每一个碱基的突变率为10-910-10。诱发突变（induced mutation）-使用突变剂（即可以诱导DNA突变的物理

12、，化学及生物学因素）处理生物体所产生的突变称之为诱发突变，其突变率比前者高千倍以上。基因组DNA以外的突变-线粒体DNA突变。,二聚体的形成,影响了DNA的双螺旋结构,使复制和转录受阻,二引发突变的因素1.物理因素-紫外线，电离辐射和X射 线等。如紫外线可以引起DNA分子中相邻的两个嘧啶碱共价相连而形成二聚体，另外也可以造成DNA双链交联或单链断裂2.化学因素如羟胺，烷化剂，亚硝酸盐和碱基类似物等3生物因素-病毒感染，以及细菌和真菌毒素等,化学诱变剂(许多为致癌剂)化工产品、工业排放物、食品防腐剂、添加剂、农药、汽车排放的废气等；致突变化合物6万多种。,三、基因突变的分类,1.点突变（poin

13、t mutation）：单个碱基的置换导致一个密码子的改变和一个氨基酸的改变。2.碱基的缺失（deletion）和插入（insertion）突变：缺失/插入突变往往对密码子造成影响：移码突变 3.重排：基因组DNA分子内大片段交换，可以发生在同一染色体DNA中，也可以在不同染色体之间发生交换。4.动态突变（dynamic mutation）:是串连的三个核苷酸重复扩展造成的。而且串连的三核 苷酸重复的拷贝数可随世代的递增而呈现累加效应。多种遗传病与该突变有关。（表）,点突变:DNA分子上一个碱基的变异。转换:嘌呤 嘌呤 嘧啶 嘧啶 颠换:嘌呤 嘧啶,四 基因突变的后果,1 突变与生物进化：突变

14、加上自然选择导致物种的多样化2 突变与遗传病 对于高等生物，从医学的角度看突变害大于利，人类有8000多种疾病与突变有关。所有遗传病都是由基因突变引起的，而且主要是由点突变引起的。基因突变可以导致蛋白质结构或表达量的改变，直接引起机体的功能障碍。例如，血红蛋白S导致镰刀红细胞贫血；苯丙氨酸羟化酶（PAH）基因突变导致该酶不表达或活性丧失，导致苯丙酮酸尿症；酪氨酸酶基因突变失活导致白化病等。3 突变与细胞癌变 目前认为肿瘤的发生是一个多因素诱导、多基因突变的多阶段过程。与肿瘤的发生和发展密切相关的基因主要有两类，即癌基因和抑癌基因。在物理化学和生物学因素的作用下，癌基因的突变使癌蛋白的活性持续增

15、加，导致细胞的过度增值和癌变。同样，抑癌基因的突变使抑癌基因失活，也可导致细胞的过度增值和癌变。,修复是指针对已发生的缺陷进行补救的机制。基因组DNA是相对稳定的，每天在内外环境因素的作用下都发生大量的损伤(每个细胞24小时内可发生1万次以上的DNA损伤），如果这些损伤得不到及时的修复可以造成各种各样的基因突变，引起各种疾病和过早衰老。但是生物体内存在强大的修复机制，可以对绝大部分突变加以修复。E.coli中30以上的基因参与DNA损伤的修复，人体中也有1万多种基因参与DNA损伤的修复。,DNA损伤的修复,1。光复活修复需要光复活酶或光裂解酶需要300600nm波长的光提供能量，使嘧啶二聚体裂

16、解变成正常嘧啶碱,切除修复时,首先UvrA、UvrB、UvrC（核酸内切酶）辨认、结合并切断受损伤的DNA；解旋酶（UvrD）协助切除损伤的DNA片断。DNA-pol以dNTP为原料，按照模板（正常的 DNA链）正确配对，沿53方向填补空隙；连接酶催化缺口3-OH与5-P形成磷酸二酯键,损伤DNA分子被修复。,2。切除修复（excision repair）：是DNA损伤的主要修复机制,着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP）是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。在研究其发病机制时，发现一些相关的基因，称为XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物与Uvr类蛋白有同源序列，

17、也是起辨认和切除损伤DNA作用的。XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外线照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。,3.重组修复,DNA损伤范围大，来不及修复就进入复制过程，损伤部位不能指导子链合成,子链出现缺口；重组蛋白RecA将另一股健康母链相应部位与缺口部分进行交换，以填补缺口；在DNA聚合酶、连接酶作用下,可以补平健康母链,而损伤仍留在已复制完成的双链上。对损伤部位进行切除修复，或通过不断复制使损伤DNA链所占比例不断减低。,4.SOS修复 当DNA损伤广泛难以继续复制时，应急而诱发产生的一系列复杂的修复反应。激活多种参与应激修复的酶和蛋白质因子。在E.coli，各种与修复有关的基

