基因的表达.doc

RNA的种类和功能mRNAtRNA所有tRNA的3端的最后三个核苷酸均为CCA，这是氨基酸的结合部位，称为氨基酸接纳茎，tRNA上的反密码子位于反密码子环内。（分子量最小）rRNA与核糖体蛋白共同组成核糖体，参与蛋白质的合成。主要功能作为蛋白质合成的模板将氨基酸转呈给mRNA核蛋白体的组成部分比例5%（最少）5%-10%占80%以上（最多）二级结构线性单链结构三叶草形：DHU环+反密码子环+TC环+相同的CCA结构花状结构特点5末端有帽子结构3末端有多聚A尾结构带有遗传信息密码含稀有碱基（DHU双氢尿嘧啶、假尿嘧啶）含DHU环、环、反密码子环核蛋白体大、小亚基分布细胞核，细胞质细胞质细胞质起始密码：AUG（mRNA 5端第一个AUG为起始密码，位于中间者为甲流氨酸的密码）终止密码：UAA、UAG、UGA蛋白质的合成体系：模板（mRNA）+原料（氨基酸）+运载体（tRNA）+装配场所（核糖体）+其他（多种蛋白因子和酶）顺反子：编码一个多肽的遗传单位多顺反子：原核细胞中数个结构基因常串联成一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的大白纸。单顺反子：真核细胞一个mRNA只编码一种蛋白质。第六章：基因的表达1.基因表达（遗传信息的表达）：将贮存于基因中的信息转变为具体的RAN分子或蛋白质分子，通过这些生物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能及千差万别的生物性状。2.基因表达是指生物基因组中结构基因锁携带的遗传信息通过转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，从而发挥其特定的生物学功能和效应的全过程。第一节：原核生物基因的转录和翻译是偶联进行的基因表达过程原核生物没有细胞核，所以转录和翻译两个基本过程是发生在同一空间，时间上也没有严格的分开。 转录体系：包括DNA模板，4中NTP、RNA聚合酶、某些蛋白因子和必要的无机离子。复制时，基因组全部DNA均需要复制，但转录时，在庞大的基因组中，按照细胞不同的发育时序，生存条件，只有少部分基因发生转录，而能转录出RNA的DNA片段称为结构基因。 不对称转录的含义：a。在DNA分子双链上，一股连用于模板指引转录，另一股链不转录。b。模板链（有意义链、Watson链）并非总是在一条DNA链上。原核生物基因表达的四个步骤：1 RNA聚合酶全酶结合启动子而形成闭合复合物：RNA全酶与启动子结合形成的复合物称为闭合复合物，是由RNA全酶中的因子识别基因或启动子。因子不能单独与启动子或DNA的其他区域结合，只有与核心酶组成全酶之后，因子的构象发生改变，暴露出DNA结合域。PS：原核生物RNA聚合酶只有一种（RNA-pol），但是含有4种5个亚基：2:2：位于启动子上游，决定哪些基因被转录。与转录的频率有关。：与底物NTP结合，形成磷酸二脂键，延长核苷酸链。：酶与模板结合的主要部位。：辨认起始点（决定在哪开始转录），无催化活性。2亚基称为核心酶参与转录的全过程。，具有催化NTP按模板的指引合成RNA的功能，但合成的RNA没有固定的起始位点，亚基只参与转录的起始。的功能是辨认起始点，2则称为全酶只参与转录的启动。2 闭合复合物转变为开放复合物：在RNA聚合酶的作用下，局部DNA发生构象改变，在转录起始点打开双链（约17个碱基对），展示出DNA模板链，形成开放复合物，此时RNA聚合酶与DNA牢固结合。3 形成开放复合物后，RNA聚合酶仍保持在启动子部位，开始催化RNA合成反应。转录的起始不需要引物。4 RNA聚合酶释放因子，核心酶与离开启动子区，沿DNA移动，进入延伸阶段。RNA聚合酶核心酶进入延伸阶段后，沿着模板链3-5方向滑行，一面使DNA解链，一方面催化NTP按模板连互补的核苷酸序列逐个连接，使RNA按5-3 方向不断延伸（转录的方向也是5-3），转录生成的RNA与DNA模板链暂时形成DNA-RNA杂交体。转录的终止：当RNA聚合酶行进到基因或操控子的终止子（terminator）部位时，由于终止子中有GC富集区组成的反向重复序列，转录生成的RNA可形成发卡结构（hairpin），此结构影响RNA聚合酶的行进，使RNA聚合作用停止。