普通生物学精品课件

1、普通生物学第1页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四# Pre-RNA processing in Eukaryotes 转录后加工2第2页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四pre-RNAcapping tailingsplicing methylationeditingmature RNA 3第3页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 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G

2、pppN的结构，再对G进行甲基化。 真核生物mRNA的转录后加工1.首、尾的修饰4第4页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 pre-RNA capping and tailing 5第5页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四GAAGuanine-7-methyl-transferase2-O-methyl-transferaseCap 01015%100%6第6页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四# pre-RNA capping Cap-0 m7GpppXpYp- (共有) Cap-1 m7GpppXmpYp-Cap-2 m7Gppp

3、XmpYmp- 7第7页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四Cap位点的第一个和第二个核苷酸单位中的2-OH也可能被甲基化，所以帽子结构有三种类型：Cap 0 ：has no 2-O-methylated nucleotides and is found only in certain viral RNAs. 只有m7G。其符号为m7GpppXCap 1： has one 2-O-methylated nucleotide and is found in both cellular and viral RNAs.在多数动物和植物的帽子结构中，m7G后面的第一个核苷酸单位的核糖

4、2-OH也被甲基化。 其符号为m7GpppXmCap 2 ： has another 2-O-methylated nucleotide and is found only in eukaryotic cells.脊椎动物转录产物的帽子结构中，Cap位点的第二个核苷酸单位的核糖2-OH又被甲基化。 m7GpppXmpYm8第8页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四# 帽子结构的功能 9第9页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四真核mRNA分子5端帽子结构的主要功能：Help the recognition between ribosome and mRNA在

5、蛋白质合成起始中的作用类似于原核生物mRNA的SD序列，供核糖体小亚基识别与结合。2. Protect the mRNA from being degraded 保护合成中的转录产物免受核酸外切酶的降解。3. Promote the mature mRNA being transported to cytoplasm在成熟的转录产物从核内输送到胞质的过程中具有重要作用。4. Promote proper splicing of the precursors增强mRNA 的剪接效率10第10页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四# pre-RNA tailing 概念 A po

6、ly(A) tail (50-200) be added at -20 Nt tailing signal (AAUAAA) from 3-end of Pre-RNARabbit - globin mRNA 5-CUUUGAAUAAA-poly(A) 3 -20Rabbit - globin mRNA 5-UGGCUAAUAAA-poly(A) 3 -20Man - globin mRNA 5-CUUUGAAUAAA-poly(A) 3 -2011第11页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四The 3 ends of mRNAs are generated by cleav

7、age and polyadenylation；The sequence AAUAAA is necessary for cleavage to generate a 3 end for polyadenylation.12第12页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四Cleavage and polyadenylation specificity factor, CPSF（切割和聚腺苷酸化特异因子）Cleavage stimulation factors, CstF（切割刺激因子）Poly-A polymerase, PAP（poly A聚合酶）3端多聚腺苷酸化过程：13第1

8、3页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四# 加尾的功能 14第14页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四2. pre-RNA splicing （RNA的剪接）15第15页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四RNA splicing 剪接1. In eukaryotes, most protein encoding genes are splitting genes. 真核生物中，大多数编码蛋白质的基因是断裂基因。 A typical eukaryotic genes 典型的真核基因16第16页，共92页，2022年，5月20日，1点30分

9、，星期四断裂基因（splite gene）CABD编码区 A、B、C、D非编码区真核生物结构基因，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。17第17页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四核内带有外显子和内含子编码序列的初级RNA转录产物称为不均一核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。hnRNA18第18页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四与没有内含子

10、的原核基因一样，真核割裂基因也整个地转录为单一的一条RNA链pre-mRNA（hnRNA）。在翻译成蛋白质之前， pre-mRNA中的内含子必须先被除去形成成熟mRNA。l pre-mRNA X 7 kb ; Max.20 kb; 4-10 x mature RNA 19第19页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四外显子(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）。20第20页，共92