18、因，包括LexA、rec类、uvr类等组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。这种修复为应急性修复方式，特异性低，对碱基的识别、选择能力差，错配高。通过SOS修复，复制如能继续，细胞可存活。然而DNA保留的错误较多，会引起较广泛、长期的突变。,逆转录一.逆转录病毒和逆转录酶 逆转录(reverse transcription)以RNA为模板合成与其互补的DNA的过程。逆转录酶(依赖RNA的DNA聚合酶)1.RNA指导的DNA聚合酶活性 2.RNA水解酶活性 3.DNA指导的DNA聚合酶活性,RNA病毒经逆转录成为双链DNA，能整合入宿主细胞基因组，并随宿主细胞复制和表达,可能使宿

19、主细胞发生癌变。,转录,RNA的生物合成,b,RNA的分子结构 AMP,GMP,CMP,UMP 稀有碱基 单链，局部双螺旋,U,U,U,U,U,U,U,U,1.mRNA的结构与功能,编码区,非编码区,3.编码区每三个核苷酸组成一个三联体密码子，编码一个氨基酸。,AUG,GUG,帽子结构,（蛋白质合成的直接模板）,2.tRNA的结构与功能,3.rRNA的结构与功能,rRNA的结构,rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所,RNA的生物合成 在生物体内通过酶促聚合反应合成RNA分子的过程。DNA为模板DNA指导的RNA合成，即转录；RNA为模板RNA的复制，仅见于某些RNA病毒基因

20、组的复制。,一.,2.真核生物的RNA聚合酶,I II III Mt,细胞内定位 核仁 核质 核质 线粒体转录产物 45S-rRNA hnRNA 5S rRNA 线粒体RNA U1-5snRNA tRNA,U6snRNA对鹅膏蕈碱 不敏感 敏感 中等敏感 不敏感的反应,RNA聚合酶结合模板DNA的部位称为启动子,RNA链的合成沿5 3方向进行。,真核生物RNA聚合酶与模板DNA的结合需一系列转录因子(TF)的参与，形成转录起始前复合物(pre-initiation complex,PIC),TATA,TFII D,TFII A TFII B,RNA-pol II/TFIIF,TFII E,PI

21、C,参与RNApol II 转录的TFII,真核生物转录后修饰,（真核生物）,*碱基修饰:甲基化等,拼接体,（外显子）,（内含子）,外显子（exon）真核生物结构基因中为蛋白质编码的可转录序列。内含子（intron）真核生物结构基因中不为蛋白质编码的可转录序列。,AaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaAaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa,甲基化修饰,蛋白质的生物合成（翻译）,蛋白质生物合成的概念 DNA基因中储存的遗传信息，通过转录成为携带遗传信息的mRNA，mRNA作为合成各种多肽链

22、的模板，指导合成特定氨基酸排列顺序的蛋白质；tRNA是运载各种氨基酸的工具；rRNA和多种蛋白质构成核蛋白体,作为氨基酸缩合成多肽链的装配场所。蛋白质的生物合成又称翻译 核酸(A,G,C,T/U)遗传信息蛋白质分子(20种AA排列顺序)DNA mRNA Protein 遗传信息 翻译的直接模板基因表达产物,参与蛋白质生物合成的物质,合成蛋白质的原料 AA(amino acid)蛋白质装配场所 核蛋白体(rRNA和蛋白质组成)合成蛋白质的模板 mRNA原料运载体 tRNA参加的蛋白质因子 IF/eIF、EF、RF、RR 起始因子(initiation factors,IF),真核生物(eukar

23、yote)称为eIF。延长因子(elongation factors,EF),原核和真核生物有不同的EF。释放因子(release factor,RF)以及核蛋白体释放因子(ribosomal release factors,RR)。,mRNA是翻译的直接模板,在各种RNA中,mRNA 的寿命(以半衰期表示)最短,是非常活跃的大分子物质。从mRNA 53方向起始密码子AUG到终止密码子，每3个碱基组成一个三联体密码子，编码一个氨基酸。起始密码子AUG，终止密码子UAA、UAG、UGA；AUG兼有起始密码子和甲酰甲硫氨酸或甲硫氨酸密码子的功能。,遗传密码的特点:1.连续性：遗传密码是无逗点密码,

24、密码的三联体不间断按照3个一组连续读下去。mRNA链上碱基的插入或缺失,可造成框移突变。,AUG-Met GCC-Ala AGA-Arg GGA-Gly CAC-His UCU-Ser AUGCACUGUACC,UGU UGC UGA UGG ACU ACC ACA ACG,Val,Thr,2.简并性：多种密码子编码一种氨基酸的现象。遗传密码中,色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子,其余氨基酸有2,3,4个或多至6个密码子为其编码。三联体上1、2位碱基大多是相同的,只是第3位不同。例如ACU,ACC,ACA,ACG都是苏氨酸的密码子,UGU,UGC,UGA,UGG都是缬氨酸的密码子。这些密码子第三位

