藥研20分子串講 課件

1、分子生物學串講 中南大學 陳漢春 9/15/20221第一講核酸與基因、DNA復制、損傷與修復含第一、三、四章內容9/15/20222第一章 基因的結構與功能9/15/20223一、核酸的分類 (deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸 核糖核酸9/15/20224二、核酸的化學組成 1. 主要元素組成C、H、O、N、P2. 分子組成 堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿 戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖 磷酸(phosphate)9/15/20225核苷酸(ribonucleotide)的結構核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸

2、酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。 9/15/20226三、核酸的一級結構定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5端3端CGA9/15/20227四、DNA的二級結構雙螺旋結構9/15/20228DNA雙螺旋結構模型要點 Watson, Crick, 1953DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。目 錄9/15/20229堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內側，與對側堿基形成氫鍵配對互補配對形式：A=T; GC 。目 錄9/15/202210堿基互補配對 TAGC9/15/20221

3、1五、RNA動物細胞內有4大類RNA: 1. rRNA (80%-85%) 2. tRNA 3.小分子RNA 4. mRNA (1%-5%)(10%-15%)9/15/202212* mRNA結構特點1. 大多數(shù)真核mRNA的5末端均在轉錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子結構：m7GpppNm-。2. 大多數(shù)真核mRNA的3末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結構，稱為多聚A尾。一信使RNA的結構與功能9/15/202213* tRNA的一級結構特點 含 1020% 稀有堿基，如 DHU 3末端為 CCA-OH 5末端大多數(shù)為G 具有 TC 二轉運RNA的結構與

4、功能9/15/202214* tRNA的二級結構三葉草形 氨基酸臂 DHU環(huán) 反密碼環(huán) 額外環(huán) TC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)* tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯。9/15/202215* rRNA的結構三核蛋白體RNA的結構與功能* rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質生物合成的場所。9/15/202216四、核 酶具有酶促活性的RNA稱為核酶。核酶(ribozyme)9/15/202217第三章 DNA的生物合成基因組復制9/15/202218復制(replication)是指遺傳物質的傳代，以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過程。復制親代DNA子代DNA9/15/20

5、2219半保存復制(semi-conservative replication)復制的高保真性(high fidelity) 雙向復制(bidirectional replication)半不連續(xù)復制(semi-discontinuous replication) 一、復制的根本規(guī)律9/15/2022201. 半保存復制 DNA生物合成時，母鏈DNA解開為兩股單鏈，各自作為模板(template)按堿基配對規(guī)律，合成與模板互補的子鏈。子代細胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈那么完全重新合成。兩個子細胞的DNA都和親代DNA堿基序列一致。這種復制方式稱為半保存復制。半保存復制的

6、概念9/15/202221原核生物復制時，DNA從起始點(origin)向兩個方向解鏈，形成兩個延伸方向相反的復制叉，稱為雙向復制。 2. 雙向復制原核生物DNA復制中的放射自顯影圖象9/15/2022223535direction of unwinding35335(leading strand)(lagging strand)okazaki fragment3. 復制的半不連續(xù)性9/15/202223 二、DNA復制的酶學The Enzymology of DNA Replication9/15/202224參與DNA復制合成的物質四要素： 模板(template) : 解開成單鏈的DNA

7、母鏈引物(primer): 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP聚合酶(polymerase): 依賴DNA的DNA聚合酶，簡寫 為 DNA-pol其他的酶和蛋白質因子9/15/2022251. 復制的化學反響 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 目 錄9/15/2022262. DNA聚合酶全稱：依賴DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)簡稱：DNA-pol活性：1. 53 的聚合活性 3 5外切酶活性2. 核酸外切酶活性 5 3外切酶活性9/15

8、/2022275 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5外切酶活性 5 3外切酶活性?能切除突變的 DNA片段。能識別錯配的堿基對，并將其水解。 核酸外切酶活性 目 錄9/15/202228(1) 遵守嚴格的堿基配對規(guī)律；(2)聚合酶在復制延長時對堿基的選擇功能 DNA-pol ；(3) 復制出錯時DNA-pol的及時校讀功能(DNA- pol, DNA-pol 。3. 復制保真性的酶學依據(jù)9/15/2022294. DNA的復制過程： 起始 延長 終止9/15

9、/2022305. 端粒酶與端粒復制9/15/20223153355335+5333355目 錄9/15/202232(1) 端粒(telomere)指真核生物染色體線性DNA分子末端的結構。功能 維持染色體的穩(wěn)定性 維持DNA復制的完整性結構特點 由末端單鏈DNA序列和蛋白質構成。 末端DNA序列是多次重復的富含T、 G堿基的短 序列。TTTTGGGGTTTTGGGG9/15/202233(2) 端粒酶(telomerase)端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR)端粒酶協(xié)同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP

10、1)端粒酶逆轉錄酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT) 組成(含RNA和蛋白質，三局部)9/15/202234三、逆轉錄Reverse Transcription9/15/202235逆轉錄酶(reverse transcriptase) 逆轉錄(reverse transcription) RNADNA 逆轉錄酶9/15/202236逆轉錄酶 A AA A T T T TAAAASI核酸酶 DNA聚合酶堿水解 T T T T分子生物學研究可應用逆轉錄酶作為獲取基因工程目的基因的重要方法之一，此法稱為cDNA法。 以mRNA為模板，經逆轉

11、錄合成的與mRNA堿基序列互補的DNA鏈。 試管內合成cDNAcDNA complementary DNA9/15/202237DNA損傷與修復DNA Damage and Repair第四章9/15/202238遺傳物質的結構改變而引起的遺傳信息改變，均可稱為突變。在復制過程中發(fā)生的DNA突變稱為DNA損傷(DNA damage)。突變是與遺傳保守性對立而又統(tǒng)一的自然現(xiàn)象，既危害生命，又有積極意義。從分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。 9/15/202239一、突變的意義一突變是進化、分化的分子根底： 進化過程是突變不斷發(fā)生與積累所 造成的。 9/15/202240二突變導致基因

12、型改變： DNA多態(tài)性(polymorphism)導致個體間 基因型的差異，用于個體識別和疾病易 感性預測等。9/15/202241三突變導致死亡：某些重要基因的突變可導致個體死亡，如杜氏肌營養(yǎng)不良癥Ducheme muscular dystrophy，DMD DMD基因突變： 缺失、重復、點突變。 突變熱點區(qū)：外顯子320及外顯子4445區(qū)域 表型：一般6歲前出現(xiàn)進行性嚴重肌無力，伴有 小腿假性肥大，中度至重度智力障礙和 心臟病。 預后：12歲前喪失行走能力，20歲左右死于呼 吸系統(tǒng)疾病或心力衰竭。9/15/202242四突變是某些疾病的發(fā)病根底：1. 單基因病 甲型血友病： 因子基因缺陷

13、因子活性缺乏 出血。 -地中海貧血： 珠蛋白基因缺失、插入或點突變 珠蛋白 鏈合成減少或缺乏。2. 多因素病 腫瘤： 癌基因和/或抑癌基因突變 細胞增殖加速、分化及凋亡受阻9/15/202243二、引發(fā)突變的因素物理因素 紫外線(ultra violet, UV)、各種輻射 UV9/15/202244化學因素水、空氣、食物中的環(huán)境致癌物目 錄9/15/202245四、DNA損傷的修復修復(repairing) 是對已發(fā)生分子改變的補償措施，使其回復為原有的天然狀態(tài)。光修復(light repairing)切除修復(excision repairing)重組修復(recombination re

14、pairing)SOS修復 修復的主要類型9/15/202246一光修復光修復酶(photolyase) UV9/15/202247UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHP 二切除修復是細胞內最重要和有效的修復機制，主要由DNA-pol和連接酶完成。DNA連接酶ATPE.coli的切除修復機制目 錄9/15/202248三重組修復9/15/202249四SOS修復當DNA損傷廣泛難以繼續(xù)復制時，由此而誘發(fā)出一系列復雜的反響。在E. coli，各種與修復有關的基因，組成一個稱為調節(jié)子(regulon)的網絡式調控系統(tǒng)。這種修復特異性低，對堿基的識別、選擇能力差。通過SOS修復，復制如能繼

15、續(xù)，細胞是可存活的。然而DNA保存的錯誤較多，導致較廣泛、長期的突變。9/15/202250第 二 講 基 因 表 達第五章9/15/202251基因表達DNA RNA蛋白質轉錄翻譯轉錄Transcription翻譯Translation9/15/202252轉錄RNADNA mRNAtRNArRNA第一節(jié) RNA的生物合成轉錄RNA Biosynthesis, Transcription9/15/202253轉錄 (transcription) 生物體以DNA為模板合成RNA的過程 。 9/15/202254參與轉錄的物質原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DN

16、A酶: RNA聚合酶(RNA-pol) (DNA dependent RNA polymerase)其他蛋白質因子9/15/2022555335模板鏈編碼鏈編碼鏈模板鏈轉錄方向轉錄方向一、轉錄模板 結構基因(structural gene): DNA分子上轉錄出RNA的區(qū)段 不對稱轉錄9/15/202256二、RNA聚合酶一原核生物的RNA聚合酶 (480kD,五聚體蛋白質)29/15/202257核心酶 (core enzyme)全酶 (holoenzyme)9/15/202258二真核生物的RNA聚合酶 9/15/202259三、模板上酶的識別、結合原核生物一個轉錄區(qū)段可視為一個轉錄單位，