此后，新合成的RNA链首先从DNA模板链上解离出来，继而与核心酶分离，随后核心酶与双链DNA解离，此时的因子又能与核心酶结合，开始下一次转录过程。不依赖因子的终止子有两个特征：一个反向重复序列，使RNA末端形成一个发卡结构。在信息链上有一连串的T，因而RNA末端发卡结构之后进阶这出现一串U，RNA/DNA杂交分子中的U-A碱基结合力较弱，当发卡结构形成时，RNA聚合酶停止移动，RNA链从DNA链上脱落。依赖因子的终止子：当RNA聚合酶移动至终止子部位时，因子与其结合，并发挥ATP酶和解链酶活性，使DNA与RNA分离。茎环结构？原核生物的tRNA和rRNA需要进行转录后加工：mRNA在转录过程结束前就可以作为模板参与蛋白质的生物合成（所以说：原核生物的转录和翻译过程是偶联的）；而tRNA和rRNA则需要进行加工和修饰，才能成为具有生物功能的成熟分子。1. tRNA前体的加工包括剪切、添加和修饰过程：剪切：将多顺反子初级转录产物分离并切除多余序列：初级转录的5端都有一个前导序列（RNaseP负责特异地切除前导序列核苷酸），3端都有一段拖尾序列（参与拖尾序列切除的有RNaseQ、Y、D、BN等）直到切到3端的CCA序列为止。若tRNA中没有这种序列，则切完为止。添加：有些tRNA分子在3端需要修复或添加CCA序列：tRNA3端的CCA序列是tRNA转运氨基酸时必不可少的序列，而添加这一序列是由tRNA核苷酸转移酶催化完成的。修饰：通过某些碱基的化学修饰在tRNA分子中形成稀有碱基：例如假尿嘧啶是由尿嘧啶经化学修饰产生的。2. 成熟rRNA分子是由多顺反子前体经过剪切而成：转录出来的初级rRNA是多顺反子，其中含有16S，23S和5SrRNA前体，tRNA前体以及间隔序列（统称为30SRNA，因为沉降系数是30S）。30SRNA前体被内切核酸酶（RNasep）剪切成16SrRNA前体，23SrRNA前体和5rSrRNA前体以及tRNA前体，最后再内外切核酸酶的作用下，将多种前体的多余核苷酸（原间隔序列）切除，得到成熟的16SRNA，23SRNA和5SrRNA。翻译起始是核糖体与mRNA结合及定位的过程mRNA的功能是携带蛋白质的序列信息，但不是mRNA分子中的所有核苷酸都参与密码子的组成、编码氨基酸。在mRNA的核苷酸序列中，有一段序列是一个特定蛋白质多肽链的序列信息，这一段核苷酸序列从起始密码子开始、到终止密码子结束，称为蛋白质编码区或开放阅读框（open reading frame），此段核苷酸序列决定蛋白质分子的一级结构。在开放阅读框中的5上游和3端下游的核苷酸序列没有编码功能，称为非翻译区（非编码区），其功能主要是参与翻译起始调控，是将开放阅读框中的多肽序列信息转变为多肽链所必须的序列。核糖体是蛋白质合成的场所，tRNA是氨基酸的转运工具，mRNA是翻译的模板。但核糖体本身并不能直接识别和结合mRNA，翻译的起始阶段需要多种起始因子（initiation factor，IF）的辅助作用。原核生物有3种起始因子，即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的 敏感性）。原核生物翻译起始阶段包括以下几个步骤： 核糖体的两个亚基必须处于游离状态：完成一轮蛋白质合成的核糖体在IF-1作用下解离（30S和50S亚基分离），解离后IF-3与30S小亚基结合，能防止大小亚基重新聚合。 SD序列是小亚基与mRNA定位结合的关键：mRNA的起始密码子之所以能与小亚基定位结合，决定于AUG密码子（起始密码子）上游8-13个核苷酸部位，该部位存在4-9个富含AGGAGG的核苷酸一致性序列，该序列称为SD序列。小亚基16S-rRNA3端有富含UCCUCC的短序列，与SD序列配对，使密码子定位与翻译起始部位。SD序列也称为核糖体结合位点。PS：A位：原核核糖体上结合氨基酰-tRNA的氨基酰位。主成分：大亚基+小亚基P位：原核核糖体上结合肽酰-tRNA的肽酰位。主成分：大亚基+小亚基E位：排除卸载tRNA的排出位。主成分：大亚基 翻译起始复合物的形成还需要三元复合物：？ IF-2水解GTP供能并促使核糖体两个亚基结合：促进30S小亚基和50S大亚基结合，形成70S起始复合物。