25、碱基如出现了点突变,并不影响所翻译出的氨基酸种类。,3.摆动性 mRNA密码子与tRNA分子上的反密码子间通过碱基配对正确识别，是遗传信息准确传递的保证。密码第三位碱基与反密码第一位碱基不严格遵守A-T、G-C的配对规则，只形成松散的氢键，称为遗传密码配对的摆动性。,tRNA的作用是携带并转运特异氨基酸,由于tRNA的特定结构，可携带酶促结合的特异氨基酸，并能识别相应的密码子，在翻译中起到核酸和氨基酸接合体作用。tRNA分子上3端共有的CCA序列是结合氨基酸部位，反密码环含有对不同氨基酸特异的反密码子，可特异识别mRNA分子上的密码子序列。,核蛋白体是肽链合成的场所,核蛋白体分为两类 附着于粗

26、面内质网，参与分泌蛋白质合成 游离于细胞质，参与固有蛋白质合成核蛋白体由大、小亚基构成,每个亚基又含不同的蛋白质和rRNA,原核和真核生物各有不同。核蛋白体的组成核蛋白体 大、小亚基 rRNAs Proteins细 菌 70S 66%RNA 50S（大）23S、5S 31种 30S（小）16S 21种哺乳动物 80S 60%RNA 60S（大）283S、5S、5.8S 49种 40S（小）18S 33种,蛋白质的生物合成过程,翻译过程从读码框架的5-AUG开始,按mRNA模板三联体的顺序延长肽链,直至终止密码出现。翻译过程分起始、延长、终止阶段。蛋白质合成后还需要加工修饰。合成方向:mRNA

27、5 3 蛋白质 N 端 C 端,终止,多聚核糖体 蛋白质生物合成过程中，在一条mRNA 链上，常有多个核糖体呈串珠状排列。每个核糖体之间约有5-15nm距离，估算在mRNA上的每80个核苷酸即附有一个核糖体。,肽链合成后的加工,肽链从核蛋白体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质，称为翻译后的加工。包括多肽链的折叠、高级结构的修饰、一级结构的修饰和靶向输送等。,一、高级结构的修饰,1.亚基聚合 具有四级结构的蛋白质各亚基分别合成，再聚合成四级结构。2.辅基连接 细胞内多种结合蛋白如脂蛋白、色蛋白、核蛋白、糖蛋白等，合成后需要和相应辅基结合。如血红蛋白结合血红素、核蛋白结合核

28、酸。糖蛋白的多肽合成后，可在内质网、高尔基体等部位添加糖链。,二.一级结构的修饰,1.去除N-甲酰基或N-蛋氨酸 多肽链延长到一定程度，脱甲酰基酶或甲硫氨酸氨基肽酶切去起始N-甲酰基或N端甲硫氨酸，暴露肽链真正的N端氨基酸残基。2.氨基酸残基的化学修饰 C 末端、N末端修饰，羟基化、甲基化、羟甲基化，糖基化、脂肪酸基修饰。如：脯氨酸、赖氨酸残基羟基化生成羟脯氨酸、羟赖氨酸。酶的活性中心上含-OH基团的磷酸化，如丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸。多肽链内或肽链之间的二硫键的形成。3.多肽链的剪接修饰 胰岛素、甲状旁腺素、生长素等蛋白激素初合成时是无活性的前体，经水解剪去部分肽段而成熟，各种分泌蛋白成熟都有

29、肽链剪切过程。,三、蛋白质合成后的靶向输送 蛋白质合成后，定向地到达其执行功能的目标地点，称为靶向输送或分拣。蛋白质去向：1.保留在胞浆2.进入细胞核、线粒体等细胞器3.分泌至体液,输送至该蛋白质的靶细胞4.插入生物膜,蛋白质生物合成与医学的关系一、抗生素 1.四环素 2.氯霉素 3.链霉素 4.嘌呤霉素 5.放线菌酮二、干扰蛋白质生物合成 的生物活性物质 1.白喉毒素 2.干扰素,白喉杆菌产生的白喉毒素是一种对真核生物有剧毒的毒素蛋白质,是一种修饰酶,可对eEF-2起共价修饰作用,生成eEF-2的腺苷二磷酸核糖衍生物(NAD+),使eEF-2失活。极低剂量毒素即发生效应,与酶的高效催化性能有

30、关。,白喉毒素作用,干扰素,干扰素(interferon,IF)：真核生物细胞感染病毒后分泌的具有抗病毒作用的蛋白质。干扰素分为、三型,各型又有亚型。干扰素对病毒的作用:1.在双链RNA(例如RNA病毒)存在下,干扰素诱导一种蛋白激酶,该酶能磷酸化eIF2,抑制病毒蛋白质的生物合成;2.干扰素诱导生成寡核苷酸2-5A,2-5A能活化一种核酸内切酶（RNase L）,RNase L可降解病毒mRNA，阻断病毒蛋白质的合成。,干扰素诱导的蛋白激酶,干扰素作用,Phosphorylation of eIF2 induced by interferon,Interferon,干扰素诱导的病毒RNA的降解,