17、稱為操縱子(operon)，包括假設干個結構基因及其上游(upstream)的調控序列。 5335結構基因調控序列RNA-polRNA聚合酶結合模板DNA的部位(啟 動子，promoter)9/15/202260原核生物RNApol可直接結合DNA模板；真核生物RNA-pol需與輔助因子結合后才結合DNA模板。轉錄過程The Process of Transcription9/15/2022612. DNA雙鏈解開1. RNA聚合酶全酶(2)與模板結合 3. 在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反響，形成轉錄起始復合物RNApol (2) - DNA - pppGpN- OH 3轉錄起始復合物:

18、5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN - OH 3 + ppi一、原核生物的轉錄過程一轉錄起始9/15/202262二轉錄延長1. 亞基脫落，RNApol核心酶變構，與模板結合松弛，沿著DNA模板(向5端)前移； 2. 在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。(NMP) n + NTP (NMP) n+1 + PPi9/15/202263轉錄空泡(transcription bubble)：RNA-pol 核心酶 DNA RNA9/15/202264依賴Rho ()因子的轉錄終止非依賴Rho因子的轉錄終止三轉錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉錄產物R

19、NA鏈從轉錄復合物上脫落下來。 分類9/15/202265A T P1. 依賴 Rho因子的轉錄終止Rho因子(同源六聚體，ATP酶+解螺旋酶活性結合RNA鏈3 端poly C序列Rho因子和RNA-pol都變構，RNA-pol停止前進、DNA/RNA雜化雙鏈拆離。9/15/2022662. 非依賴 Rho因子的轉錄終止DNA模板上靠近終止處，有些特殊的堿基序列，使轉錄出的RNA產物形成特殊的局部莖環(huán)或發(fā)夾二級結構來終止轉錄。9/15/202267莖環(huán)結構使轉錄終止的機理 使RNA聚合酶變構，轉錄停頓； 使轉錄復合物趨于解離，RNA產物釋放。5pppG5 335RNA-pol9/15/2022

20、68二、真核生物的轉錄過程一轉錄起始真核生物的轉錄起始上游區(qū)段比原核生物多樣化，轉錄起始時，RNA-pol不直接結合模板，而是與輔助因子結合后才結合DNA模板。真核生物的轉錄起始過程比原核生物復雜。9/15/202269POL-TFFAB由RNA-Pol 催化轉錄的PIC POL-TFFHETBPTAFTFD-A-B-DNA復合物TATAABTBPTAFTATAHECTD-PPIC組裝完成，TFH使CTD磷酸化9/15/202270二轉錄延長真核生物轉錄延長過程與原核生物大致相似，但因有核膜相隔，轉錄與翻譯不同步。 9/15/2022715AAUAAA-5 AAUAAA-核酸酶-GUGUGUG

21、RNA-polAATAAA GTGTGTG轉錄終止的修飾點55333加尾AAAAAAA 3 mRNA三轉錄終止 和轉錄后修飾密切相關。9/15/202272真核生物的轉錄后修飾Post-transcriptional Modification9/15/202273真核生物mRNA的轉錄后加工一、 首、尾的修飾 5端形成 帽子結構(m7GpppGp ) 3端加上多聚腺苷酸尾巴(poly A tail)9/15/202274真核生物結構基因，由假設干個編碼區(qū)和非編碼區(qū)互相間隔開但又連續(xù)鑲嵌而成，去除非編碼區(qū)再連接后，可翻譯出由連續(xù)氨基酸組成的完整蛋白質，這些基因稱為斷裂基因。 1. 斷裂基因(sp

22、lite gene)CBD編碼區(qū)非編碼區(qū)二、mRNA的剪接9/15/2022752. mRNA的剪接 除去hnRNA中的內含子，將外顯子連接。snRNP與hnRNA結合成為剪接體splicesome； 剪接體是mRNA剪接的場所。9/15/2022763. mRNA的編輯(mRNA editing) 9/15/202277 RNA編輯作用說明，基因的編碼序列經過轉錄后加工，是可有多用途分化的，因此也稱為分化加工(differential RNA processing)。人類apo B基因 mRNA（14 500個核苷酸）肝臟apo B100（分子量為500 000）腸道細胞apo B48（分子