氨基酸活化转运和核糖体循环贯穿肽链合成的基本过程：翻译起始阶段结束后，核糖体以mRNA为模板合成蛋白质，进入肽链的延伸阶段，氨基酸被活化，运输到核糖体，在延长因子的协助下，核糖体按照mRNA上密码子的顺序将特定的氨基酸逐个连接，形成肽链。1. 氨基酸以氨基酰-tRNA的形式被活化与搬运： 活化：在氨基酰-tRNA合成酶催化下，氨基酸与ATP反应，生成氨基酰-AMP，氨基酸获得能量而被活化。氨基酸 + tRNA + ATP- 氨基酰-tRNA能对氨基酸进行特异性转运。 + AMP + PPi （每个氨基酸活化需消耗一个ATP） 在同一个氨基酰-tRNA合成酶催化下，活化的氨基酸被转移到tRNA分子上。2延长因子是辅助核糖体合成肽链的必要条件：大肠杆菌延长因子(EF)有三种: EF-Tu（促进氨基酰-tRNA进入核糖体的A位，结合分解GTP）；EF-Ts（EF-TuGTP在参与一轮核糖体循环后变成EF-TuGDP，而EF-Ts的作用是使EF-TuGDP再次转变为EF-TuGTP以备下次利用）；EF-G（有转位酶活性，促使mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位）3核糖体循环是肽链延长一个氨基酸的基本过程肽链延长是一个循环过程，称为核糖体循环，每个循环包括：进位，转肽和移位三个步骤。每次循环使肽链增加一个氨基酸残基。氨基酰-tRNA在进位之前与EF-TuGDP结合形成氨基酰-tRNAEF-TuGDP三元复合物，此复合物进入核糖体A位，结果是水解GTP，EF-TuGDP从核糖体释放出来。在EF-Tu协助下进入核糖体，消耗一个GTP。肽酰转移酶催化肽酰基移位和新肽键形成：氨基酰-tRNA进入A位以后，核糖体上P位上已结合了一个肽酰-tRNA（在起始时是甲酰蛋氨酸-tRNA），在肽酰转移酶的催化下，P位上的tRNA所携带的肽酰基的羧基与A位上氨基酸的氨基形成肽键，此过程称为转肽反应。EF-G促使肽酰-tRNA由A位移入P位：转肽后，占据P位的是失去氨基酰基的tRNA，A位是肽酰tRNA，延长因子EF-G可促使A位的肽酰tRNA移位，进入P位。终止密码子和终止因子决定翻译的终止：终止因子又称为释放因子（RF），其功能是识别mRNAshang 的终止密码子，终止肽链的合成并释放出肽链。原核生物中的释放因子是RF-1，RF-2，RF-3。RF-1能识别密码子UAA及UAGRF-2能识别密码子UAA及UGARF-3能结合GTP，并能促进RF-1，RF-2与核糖体结合。当mRNA分子中的终止密码子进入核糖体的A位上时，由于细胞内并不存在带有相应反密码子的tRNA，没有氨基酰-tRNA能够进入A位。此时，释放因子（RF）在GTP存在下能识别终止密码子并进入A位，当释放因子与A位结合后，核糖体中肽酰转移酶的两个活性（催化肽酰-tRNA之间脂键的水解和肽酰基与下一个氨基酸之间的形成）只能有一个能发挥活性，即水解酶活性，使肽链从核糖体上脱落下来。随后mRNA与核糖体分离，tRNA脱落，核糖体在IF-3，IF-1的作用下解离成大小亚基。多聚核糖体保证蛋白质合成的快速进行原核生物基因转录与翻译具有原核生物自身的特点一 mRNA的转录、翻译和降解偶联进行 在细菌中，转录和翻译是在细胞内的同一部位进行，这两个过程是紧密联系、同时进行的。二 mRNA所携带的信息量差别很大有的mRNA只带有一个结构基因的信息（编码一个蛋白质），称为单顺反子mRNA，大部分mRNA都带有编码几个甚至是几十个蛋白质的序列信息，这种mRNA事从几个首尾相连的结构基因（存于一个操纵子中）一次转录而成，称为多顺反子mRNA。在多顺反子mRNA中，各个编码区之间存在间隔序列。间隔序列长短不一，甚至两个编码区可以发生重叠，即一个编码区的最后一个核苷酸既是下一个编码区的第一个核苷酸。大部分多顺反子mRNA中的各个顺反子的翻译起始是独立发生的，在多顺反子mRNA中，每一个编码区之前都有一个核糖体结合位点。三 某些密码子是原核生物优先利用的密码子遗传密码子共有64个，其中61个可以编码蛋白质，这是由于细胞内存在61个带有相应反密码子的tRNA。第二节：真核生物基因的表达：由于真核生物细胞有细胞核，所以转录和翻译两个过程是发生在不同空间。一 三种RNA聚合酶及相关启动因子以不同方式起始转录：真核生物的RNA聚合酶有、型（由于识别不同启动因子而分别负责不同的基因转录），分别识别的启动子含有转录起始点，是RNA聚合酶识别并结合DNA的片段。