3基因表达.ppt

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

2、不连续性(Semi-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

3、全部遗传信息，体现了遗传的保守性。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

4、,复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程,需要多种物质 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,D

5、NA-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

6、 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 (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

7、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

8、in prokaryotes RNAse H in eukaryotes,切除引物,填补空隙,连接,DNA polymerase,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,

9、 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,222 2 2 2,端粒与端粒酶 端粒(telomere)是位于真核细胞线性 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

10、）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

11、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

12、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，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

13、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（point 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

14、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

15、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

16、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）

17、： 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，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

18、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 (reve

19、rse 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

20、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

21、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,PIC,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

22、白质编码的可转录序列。,Aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa Aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa,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)

23、 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(eukaryote)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 fa

24、ctors,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,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 AUGCACUG

25、UACC,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

26、-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 rR

27、NAs 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 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、核蛋白结合核酸。 糖蛋白的多肽