23、量為240 000）轉錄后CU使CAAUAA9/15/202278蛋白質的生物合成翻譯Protein Biosynthesis，Translation 第 二 節(jié)9/15/202279蛋白質的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由 4 種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質一級結構中20種氨基酸的排列順序 。9/15/20228020種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIF ATP、GTP、無機離子參與蛋白質生物合成的物質包括 三種RNAmRNAmessenger RNA, 信使RNArRNAribosomal RNA, 核蛋白體RNAtRNAtransfer

24、 RNA, 轉移RNA9/15/202281一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼 mRNA是遺傳信息的攜帶者遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細胞中數(shù)個結構基因常串聯(lián)為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質，為多順反子(polycistron) 。真核mRNA只編碼一種蛋白質，為單順反子(single cistron) 。 9/15/202282 mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5至3方向，由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質合成的起始、終止信號，稱為三聯(lián)體密碼(triplet coden)。起始密碼(initiat

25、ion coden): AUG 終止密碼(termination coden): UAA，UAG，UGA 9/15/202283遺傳密碼表密 碼 子 的 第 三 個 堿 基UCAGUCAGUCAGUCAG9/15/2022841. 連續(xù)性(commaless)遺傳密碼的特點編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。 9/15/2022852. 簡并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯(lián)體為其編碼。9/15/2022869/15/2022873. 通用性(universal)蛋白質生物合成的整套

26、密碼，從原核生物到人類都通用。 已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。 通用密碼 線粒體密碼AUA 異亮 蛋、起始AGA 精 終止AGG 精 終止UGA 終止 色9/15/2022884. 擺動性(wobble)轉運氨基酸的tRNA的反密碼需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結合，但反密碼與密碼間不嚴格遵守常見的堿基配對規(guī)律，稱為擺動配對。 9/15/202289密碼子、反密碼子配對的擺動現(xiàn)象tRNA反密碼子第1位堿基IUGACmRNA密碼子第3位堿基U, C, AA, GU, CUG9/15/202290二、核蛋白體是多

27、肽鏈合成的裝置9/15/202291原核生物真核生物核蛋白體小亞基大亞基核蛋白體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質rpS 21種rpL 36種rpS 33種rpL 49種 不同細胞核蛋白體的組成 9/15/202292原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式:9/15/202293三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂9/15/202294氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATP AMPPPi氨基酰-tRNA合成酶一氨基酰-tRNA合成酶(aminoac

28、yl-tRNA synthetase) 氨基酸的活化9/15/202295真核生物： Met-tRNAiMet原核生物： fMet-tRNAfMet二起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA9/15/202296蛋白質生物合成過程 The Process of Protein Biosynthesis 9/15/202297翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination )整個翻譯過程可分為 ：翻譯過程從閱讀框架的5-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。 9/15/202298一、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰

29、-tRNA分別與核蛋白體結合而形成翻譯起始復合物 (translational initiation complex)。9/15/202299原核、真核生物各種起始因子的生物功能 IF-3IF-29/15/2022100一原核生物翻譯起始復合物形成核蛋白體大小亞基別離；mRNA在小亞基定位結合；起始氨基酰-tRNA的結合； 核蛋白體大亞基結合。9/15/2022101IF-3IF-11. 核蛋白體大小亞基別離9/15/2022102AUG53IF-3IF-12. mRNA在小亞基定位結合9/15/2022103IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet

30、 )結合到小亞基AUG539/15/2022104IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白體大亞基結合，起始復合物形成AUG539/15/2022105二真核生物翻譯起始復合物形成核蛋白體大小亞基別離；起始氨基酰-tRNA結合；mRNA在核蛋白體小亞基就位；核蛋白體大亞基結合。9/15/2022106met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-3GDP+Pi各種elF釋放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-elF-2 -GTP真核生物翻譯起始復合

31、物形成過程9/15/2022107二、肽鏈合成的延長指根據(jù)mRNA密碼序列的指導，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。 肽鏈延長在核蛋白體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核蛋白體循環(huán)(ribosomal cycle)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步：進位(entrance)成肽(peptide bond formation)轉位(translocation)9/15/2022108延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongation factor, EF)原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-G真核生物：eEF-1 、eEF-2 9/15/2022109原

32、核延長因子生物功能對應真核延長因子EF-Tu促進氨基酰-tRNA進入A位，結合分解GTPEF-1-EF-Ts調節(jié)亞基EF-1-EFG有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子 9/15/2022110又稱注冊(registration)一進位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入核蛋白體A位。 9/15/2022111TuTsGTPGDPAUG53TuTsGTP9/15/2022112二成肽是由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。9/15/2022113三轉位延長因子EF-G有轉位酶(