11、页，2022年，5月20日，1点30分，星期四# Intron 内含子人类许多重要疾病的病因junction seq. mut. 异常剪接 病症 例；地中海贫血症 1/4 Junction seq. mut. of Globin gene 干扰mRNA成熟 - junction sequence of intron with exon 高度保守，成为剪接过程重要的识别序列21第21页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四卵清蛋白mRNA与DNA杂交结果22第22页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四How to distinguish the intron a

12、nd exon? 如何区别内含子和外显子并进行剪接？The nucleotide sequence at intron-exon boundaries 内含子与外显子交界处的核苷酸序列The RNA sequence decided where to be spliced. RNA序列决定了在哪里进行剪接23第23页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四5 splice site （5剪接位点）：最保守序列为GUThe required RNA sequence for splicing 剪接所须的RNA序列：3 splice site （3剪接位点）：最保守序列为AGBran

13、ch point site（分支点）：最保守序列为APy tract（多嘧啶区）：靠近内含子3端。24第24页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四The chemistry of splicing is achieved by two successive transesterification. 剪接的化学反应：(先后经过两次转酯反应)第一次转酯反应：分支点A的2-OH攻击5剪接位点，5外显子与内含子之间的磷酸二酯键断裂，分支点A的2-OH与内含子5端的核苷酸间形成新的磷酸二酯键；25第25页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四第二次转酯反应：第一次转酯反

14、应产生的上游外显子3-OH攻击3剪接位点，使内含子与3外显子间的磷酸二酯键断裂,上游外显子3-OH与下游外显子5磷酸基团间形成新的磷酸二酯键26第26页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 转酯反应（ transesterification ）：实现剪接 酯键由一个位置转移到另一个位置。不同类型的RNA剪接的共性规律内含子合理有效的折叠，拉近外显子激活剪接酶活性，完成磷酸二酯键的转移羧酸分子和醇或者酚缩合而形成的化学键27第27页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四（1）The Spliceosome Machinery 剪接进行的机器剪接体：This co

15、mplex comprises about 150 proteins and 5 RNAs and is similar in size to a ribosome. RNA剪接是剪接体执行的。这个复合体包含约150种蛋白质和5种RNA，大小与核糖体差不多。The five RNAs (U1, U2, U4, U5, U6) are collectively called small nuclear RNA, snRNA. 剪接体中的5种RNA统称为核内小RNA。Each of these RNAs is between 100 and 300 nucleotides long and is

16、complexed with several proteins. These protein complexes are called small nuclear ribonuclear protein，snRNP(snurps). 每种snRNA长100-300nt，与几种蛋白质形成复合物。这些RNA-蛋白质复合物称为小核内核糖蛋白28第28页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四snRNA与其他蛋白质结合形成剪接体（spliceosome） snRNA的功能：通过与靶位点RNA之间的碱基配对来执行内含子的折叠，从而促进完成剪接功能。29第29页，共92页，2022年，5月2

17、0日，1点30分，星期四1. 早期（E）复合体。2. A复合体。3. B复合体。4. C复合体。30第30页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四Group I introns I类自剪接内含子Group II introns II类自剪接内含子3. Self-splicing introns 自剪接内含子的剪接（罕见）：Self-splicing intron（自剪接内含子）： The introns itself folds into a specific conformation within the precursor RNA and catalyzes the che

18、mistry of its own release. 不需要剪接体，通过自身折叠成一种特殊的构象就可以把自身从pre-mRNA上切下来的内含子。自剪接内含子类型某些细胞器基因或rRNA的剪接31第31页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四自剪接内含子特点：自剪接内含子为什么会发生自我剪接呢？A typical self-splicing intron is between 400 t0 1000 nucleotides long, 典型的自剪接内含子长400-1000nt，Much of the sequence of a self-splicing intron is cr

19、itical for the splicing reaction. This sequence requirement holds because the intron must fold into a precise structure to perform the reaction chemistry. 其大部分序列对于剪接反应至关重要。自剪接内含子必须折叠成精确的立体结构才能完成相应的反应。32第32页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四RNA auto-splicing as Ribozyme：自我剪接 One of the most stunning discove

