基因表達改為白底黑字

基因表達改為白底黑字第1頁/共114頁第一節(jié) 基因表達的過程和特點

一、基因的轉(zhuǎn)錄—RNA的合成

二、蛋白質(zhì)的生物合成—翻譯第2頁/共114頁32023/3/14第3頁/共114頁42023/3/14第4頁/共114頁復制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別模板原料酶產(chǎn)物配對兩股鏈均復制模板鏈轉(zhuǎn)錄dNTPNTPDNA聚合酶RNA聚合酶子代雙鏈DNAmRNA,tRNA,rRNAA-T,G-CA-U,C-A,G-C復制轉(zhuǎn)錄第5頁/共114頁復制和轉(zhuǎn)錄的比較

多核苷酸鏈的合成方向都是5’—3’

在3’-OH末端與加入的核苷酸形成磷酸二酯鍵不同點類似點

對于一個基因組來說，轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基因，而且每個基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對獨立的控制

轉(zhuǎn)錄是不對稱的

轉(zhuǎn)錄時不需要引物

RNA鏈的合成是連續(xù)的第6頁/共114頁

●

定義轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板合成RNA的過程mRNA、tRNA、rRNA、小分子RNA●

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一、基因的轉(zhuǎn)錄第7頁/共114頁

1.

轉(zhuǎn)錄的體系●

原核細胞全酶（holoenzyme）α2ββ'σ●真核細胞RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III模板DNA

原料ATP、CTP、GTP、UTPRNA聚合酶（一）基因轉(zhuǎn)錄的基本方式第8頁/共114頁92023/3/14第9頁/共114頁結構基因模板鏈，有意義鏈，Waston鏈編碼鏈，反意義鏈，Crick鏈5’3’3’5’RNA合成中的DNA模板第10頁/共114頁E.coliRNA聚合酶全酶(holoenzyme)的結構β’βαασ決定被轉(zhuǎn)錄的基因識別轉(zhuǎn)錄起始點結合DNA模板與轉(zhuǎn)錄全過程有關β’βαα核心酶第11頁/共114頁RNA-polI核仁45S-rRNA不敏感RNA-polII核質(zhì)hnRNA低濃度敏感RNA-polIII核質(zhì)5S-rRNA,tRNA,snRNA

高濃度敏感MtRNA-pol線粒體線粒體RNAs不敏感真核生物的RNA聚合酶種類細胞內(nèi)定位轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物對抑制劑鵝膏蕈堿反應第12頁/共114頁(二)轉(zhuǎn)錄的過程

1.起始●原核細胞RNA聚合酶與啟動子相互作用●真核細胞RNA聚合酶、反式作用因子與順式元件相互作用——拼板理論第13頁/共114頁DNA原核生物啟動子5’3’3’5’TTGACATATAAT10bp15bpStartoftranscriptionPribnowboxRNApolymerase-35區(qū)-10區(qū)+1第14頁/共114頁152023/3/14第15頁/共114頁DNA5’3’3’5’真核生物啟動子StartoftranscriptionTATA10bpTATAboxHognessboxCCAATGCGCCAATboxGCbox-70區(qū)-25區(qū)+1RNApolymerase第16頁/共114頁172023/3/14第17頁/共114頁182023/3/14第18頁/共114頁2.延伸核心酶催化

磷酸化的RNA聚合酶催化，核小體解聚●原核細胞●真核細胞第19頁/共114頁202023/3/14第20頁/共114頁3.終止●原核細胞●真核細胞結合富含C的RNA區(qū)段，發(fā)揮ATP酶及解螺旋酶活性轉(zhuǎn)錄終止的修飾點處切離并加尾依賴ρ因子不依賴ρ因子RNA3‘端形成莖環(huán)結構第21頁/共114頁RNA-pol5’3′ρDNARNApolyCρ因子和RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結合RNA聚合酶構象改變引起轉(zhuǎn)錄終止第22頁/共114頁232023/3/14第23頁/共114頁（三）轉(zhuǎn)錄后加工●原核細胞●真核細胞tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工tRNA、rRNA和mRNA均需加工1.原核細胞和真核細胞的差異第24頁/共114頁2.真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工●