33、translocase )活性，可結合并水解1分子GTP，促進核蛋白體向mRNA的3側移動 。9/15/2022114fMetAUG53fMetTuGTP9/15/2022115真核生物肽鏈合成的延長過程與原核根本相似，但有不同的反響體系和延長因子。另外，真核細胞核蛋白體沒有E位，轉位時卸載的tRNA直接從P位脫落。四真核生物肽鏈合成的延長過程9/15/2022116 三、肽鏈合成的終止當mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核蛋白體等別離，這些過程稱為肽鏈合成終止。 9/15/2022117終止相關的蛋白因子稱為釋放因子 (release facto

34、r, RF) 一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。二是誘導轉肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相當于催化肽?；D移到水分子-OH上，使肽鏈從核蛋白體上釋放。 釋放因子的功能原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物釋放因子：eRF 9/15/2022118原核肽鏈合成終止過程 9/15/2022119蛋白質合成后加工和輸送Posttranslational Processing & Protein Transportation9/15/2022120從核蛋白體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質生物活性，必需經過不同的翻譯后復雜加工過程才轉變?yōu)樘烊粯嬒?/p>

35、的功能蛋白。主要包括多肽鏈折疊為天然的三維結構 肽鏈一級結構的修飾高級結構修飾 9/15/2022121一、多肽鏈折疊為天然功能構象的蛋白質新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈N端在核蛋白體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始?？赡茈S著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產生正確的二級結構、模序、結構域到形成完整空間構象。 一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的根底。細胞中大多數(shù)天然蛋白質折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白輔助。 9/15/2022122幾種有促進蛋白折疊功能的大分子1. 分子伴侶 (molecular chaperon) 2. 蛋白二硫鍵異

36、構酶 (protein disulfide isomerase, PDI)3. 肽-脯氨酰順反異構酶 (peptide prolyl cis-trans isomerase, PPI)9/15/2022123二、一級結構的修飾一肽鏈N端的修飾二個別氨基酸的修飾三多肽鏈的水解修飾9/15/2022124鴉片促黑皮質素原(POMC)的水解修飾NC信號肽PMOCKRKR103肽 ( ？)ACTH-LT-MSH-MSHEndophin9/15/2022125三、高級結構的修飾一亞基聚合 二輔基連接三疏水脂鏈的共價連接 9/15/2022126蛋白質合成后需要經過復雜機制，定向輸送到最終發(fā)揮生物功能的細

37、胞靶部位，這一過程稱為蛋白質的靶向輸送。 四、蛋白質合成后的靶向輸送蛋白質的靶向輸送(protein targeting)9/15/2022127所有靶向輸送的蛋白質結構中存在分選信號，主要為N末端特異氨基酸序列，可引導蛋白質轉移到細胞的適當靶部位，這一序列稱為信號序列 。 信號序列(signal sequence)9/15/2022128一分泌蛋白的靶向輸送真核細胞分泌蛋白等前體合成后靶向輸送過程首先要進入內質網。 信號肽(signal peptide) 各種新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列稱信號肽。 9/15/2022129信號肽引導真核分泌蛋白進入內質網 9/15/2022130第三

38、講 基因組結構與功能、基因組學與蛋白質組學基因表達及其調控第二、六、七章9/15/2022131 基因組(Genome):泛指一個有生命體、病毒或細胞器的全部遺傳物質,即一個物種遺傳信息的總和。在真核生物，基因組是指一套染色體(單倍體)DNA。9/15/2022132第一節(jié) 原核生物基因組9/15/2022133一、原核生物基因組結構與功能的特點1、基因組為雙鏈環(huán)狀DNA。 集中分布于擬核，習慣稱為染色體。2、一個復制起點(Ori)3、操縱子結構，轉錄產物為多順反子。9/15/20221344、編碼區(qū)無重疊5、基因是連續(xù)的，無內含子。6、基因組編碼區(qū)約占50%，遠大于真核基因 組，小于病毒基因

39、組。9/15/20221359、存在可移動的DNA序列，包括插入序列 和轉座子。7、重復序列很少，一般為單拷貝，但出現(xiàn)多 拷貝基因rRNA基因。8、出現(xiàn)同工酶基因。10、 出現(xiàn)具有調控功能的DNA序列9/15/2022136 操縱子(operon) 概念：功能上相關的結構基因串聯(lián)在一起構成信息區(qū)，連同上游的調控區(qū)和下游的轉錄終止信號所構成的基因表達單位。9/15/2022137乳糖操縱子(lac operon) 調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列ZYAOPDNA9/15/2022138二、質粒plasmid)概念： 細菌細胞內位于染色體外的能夠獨立復制的共價閉合環(huán)狀DNA分子。9/15/20