20、red in molecular biology核酶(ribozyme)泛指具有催化活性的RNA分子。33第33页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四Alternative splicing（可变剪接）： 有些pre-mRNA存在不止一种剪接方式，可以除去不同组合的内含子，从而产生不同的mRNA，这称为可变剪接Trans-splicing（反式剪接）： Two exons carried on different RNA molecules can be spliced together.不同的RNA分子上的2个外显子被连接在一起，这种剪接方式称为反式剪接。很少见，但在锥虫中

21、很常见。34第34页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四基因的可变剪接35第35页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四- Complementary introns by base pairing ( recombination-like )Base pairingexon1 exon 2exon3 exon 4exon1 exon 4exon 3 exon 2cis-splicingtrans-splicing 反式剪接36第36页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四RNA剪接的意义可为某些基因转录产物构建或删除起始密码子或终止密码子,以

22、控制基因的翻译能以增减核甘酸的方式扩充遗传信息可纠正某些基因的移码突变,是有机体应付有害突变的一种手段37第37页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四3. mRNA的编辑和修饰RNA的编辑(RNA editing): 某些RNA，特别是mRNA的一种加工方式，它导致了DNA所编码的遗传信息的改变（如 单碱基突变）RNA的修饰（RNA modification）： 有些RNA，特别是前体rRNA和tRNA可能有特异性的化学修饰。38第38页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四RNA的编辑 :mRNA编辑是在mRNA水平上信息发生改变(碱基取代、插入或缺失)的过

23、程。在哺乳动物细胞中，mRNA中有时会发生单个碱基的替换，导致它所编码的蛋白质序列发生改变。在锥虫线粒体中，当碱基有条理地增加或缺失时，在一些基因的转录物中会发生更大范围的变化。mRNA编辑机理：非剪切作用改变mRNA。39第39页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四# Pre-RNA processing in Eukaryotes 转录后加工40第40页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四RNA生物功能的多样性1、RNA在遗传信息的翻译中起着决定作用。2、RNA具有重要的催化功能和其他持家功能。3、RNA转录后加工和修饰依赖于各类小RNA和其他蛋白质复合

24、物。4、RNA对基因表达和细胞功能具有重要调节作用。5、RNA在生物进化中起重要作用。41第41页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四RNA的降解 RNA降解是涉及到基因表达的一个重要环节， rRNA和tRNA是稳定的RNA ，其更新率低； mRNA是不稳定的RNA，其更新率非常高。因为mRNA于其编码基因的表达活性直接有关，不同的RNA需要以不同的速度进行降解。脊椎动物细胞mRNA的平均半衰期约为3h, 细胞每一世代中各类mRNA约周转10次。细菌mRNA的半衰期大约只有1.5min，以适应快速生长和对环境作出快速反应的要求。 所有细胞中都存在各种核糖核酸酶，可以降解RNA

25、。真核生物mRNA降解的主要途径首先是poly(A)尾巴的缩短，去腺苷酸化能诱发脱去5端帽子结构，然后由5-3方向和3-5 方向降解mRNA。42第42页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四蛋白质的翻译Protein Translation43第43页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 蛋白质翻译是基本表达的第二步。#概念理解： 翻译的过程是读取“密码 codon”的过程 读取密码的工具：tRNA 合成多肽的工具：核糖体每一种类tRNA只运载一种氨基酸44第44页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四pre-RNAcapping taili

26、ngsplicing methylationeditingmature RNA 45 1, mRNA# 重要元件 第45页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 mRNA上存在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残基组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码子(coden)。共有64种不同的密码。 46第46页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四遗传密码表47第47页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四遗传密码具有以下特点： 连续性； 简并性； 通用性；（但在线粒体或叶绿体中特殊）摆动性；方向性，即解读

27、方向为5 3 ； 起始密码：AUG；终止密码：UAA、UAG、UGA。 遗传密码的特点48第48页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四ORF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，各个三联体密码连续排列编码一条多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。 . 连续性（commaless）编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间隔也无重叠。 49第49页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四基因损伤引起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 mut