5'端加帽轉(zhuǎn)錄未終止時加入m7G5'ppp，與穩(wěn)定mRNA及翻譯起始有關5’pppG…5’pG…ppi5’GpppG…pppGpi甲基化酶mGpppG…磷酸酶CH3第25頁/共114頁核酸酶poly(A)3’-OH引入100-200bpA真核基因3’端AATAA切除3’尾10—25堿基●3'端加尾加尾信號處切離,并加poly(A)，與穩(wěn)定mRNA及翻譯效率有關第26頁/共114頁272023/3/14第27頁/共114頁

●剪接（splicing）

由小分子細胞核內(nèi)核蛋白顆粒（snRNP）去除核不均一RNA（hnRNA）中的內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄序列第28頁/共114頁292023/3/14第29頁/共114頁302023/3/14第30頁/共114頁

通過不同剪接方式選擇性使用外顯子，合成功能不同而結構只有微小差異的蛋白質(zhì)選擇性剪接第31頁/共114頁

●RNA編輯（RNAediting）RNA編輯是對mRNA前體的序列進行的改編，在mRNA前體分子的堿基序列中C被U取代，A被G取代，使成熟mRNA的序列與基因組DNA序列不同第32頁/共114頁成熟mRNA＋蛋白質(zhì)→細胞核→細胞質(zhì)3.真核生物成熟mRNA的運輸信使核糖核蛋白顆粒(mRNP)第33頁/共114頁二、蛋白質(zhì)的生物合成——翻譯

以特定核苷酸序列的mRNA為模板，合成相應氨基酸序列的多肽鏈，即將帶有遺傳信息的核苷酸順序轉(zhuǎn)換為氨基酸順序的過程組成蛋白質(zhì)的氨基酸由其特定的tRNA攜帶和轉(zhuǎn)運，在核蛋白體上按照模板mRNA所提供的編碼信息合成具有特定序列的多肽鏈第34頁/共114頁

(一)

翻譯的體系(二)翻譯的基本過程(三)肽鏈翻譯后的加工修飾(四)蛋白質(zhì)的分揀與轉(zhuǎn)運

第35頁/共114頁(一)

翻譯的體系

●模板mRNA●氨基酸運輸tRNA●肽鏈合成場所核糖體（rRNA+蛋白質(zhì)）●蛋白質(zhì)因子起始、延長、終止因子●原料20種有遺傳密碼的氨基酸第36頁/共114頁

●

模板mRNA

mRNA是翻譯的直接模板

mRNA的壽命一般較短

編碼單個蛋白或多個蛋白mRNA具有方向性，從5‘端到3’端。對應肽鏈從氨基端到羧基端

3個核苷酸構成1個密碼子，指令氨基酸第37頁/共114頁●連續(xù)性●簡并性●通用性●擺動性●方向性密碼子特點遺傳密碼表第38頁/共114頁由氨基酰-tRNA合成酶催化與氨基酸的連接●

氨基酸運輸tRNATC環(huán)反密碼子氨基酸臂額外環(huán)(可變的)DHU環(huán)具有絕對專一性和校正功能運輸氨基酸第39頁/共114頁●肽鏈合成場所核糖體（rRNA+蛋白質(zhì)）●原核細胞●真核細胞30S:16SrRNA和21種蛋白質(zhì)50S:5S、23SrRNA和34種蛋白質(zhì)）40S:18SrRNA和33種蛋白質(zhì)

60S:5S、5.8S、23SrRNA和49種蛋白質(zhì)70S80S第40頁/共114頁

●蛋白質(zhì)因子

名稱原核細胞真核細胞IF1,IF2,IF3eIFn(10余種)