40、22139第二節(jié) 真核生物基因組一、真核生物基因組結構與功能的特點雙倍體基因組多個復制起點轉錄產物為單順反子含有大量重復序列非編碼序列有90%以上斷裂基因含有基因家族9/15/2022140二、真核生物基因組結構結構基因順式調控元件基因家族重復序列轉座子端粒9/15/2022141真核生物的結構基因由編碼序列外顯子和非編碼序列內含子兩局部構成，編碼序列是不連續(xù)的，被非編碼序列分隔開來，稱為斷裂基因。結構基因9/15/2022142調控序列9/15/20221431) 順式作用元件(cis-acting element)概念：能夠被調控蛋白特異性識別和結合，從而調控結構基因表達的DNA序列。9/

41、15/2022144 TATA盒 CAAT盒 GC盒 增強子 順式作用元件 結構基因-GCGCCAATTATA轉錄起始啟動子上游啟動子元件9/15/2022145基因家族來自某一祖先基因，并且核苷酸序列或編碼產物的結構具有一定程度同源性的一組基因。多基因家族基因超家族9/15/2022146第三節(jié) 基因組學 基因組研究已經從單個基因開展到研究生物體整個基因組的結構與功能?；蚪M研究已從簡單的低等生物到真核生物，從多細胞生物到人類。測定一個生物基因組核酸的全序列無疑對了解這一生物的生命信息及其功能有極大的意義。9/15/2022147基因組學指開展和應用DNA制圖、測序新技術及計算機程序，分析生

42、命體(包括人類)全部基因的結構與功能。函蓋內容：人類基因組方案 轉錄組學 蛋白質組學 生物信息學9/15/2022148基因組學包括三個不同的亞領域：結構基因組學(Structural genomics)功能基因組學(Functional genomics)比較基因組學(Comparative genomics) 9/15/2022149人類基因組方案HGP: 屬于結構基因組學范疇； 指制作高分辨率的遺傳圖和物理圖, 最 終完成人類和其它重要模式生物 的全部基因組DNA序列測定。 9/15/2022150HGP的研究任務:物理制圖遺傳制圖基因組DNA序列測定創(chuàng)立計算機分析管理系統(tǒng) 9/15/2

43、022151第四節(jié) 功能基因組學詳盡分析基因序列、描述基因組所有基因的功能,包括研究基因的表達及其調控模式。 9/15/2022152功能基因組學的研究內容:鑒定DNA序列中的基因同源性分析預測基因的功能實驗研究證實基因的功能描述基因表達及調控模式 9/15/2022153第五節(jié) 蛋白質組學 研究在不同時間和空間發(fā)揮功能的特定蛋白質群體，揭示和說明生命活動的根本規(guī)律。9/15/2022154蛋白質組(proteome)：一個細胞或組織在特定生理或病理狀態(tài)下表達的所有種類的蛋白質。 轉錄子組和蛋白質組是動態(tài)的，即個體的不同組織細胞及生理或病理狀態(tài)時的轉錄子組及蛋白質組均不同；相同狀態(tài)下的轉錄子組

44、與蛋白質組也并不完全匹配。9/15/20221552DE for separating proteins:第一向: 等電聚焦第二向: SDS蛋白質組學的研究技術9/15/20221562D電泳圖譜及圖像分析: 對照組 實驗組9/15/2022157蛋白質點定位及匹配結果: 實驗組和對照組蛋白點匹配圖9/15/2022158基質輔助激光解 吸飛行時間質譜MALDITOFMS: 通過專門的蛋白質點切割系統(tǒng)，可以將蛋白質點所在的膠區(qū)域進行精確切割。接著對膠中蛋白質進行酶切消化，酶切后的消化物經脫鹽/濃縮處理后點樣，進行質譜分析MALDI-TOF。根據(jù)質譜分析數(shù)據(jù)構建數(shù)據(jù)庫或和已有的數(shù)據(jù)庫進行比較分析

45、。9/15/2022159差異蛋白質點的肽質量指紋圖:9/15/2022160串聯(lián)質譜MS/MS: 即在第一級質譜得到肽的分子離子，最后形成N端碎片離子系列和C端碎片離子系列，將這些離子碎片系列綜合分析，可得出肽段的氨基酸序列。 9/15/2022161 第六節(jié) 基因表達調控 機體的各種細胞中含有相同的遺傳信息(相同的結構基因)，但并非在所有細胞中同時表達，而必須根據(jù)機體的不同發(fā)育階段、不同的組織細胞及不同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表達特定數(shù)量的特定基因，這就是基因表達的調控。 9/15/2022162一、基因表達的特異性基因表達具有時間特異性和空間特異性；基因的特異性表達由特異基因的調控序