为、类启动子。真核生物的RNA聚合酶都不能直接与各自的启动子结合，而是依赖于称为转录因子（TF）的蛋白质的帮助才能与启动子结合。转录因子分为两类：通用转录因子（general transcription factors）和基因特异性转录因子（gene specific transcription factors） 通用转录因子的作用是将RNA聚合酶和启动子结合到一起，形成转录起始复合物。RNA聚合酶+通用转录因子+DNA-前起始复合物1. RNA聚合酶启动含有类启动子的基因转录：RNA聚合酶结合的启动子是类启动子，含有类启动子的基因主要是rRNA的基因。人rRNA基因的启动子包括核心元件和上游调控元件，？2. RNA聚合酶启动含有类启动子的基因转录：含有类启动子的基因主要是编码蛋白质的基因和编码snRNA的基因。类启动子通常是由TATA盒与上游启动子元件组成。TATA盒的序列一般位于转录起始点上游-25-30核苷酸处，它对启动子活性和决定RNA链的起始点很重要。类前起始复合物中含有RNA聚合酶和7中通用转录因子（TFA 、TFB 、TFD、 TFE 、TFF、 TFH 、TFJ）组成。3. RNA聚合酶启动含有类启动子的基因转录：含有类启动子的基因包括5SRNA、tRNA、U6snRNA、7SL RNA、7SK RNA。二 转录延伸过程需要克服核小体障碍：延长过程大致与原核生物基本一致，当转录起始复合物形成以后，RNA聚合酶即开始依碱基配对关系，按模板链上的碱基序列，从53端方向逐个加入核糖核苷酸。不同的是，真核生物的DNA是结合于核小体。三 三种RNA聚合酶以不同方式终止转录RNA聚合酶转录模板的下游存在一个终止子，该终止子是位于GC丰富序列之中的TTTT（位于信息链上）。RNA聚合酶有内源性的转录终止功能，能识别终止子，使转录终止，因此RNA聚合酶催化合成的RNA前体3端有U序列。四 初级转录产物经过加工后转变为成熟RNA真核生物RNA在转录后都需要加工，成为成熟的RNA，而不同的RNA的加工方式不同。mRNA前体通常以5端加帽、3端加poly(A)尾和剪切的方式进行加工： 甲基化鸟苷酸以5磷酸基团连接mRNA5端形成帽子结构： 多聚腺苷酸的加入形成mRNA的3尾： mRNA前体经过剪切过程去除内含子序列： mRNA分子中的少数碱基可被甲基化： RNA编辑是RNA加工的一种特殊方式：RNA编辑（RNA editing）是通过对mRNA的加工使遗传信息在mRNA水平上发生改变。tRNA前体加工主要是除去多余序列和进行结构修饰：真核生物tRNA前体的加工=去除内含子+剪切5端先导序列+添加或修复3端CCA+碱基的化学修饰。 酶促剪接和剪切除去前体中的多余序列：与mRNA的剪切不同，是由两种不同的酶来完成的，先由内切核酸酶催化进行剪切反应，再有连接酶将外显子连接起来。（RNA连接酶催化的连接反应需要消耗ATP）；除此之外，先导学列的切除是由RNaseP切除的。 tRNA3端需要加上CCA序列：与原核细胞一样，真核细胞tRNA前体在tRNA核苷酰基转移酶催化下，将3端除去两个U，换上tRNA分子中统一的-CCA-OH末端，形成柄部结构。 化学修饰产生稀有碱基：通过还原反应使尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶（DHU），通过核苷内的转位反应使尿嘧啶转变为假尿嘧啶（）。 rRNA前体也需要剪切和化学修饰： rRNA前体的剪切：在哺乳动物基因组中，28S，18S和5.8SrRNA基因串联在一起形成一个重复单位，在基因组中重复几百次，每个重复单位之间的间隔DNA序列称为非转录间隔序列，而一个重复单位内的三个基因之间的间隔序列是与基因一起转录的，称为转录的间隔序列。 rRNA也需要化学修饰：主要是甲基化反应。五 真核生物RNA需要从细胞核内转运到细胞质 mRNA前体在细胞核内合成，后经过加工成紧密的二级结构，并于多种蛋白质结合成核蛋白颗粒，然后转入胞浆。 rRNA前体在核仁中被加工成成熟rRNA，在于核糖体蛋白质形成核糖体，再运至细胞质。六 真核生物与原核生物的翻译起始阶段差异很大。真核生物与原核生物在翻译起始阶段有很大差异：真核生物的翻译起始因子以eIF表示：有eIF-1，eIF