延長因子EFTu,EFTs,EFG

EF1(α,

β,γ),

EF2

釋放因子RF1,RF2,RF3eRF起始因子第41頁/共114頁●原料20種有遺傳密碼的氨基酸●原核細胞●真核細胞起始氨基酸為N-甲酰蛋氨酸（密碼子AUG、GUG、UUG）起始氨基酸為蛋氨酸（密碼子AUG）第42頁/共114頁氨基酸+ATP+tRNA氨基酰tRNA+AMP+PPi氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運氨基酰tRNA的表示方法ala-tRNAalamet-tRNAemetarg-tRNAargmet-tRNAimet真核細胞起始用蛋氨酰tRNA真核細胞延伸用蛋氨酰tRNAfmet-tRNAimet

原核細胞延伸用甲酰蛋氨酰tRNA第43頁/共114頁一種氨基酸可由2-6種tRNA特異地運載tRNA的總數(shù)（40-50）大于氨基酸的數(shù)目氨基酰tRNA合成酶具有高度特異性（副密碼子）氨基酰tRNA合成酶具有校讀活性真核生物攜帶蛋氨酸的tRNA有兩種，分別為tRNAimet和tRNAemet原核生物AUG只能辨認甲酰化的蛋氨酸氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運特點第44頁/共114頁

（二）翻譯的基本過程1.起始

形成翻譯起始復合物2.延長指每加一個氨基酸經(jīng)過進位、成肽和轉(zhuǎn)位3.終止

●原核細胞RF1,RF2識別終止密碼，RF3激活轉(zhuǎn)肽酶釋放肽鏈

●真核細胞eRF同時具有上述功能第45頁/共114頁大小亞基的拆分mRNA與小亞基結合fmet-tRNA的結合核糖體大亞基結合翻譯起始復合物形成過程1.起始第46頁/共114頁472023/3/14第47頁/共114頁

特異的起始tRNA2.mRNA有5’端帽子結構和3’尾巴。2種帽子結合蛋白（CBP）參與mRNA與核蛋白體小亞基結合3.起始階段,eIF2與met-tRNA及GTP結合形成復合物，eIF2是翻譯所必須的因子真核生物翻譯起始第48頁/共114頁492023/3/14第49頁/共114頁30S·mRNA·fMet·tRNAfmet·GTP·IF2IF3·IF1+mRNA70S核糖體+IF3+IF1

30S小亞基·IF3·IF1+50S大亞基fMettRNAfmet+GTP+IF2

fMet·tRNAfmet·IF2·GTP+50SIF2IF1IF3·GDP70S·mRNA·fMet·tRNAfmet70S起始復合物的形成第50頁/共114頁40S·Met

·

tRNAimet·GTP80S核蛋白體+eIF340S小亞基·eIF3+60S大亞基Met·tRNAimet+GTP+eIF2

Met·tRNAfmet·eIF2·GTP80S·Met·tRNAfmet·mRNA80S起始復合物40S·mRNA·Met

·

tRNAimet·GTPeIF4C+mRNAeIF4A,4B,4E,4F+60SeIF2,3,4C,5eIF4D80S起始復合物的形成第51頁/共114頁2.延長進位、成肽和轉(zhuǎn)位三個階段核糖體循環(huán)P位：給位或肽位DonorsiteorPeptidylsiteA位：受位或氨基酰位AcceptorsiteorAminoacylsite進位成肽轉(zhuǎn)位核糖體小亞基PAmRNAAUGUUAGGUCCCAACAGCAUCUAC核糖體大亞基tRNAAAUtRNA蛋亮PAmRNAAUGUUCGGUCCCAACAGCAUCUACAAG蛋亮PAmRNAAUGUUCGGUCCCAACAGCAUCAAG亮蛋第52頁/共114頁532023/3/14第53頁/共114頁542023/3/14第54頁/共114頁3.終止釋放因子（RF）辨認終止碼RF3激活轉(zhuǎn)肽酶，催化P位上的肽與tRNA解離在釋放因子（RR）的作用下，tRNA，mRNA和RF從核糖體上解離，在IF的作用下核糖體自身分解為大小亞基。第55頁/共114頁562023/3/14第56頁/共114頁572023/3/14第57頁/共114頁582023/3/14第58頁/共114頁592023/3/14第59頁/共114頁602023/3/14第60頁/共114頁612023/3/14第61頁/共114頁622023/3/14第62頁/共114頁（三）肽鏈翻譯后的加工修飾