46、列順式作用元件和調節(jié)蛋白反式作用因子相互作用而決定。9/15/2022163一基因表達的時間特異性 按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporal specificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stage specificity)。9/15/2022164二基因表達的空間特異性在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatial specificity)?；虮磉_伴隨時間或階段順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織

47、特異性(cell or tissue specificity)。9/15/2022165細菌能在一定范圍內適用于不同碳源、不同環(huán)境溫度條件而生長，是因為不同的基因對內、外環(huán)境信號刺激的反響性不同而致基因表達的方式不同。二、基因表達的方式9/15/2022166一些基因產物在生命全過程都是必需的，這些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，稱為管家基因(house keeping gene)。它較少受環(huán)境因素的影響，其表達方式為組成性基因表達(constitutive gene expression)，或稱根本表達。如細胞骨架蛋白基因的表達。 一組成性表達根本表達9/15/2022167有些

48、基因表達極易受環(huán)境變化影響，在特定環(huán)境信號刺激下，有些基因的表達表現(xiàn)為開放或增強，這種表達方式稱為誘導表達(inducing expression)。相反，有些基因的表達表現(xiàn)為關閉或下降，那么這種表達方式稱為阻遏表達(repressing expression) 。例如細菌能在一定范圍內適用于不同碳源、不同環(huán)境溫度條件而生長；經常飲酒者體內醇氧化酶水平活性較高。二誘導和阻遏表達9/15/2022168在生物體內，各種代謝途徑能有條不紊地進行，這是因為在一定機制控制下，功能相關的一組基因能協(xié)調一致，共同表達，即協(xié)調表達(coordinative expression)，這種調節(jié)被稱為協(xié)調調節(jié)(c

49、oordinative regulation)。例如物種特性的維持、個體發(fā)育的協(xié)調。 三協(xié)調表達9/15/2022169三、基因表達調控的根本原理整個基因表達的過程分為幾個階段，即基因活化、轉錄、轉錄后加工及翻譯、翻譯后加工等。在上述各個環(huán)節(jié)中均存在著基因表達調控的控制點?？梢姡虮磉_調控是在多級水平上進行的復雜事件 。9/15/2022170基 因激 活轉錄起始 轉錄后加工mRNA降解蛋白質翻譯翻譯后加工修飾蛋白質降解等一基因表達的多級調控9/15/2022171二基因轉錄激活調節(jié)根本要素基因表達的調節(jié)與基因的結構、性質，生物個體或細胞所處的內、外環(huán)境，以及細胞內所存在的轉錄調節(jié)蛋白有關。

50、9/15/2022172原核生物 蛋白質因子 操縱子(operon) 機制特異DNA序列編碼序列 啟動序列 操縱序列 其他調節(jié)序列(promoter)(operator)特異DNA序列和調節(jié)蛋白質9/15/2022173RNA轉錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列9/15/2022174原核基因轉錄起始時RNA-pol與啟動序列結合10區(qū)Prib

51、now box-35區(qū)9/15/2022175操縱序列 阻遏蛋白(repressor)的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動 ，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白9/15/2022176真核生物1) 順式作用元件(cis-acting element)可影響自身基因表達活性的DNA序列BADNA編碼序列轉錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列即順式作用元件的核心序列(core sequence) ，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。 9/15/2

52、0221772) 真核基因的調節(jié)蛋白還有蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。 正性調節(jié)誘導和負性調節(jié)阻遏由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達。 反式作用因子(trans-acting factor) 這種調節(jié)作用稱為反式作用。 9/15/2022178第 七 節(jié)原核生物基因的表達調控the Regulation of Prokaryote Gene Expression9/15/2022179一、原核生物基因表達的特點 1. 只有一種RNA聚合酶。RNA聚合酶識別原核基因的啟動序列，催化所有RNA的合成

53、； RNA聚合酶全酶中的亞基又稱因子識別特異啟動序列，決定特異基因包括mRNA、rRNA和tRNA基因的轉錄起始。9/15/2022180原核基因轉錄起始時RNA-pol與啟動序列結合9/15/20221812. 基因表達以操縱子為根本單位。原核基因一般不含內含子，其基因是連續(xù)的。大多數(shù)原核基因轉錄單位為多順反子。 9/15/2022182 多順反子(polycistron) 原核基因中多個功能相關的結構基因串聯(lián)在一起構成一個轉錄單位，即包含多個編碼多肽鏈或RNA的序列。通常依賴同一調控序列對其轉錄進行調節(jié)，使這些相關基因實現(xiàn)協(xié)同表達。9/15/2022183 單順反子(monocistron