28、ation)。 50第50页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四. 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24个或多至6个密码子为之编码。同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象，叫做简并性。同义密码子：对应于同一种氨基酸的不同密码子。51第51页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四遗传密码的简并性52第52页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四. 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。 有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一

29、步证明各种生物进化自同一祖先。 53第53页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四. 摆动性（wobble）tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性。54第54页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四2, tRNA mini RNA, 4s, 70-80Nt tRNAphe, 77Nt 三叶草结构 (1964 Holly R.) 5 arms and 4 loops Nt more modified by methylation55第55页，共92页，2022年，5月2

30、0日，1点30分，星期四反密码环氨基酸臂tRNA在翻译过程中起接合体（adaptor）作用，又是氨基酸的运载体。在氨酰tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨酰tRNA ，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。 56第56页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 tRNA与酶结合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP57第57页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四密码子、反密码子配对的摆动现象tRNA反密码子第1位碱基I （次黄嘌呤核苷）UGACmRNA密码子第3位碱基U, C, AA, GU, CUG腺嘌呤58第58页，共92页，2

31、022年，5月20日，1点30分，星期四 3, rRNA 即是最多的一类RNA，占RNA总量的82%，也是3类RNA（tRNA, mRNA, rRNA)中相对分子质量最大的一类RNA.其功能是作为mRNA的支架，使mRNA分子在其上展开，实现蛋白质的合成。 rRNA单独存在时不执行其功能，它与多种蛋白质结合成核糖体(ribosome)，从而发挥多肽合成的功能。 如果把rRNA从核糖体上除掉，核糖体的结构就会发生塌陷 原核生物的rRNA分三类：5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA。 真核生物的rRNA分四类：5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNAS为沉降系数（se

32、dimentation coefficient），当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直径成比例.59第59页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 Prokaryote 23s, 16s, 5s / Eukaryote 28s-5.8s, 18s, 5s60第60页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四61第61页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能： 1小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2大亚基： （1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右） 受位或氨酰基部位，可与

33、新进入的氨酰tRNA结合；P位（左）给位或肽酰基部位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。 E位：排出位（Exit site） （2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨酰tRNA，形成肽键。 （3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。 （4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。 62第62页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四# peptide synthesizeAnimation63第63页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四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(pept

34、idyl site)E位：排出位(exit site)64第64页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination )整个翻译过程可分为 ：翻译过程从阅读框架的5-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。 65第65页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四一、肽链合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。66第66页，共92页，2022

35、年，5月20日，1点30分，星期四（一）原核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。67第67页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAifMet起始肽链合成的氨基酰-tRNA68第68页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 能够识别mRNA中5端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。 在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰甲硫氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起动tRN

36、A是一种携带甲硫氨酸的tRNA，即tRNAimet。 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带甲硫氨酸的tRNA，识别非起动部位的甲硫氨酸密码AUG。 69第69页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四IF-3IF-11. 核蛋白体大小亚基分离目 录70第70页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四AUG53IF-3IF-12. mRNA在小亚基定位结合目 录71第71页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基AUG53目 录72第72页，共92页，

37、2022年，5月20日，1点30分，星期四IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成AUG53目 录73第73页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四IF-3IF-1AUG53IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目 录74第74页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四（二）真核生物翻译起始复合物形成核蛋白体大小亚基分离；起始氨基酰-tRNA结合；mRNA在核蛋白体小亚基就位；核蛋白体大亚基结合。75第75页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B

38、、eIF-3、 eIF-6 elF-2GDP+Pi各种elF释放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻译起始复合物形成过程76第76页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四 真核生物翻译起始的特点核蛋白体是80S；起始因子种类多；起始tRNA的Met不需甲酰化；mRNA的5帽子和3poly A尾结构与mRNA在核蛋白体就位有关；起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，然后再结合mRNA77第77页，共92页，2022年，5月20日，1点30分，星期四二、肽链合成延长指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。 肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环(ribosomal cycle)，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位(e