1.一級結構修飾●去掉N-甲酰基、N-蛋氨酸或N端序列

●

個別氨基酸的修飾（羥化、磷酸化、形成-S-S-等）●

多蛋白（polyprotein）的水解修飾第63頁/共114頁2.空間結構修飾●

折疊成天然構象分子伴侶（molecularchaperon）幫助新生多肽鏈折疊成高級結構的一類蛋白質(zhì)

●亞基聚合

●輔基的結合（如糖基化等）第64頁/共114頁(四)蛋白質(zhì)的分揀與轉(zhuǎn)運

1.分揀（sorting）分揀信號蛋白質(zhì)的一級結構或高級結構中存在被分配到目的地的信息●細胞核：核定位信號（富含堿性氨基酸）

●各種細胞器：細胞器定位信號

●分泌至細胞外：信號肽（signalpeptide）堿性氨基酸＋疏水氨基酸＋剪切位點第65頁/共114頁●

翻譯轉(zhuǎn)運同步（如多數(shù)分泌性蛋白）●翻譯后轉(zhuǎn)運（如核DNA編碼的線粒體蛋白）2.轉(zhuǎn)運靶向運輸分泌至胞外留在胞漿內(nèi)進入核內(nèi)或其他細胞器穿過合成所在的細胞到其它組織細胞去的蛋白質(zhì)為分泌性蛋白第66頁/共114頁蛋白質(zhì)合成的調(diào)節(jié)四環(huán)素類，抑制原核氨基酰tRNA與核糖體結合氯霉素類，阻斷延長，原核鏈霉素類，改變構象，原核嘌呤霉素，競爭抑制酪氨酰tRNA,原核真核放線菌酮，抑制轉(zhuǎn)肽酶，真核第67頁/共114頁抑制蛋白質(zhì)合成的生物活性物質(zhì)白喉毒素(DT)：對EF2進行修飾而失活干擾素(IF)：α-IF,β-IF,γ-IF

誘導并激活一種蛋白激酶，使eIF2磷酸化而失活,使病毒蛋白的合成受到抑制；此外，還可誘導產(chǎn)生一種RNA內(nèi)切酶，破壞病毒RNA第68頁/共114頁第二節(jié)環(huán)境對基因表達的影響

一、外環(huán)境因素對基因表達的影響二、基因表達時空調(diào)控三、基因表達調(diào)控的基本原理第69頁/共114頁一、外環(huán)境因素對基因表達的影響

●原核生物基因表達

●環(huán)境壓力形成了特殊的表達方式

●該表達方式對環(huán)境有高度適應性應變能力

第70頁/共114頁

大腸桿菌可以利用許多糖作為碳源，葡萄糖、乳糖、果糖等等但大腸桿菌優(yōu)先利用葡萄糖。當環(huán)境中的葡萄糖缺乏時，開始利用乳糖或其它糖。

1960年，法國科學家Jacob-Monod提出操縱元模型——乳糖操縱元（LactoseOperon)第71頁/共114頁●乳糖操縱子

●組成結構基因（z、y、a

）調(diào)控元件（啟動子，操縱基因）●調(diào)控方式葡萄糖充足時，阻遏物與操縱基因結合,阻礙RNA聚合酶對下游三個結構基因的轉(zhuǎn)錄

葡萄糖不足時，利用乳糖去阻遏物,允許RNA聚合酶對下游三個結構基因的轉(zhuǎn)錄。第72頁/共114頁大腸桿菌乳糖操縱子(lacoperon)的調(diào)節(jié)第73頁/共114頁●真核生物基因表達