54、) 編碼一個多肽鏈的DNA的序列區(qū)域。相當于真核細胞的一個基因，包括獨立的結構基因和調控序列。9/15/20221843. 轉錄和翻譯偶聯(lián)：原核生物染色體DNA是裸露的環(huán)形DNA，在細胞內轉錄成mRNA后，直接在胞漿中與核糖體結合翻譯為蛋白質。4. 普遍存在阻遏蛋白與操縱序列結合阻遏或解聚去阻遏的開關調節(jié)機制。 5. mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列 SD序列。 9/15/2022185轉錄水平的調控 影響轉錄的因素 轉錄的調控機制翻譯水平的調控 SD序列的調控作用 mRNA的穩(wěn)定性 翻譯產物的調控作用 小分子RNA的調控作用 二、原核生物基因表達的調控 9/15/20221861. 操縱

55、子模型的普遍性操縱子：原核生物細胞中多個功能相關基因成簇地串聯(lián)、密集于染色體上，共同組成一個轉錄單位。即多個結構基因受同一啟動序列控制，轉錄出多順販子mRNApolycistronic mRNA)。原核生物基因的協(xié)調表達即是通過調控單個啟動基因的活性來完成的。9/15/2022187 一個多順反子轉錄單位與其調控序列即構成操縱子operon。 乳糖操縱子lactose operon, lac是原核生物基因轉錄負調控的最典型模式,也稱Jacob-Monod模式。 9/15/20221882. 阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性阻遏蛋白與操縱序列結合：特異基因的表達被阻遏；阻遏蛋白與操縱序列解聚：特異基因

56、的表達去阻遏。9/15/2022189啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白與操縱序列的結合9/15/2022190二、乳糖操縱子調節(jié)機制1. 乳糖操縱子(lac operon)的結構 調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列 結構基因Z： 編碼-半乳糖苷酶Y： 編碼透酶A：編碼乙?；D移酶ZYAOPDNA9/15/2022191mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因2. 阻遏蛋白的負性調節(jié)9/15/2022192mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶9/15/2022193CAP: catabolite gene

57、 activator protein 代謝物基因激活蛋白 在啟動序列P上游有一個CAP結合位點，由P序列、O序列和CAP結合位點共同構成lac 操縱子的調控區(qū)。3. CAP的正性調節(jié)9/15/2022194代謝物基因激活蛋白CAP能將葡萄糖饑餓信號傳遞給很多操縱子，使細菌在缺乏葡萄糖的環(huán)境中利用其它碳源。 CAP的作用有cAMP依賴性，又稱其為cAMP受體蛋白cAMP receptor protein，CRP。9/15/2022195+ + + + 轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP9/15/2022196 在大腸桿菌的

58、許多操縱子中，基因的轉錄不是由單一因子調控的，而是通過負調控因子和正調控因子進行復合調控。4. 協(xié)調調節(jié)9/15/2022197mRNA低半乳糖時高半乳糖時 葡萄糖低 cAMP濃度高 葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO9/15/2022198第 八 節(jié)真核生物基因的表達調控the Regulation of Eukaryote Gene Expression9/15/2022199 單細胞真核生物，如酵母基因表達的調控和原核生物基因表達的調控根本相同。 多細胞真核生物中，遺傳信息從細胞核的基因組DNA傳遞到基因編碼的蛋白質均受到多層次的調控，包括DNA水平、轉錄水平、轉錄后水平、翻譯

59、水平和翻譯后水平的調控。9/15/2022200一、基因組DNA水平的調控 染色質的喪失 基因擴增gene amplification 基因重排gene rearrangementDNA甲基化 染色質結構改變9/15/2022201二、轉錄水平的調控 主要通過反式作用因子與順式作用元件及RNA聚合酶RNA polymerase, RNA pol的相互作用完成。 調控作用主要表現(xiàn)為反式作用因子影響轉錄起始復合物的形成。9/15/2022202三、翻譯水平的調控翻譯起始阻遏蛋白、翻譯起始因子、起始密碼、mRNA5-UTR長度mRNA穩(wěn)定性自身結構、RNase、反式作用因子、激素、生長因子、離子 小

60、分子RNA9/15/2022203五、翻譯后水平的調控 (posttranslational control)新生肽鏈水解個別氨基酸的共價修飾 靶向輸送9/15/2022204第四講 基因與疾病第十、十一章9/15/2022205第一節(jié) 基因變異與疾病一、基因 gene 是核酸分子中貯存遺傳信息的遺傳單位，一個基因不僅僅包括編碼蛋白質肽鏈或RNA的核酸序列，還包括保證轉錄所必需的調控序列及位于編碼區(qū)5端上游的非編碼序列、內含子和位于編碼區(qū)3端下游的非編碼序列。9/15/2022206二、基因突變點突變缺失插入重排融合9/15/2022207基因突變類型：1. 堿基置換突變(substituti