●

外環(huán)境比原核生物優(yōu)越●

主要受內(nèi)環(huán)境變化的影響

(有些細胞的基因表達也會受到環(huán)境變化的影響)第74頁/共114頁二、基因表達的時空調(diào)控●調(diào)控對象可調(diào)節(jié)基因（regulatedgene），是特定時空條件下特異性表達的基因●調(diào)控特點階段特異性（時間特異性）組織特異性（空間特異性）●生物學意義分化與發(fā)育適應環(huán)境第75頁/共114頁①多細胞生物不同組織細胞中的基因組是相同的不同細胞表達不同基因同一細胞不同的發(fā)育階段，表達不同基因同一種細胞中不同基因表達水平不同豐富mRNA(高豐度)稀少mRNA(低豐度)基因差異表達特征基因差異表達是多細胞生物進化的結果,是細胞活動分工的基礎第76頁/共114頁三、基因表達調(diào)控的基本原理●基因表達調(diào)控的環(huán)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白質(zhì)合成的調(diào)控第77頁/共114頁DNA元件原核生物：啟動序列、操縱序列

真核生物：啟動子、增強子、抑制子

順式作用元件特異DNA序列●

基因表達調(diào)控的因素蛋白分子真核生物：轉(zhuǎn)錄因子

原核生物：RNA聚合酶特異因子、阻遏蛋白、激活蛋白轉(zhuǎn)錄因子反式作用因子基本轉(zhuǎn)錄因子增強子結合因子抑制子結合因子第78頁/共114頁第三節(jié)原核生物基因表達的調(diào)控

●

特點轉(zhuǎn)錄與翻譯緊密偶聯(lián)操縱子是主要調(diào)節(jié)機制多順反子mRNA阻遏蛋白介導的負性調(diào)節(jié)為主轉(zhuǎn)錄起始是調(diào)節(jié)的關鍵第79頁/共114頁調(diào)節(jié)層次●轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)●

起始調(diào)節(jié)是關鍵●

依靠操縱子(operon)與阻遏蛋白(負)、激活蛋白(正)的相互作用第80頁/共114頁阻遏蛋白對大腸桿菌乳糖操縱子的負調(diào)節(jié)第81頁/共114頁激活蛋白對阿拉伯糖啟動子的正調(diào)節(jié)

無阿拉伯糖時，AraC同二聚體與O2和I1結合，BAD基因不發(fā)生轉(zhuǎn)錄有阿拉伯糖時，AraC用另一種方式形成二聚體與I1和I2結合，從而激活BAD基因轉(zhuǎn)錄第82頁/共114頁●轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)色氨酸操縱子trpoperon依賴ρ因子或者依賴轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物3’端發(fā)夾結構，使轉(zhuǎn)錄過早終止，稱為衰減（attenuation）第83頁/共114頁有色氨酸時，轉(zhuǎn)錄過早終止，只生成先導mRNA色氨酸操縱子（trpoperon）表達的衰減缺色氨酸時，轉(zhuǎn)錄完全，生成全長mRNA第84頁/共114頁●翻譯調(diào)節(jié)

●

稀有密碼子對翻譯影響

主要影響翻譯的速度

mRNA的5′端或3′端形成發(fā)夾結構，可防止被外切酶水解，延長其壽命●

翻譯阻遏反義RNA（antisenseRNA）阻礙核糖體與靶mRNA結合●mRNA穩(wěn)定性對翻譯的影響調(diào)節(jié)蛋白競爭mRNA的核糖體結合位點第85頁/共114頁第四節(jié)真核生物基因表達的調(diào)控

一、轉(zhuǎn)錄前的調(diào)控二、真核基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)三、翻譯水平的調(diào)控第86頁/共114頁真核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄后修飾染色質(zhì)結構轉(zhuǎn)錄起始復合物剪接加帽、加尾出核轉(zhuǎn)運第87頁/共114頁真核基因結構特點單順反子重復序列斷裂基因真核基因轉(zhuǎn)錄特點染色體結構變化正向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄與翻譯分隔進行第88頁/共114頁調(diào)控元件多而復雜，不同的基因調(diào)控元件組合不同，構成它特有的組合模式不同的基因轉(zhuǎn)錄除需要普通轉(zhuǎn)錄因子與RNA聚合酶作用外，還需要特異轉(zhuǎn)錄因子特異轉(zhuǎn)錄因子與增強子，沉默子等結合，決定基因表達的特異性基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中始終體現(xiàn)DNA與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用真核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控特點★★★★第89頁/共114頁一、轉(zhuǎn)錄前的調(diào)控

●

特點多層次調(diào)控(正性調(diào)節(jié)為主)核小體結構松弛、缺失對核酸酶敏感CpG島低甲基化組蛋白乙酰化（H1缺失）轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域的特點第90頁/共114頁組蛋白的乙?；图谆疍NA的甲基化與其他蛋白的相互作用轉(zhuǎn)錄前調(diào)控的方式轉(zhuǎn)錄復合物不能進入致密染色質(zhì)

▲高致密度的染色質(zhì)(heterochromatin)不能轉(zhuǎn)錄▲染色質(zhì)的致密程度依賴于第91頁/共114頁▲屬翻譯后修飾▲Acetylgroup(CH3COO–)共價與組蛋白的堿性氨基酸結合▲中和正電荷▲消除組蛋白與DNA的離子鍵結合▲松弛染色質(zhì)▲活化轉(zhuǎn)錄組蛋白乙酰化的作用第92頁/共114頁二、真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)順式作用元件反式作用因子順式作用元件和反式作用因子的相互作用決定基因是否轉(zhuǎn)錄第93頁/共114頁DNA結構中蘊藏著調(diào)控序列順式作用元件與基因表達cis-actingelement

真核細胞編碼蛋白質(zhì)的基因中存在一些參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的非編碼區(qū)域第94頁/共114頁100~300bp位置靈活是否發(fā)揮作用取決組織細胞是否存在特異轉(zhuǎn)錄因子增強子

位于轉(zhuǎn)錄起始上下游的DNA元件。與特異轉(zhuǎn)錄因子結合后增強啟動子活性，決定基因表達時空性第95頁/共114頁

沉默子（silencer)

結合特異轉(zhuǎn)錄因子后抑制啟動子的活性，一般屬于負調(diào)控元件主要取決于特異轉(zhuǎn)錄因子的作用第96頁/共114頁

反應元件（responseelement)舉例

熱休克反應元件---HSE

糖皮質(zhì)激素反應元件---GRE

金屬離子反應元件---MRETPA反應元件---TRE

低氧誘導因子反應元件干擾素反應元件第97頁/共114頁DNA結構中蘊藏著調(diào)控序列蛋白質(zhì)---轉(zhuǎn)錄因子決定基因的開放或關閉第98頁/共114頁

也稱轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors，TF），是一類細胞核內(nèi)蛋白質(zhì)因子，通過與順式作用元件和RNA聚合酶的相互作用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的活性反式作用因子對基因表達的調(diào)控反式作用因子（trans-actingfactor）第99頁/共114頁反式作用因子類型基礎轉(zhuǎn)錄因子basaltranscriptionfactor結合RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄核心元件結合轉(zhuǎn)錄非核心元件和基礎轉(zhuǎn)錄因子，激活或者抑制兩類作用特異轉(zhuǎn)錄因子specialtranscriptionfactor第100頁/共114頁反式作用因子的結構DNA結合域DNAbindingdomain轉(zhuǎn)錄激活域activationdomainDNA結合域的四種模體●

螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋（helix-turn-helix,HTH）●

鋅指（zincfinger）●

亮氨酸拉鏈（leucinezipper）●

螺旋－環(huán)－螺旋（helix-loop-helix,HLH）第101頁