第05章 基因表達(dá)(改為白底黑字)

基因表達(dá)第五章基因表達(dá)（geneexpression）

是指基因所貯存的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄（transcription）和翻譯（translation）產(chǎn)生具有生物功能的多肽和蛋白質(zhì)的過程

第一節(jié) 基因表達(dá)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42023/10/2452023/10/24復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別模板原料酶產(chǎn)物配對兩股鏈均復(fù)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,T-A,G-C復(fù)制轉(zhuǎn)錄復(fù)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

●

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

1.

轉(zhuǎn)錄的體系●

原核細(xì)胞全酶（holoenzyme）α2ββ'ωσ●真核細(xì)胞RNA聚合酶IRNA聚合酶IIRNA聚合酶III

模板DNA

原料ATP、CTP、GTP、UTP

RNA聚合酶（一）基因轉(zhuǎn)錄的基本方式102023/10/24結(jié)構(gòu)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E.coliRNA聚合酶全酶(holoenzyme)的結(jié)構(gòu)β’βαασ決定被轉(zhuǎn)錄的基因識別轉(zhuǎn)錄起始點結(jié)合DNA模板與轉(zhuǎn)錄全過程有關(guān)β’βαα核心酶ωωRNA-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(xì)胞內(nèi)定位轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物對抑制劑鵝膏蕈堿反應(yīng)(二)轉(zhuǎn)錄的過程

1.起始●原核細(xì)胞RNA聚合酶與啟動子相互作用●真核細(xì)胞RNA聚合酶、反式作用因子與順式元件相互作用——拼板理論DNA原核生物啟動子5’3’3’5’TTGACATATAAT10bp15bpStartoftranscriptionPribnowboxRNApolymerase-35區(qū)-10區(qū)+1162023/10/24DNA5’3’3’5’真核生物啟動子StartoftranscriptionTATA10bpTATAboxHognessboxCCAATGCGCCAATboxGCbox-70區(qū)-25區(qū)+1RNApolymerase182023/10/24192023/10/242.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(xì)胞●真核細(xì)胞212023/10/243.終止●原核細(xì)胞●真核細(xì)胞結(jié)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(jié)構(gòu)RNA-pol5’3′ρDNARNApolyCρ因子和RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合RNA聚合酶構(gòu)象改變引起轉(zhuǎn)錄終止242023/10/24（三）轉(zhuǎn)錄后加工●原核細(xì)胞●真核細(xì)胞tRNA和rRNA需加工，mRNA不需加工tRNA、rRNA和mRNA均需加工1.原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的差異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(guān)5’pppG…5’ppG…pi5’GpppG…pppGppi甲基化酶mGpppG…磷酸酶CH3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(guān)282023/10/24

●剪接（splicing）

由小分子細(xì)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302023/10/24312023/10/24

通過不同剪接方式選擇性使用外顯子，合成功能不同而結(jié)構(gòu)只有微小差異的蛋白質(zhì)選擇性剪接

●RNA編輯（RNAediting）RNA編輯是對mRNA前體的序列進(jìn)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序列不同成熟mRNA＋蛋白質(zhì)→細(xì)胞核→細(xì)胞質(zhì)3.真核生物成熟mRNA的運(yùn)輸信使核糖核蛋白顆粒(mRNP)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(yīng)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(yùn)，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

(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(yùn)

(一)

翻譯的體系

●模板mRNA●氨基酸運(yùn)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

●

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(yīng)肽鏈從氨基端到羧基端

3個核苷酸構(gòu)成1個密碼子，指令氨基酸●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由氨基酰-tRNA合成酶催化與氨基酸的連接●

氨基酸運(yùn)輸tRNAT

C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(yùn)輸氨基酸●肽鏈合成場所核糖體（rRNA+蛋白質(zhì)）●原核細(xì)胞●真核細(xì)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

●蛋白質(zhì)因子

名稱原核細(xì)胞真核細(xì)胞IF1,IF2,IF3eIFn(10余種)

延長因子EFTu,EFTs,EFG

eEF1(α,

β,γ),

eEF2

釋放因子RF1,RF2,RF3eRF起始因子●原料20種有遺傳密碼的氨基酸●原核細(xì)胞●真核細(xì)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）氨基酸+ATP+tRNA氨基酰tRNA+AMP+PPi氨基酸的活化與轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酰tRNA的表示方法ala-tRNAalamet-tRNAemetarg-tRNAargmet-tRNAimet真核細(xì)胞起始用蛋氨酰tRNA真核細(xì)胞延伸用蛋氨酰tRNAfmet-tRNAfmet

原核細(xì)胞起始用甲酰蛋氨酰tRNAtRNA的總數(shù)（40-50）大于氨基酸的數(shù)目一種氨基酸可由2-6種tRNA特異地運(yùn)載氨基酰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(rèn)甲?；牡鞍彼岚被岬幕罨c轉(zhuǎn)運(yùn)特點

（二）翻譯的基本過程1.起始

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

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

●真核細(xì)胞eRF同時具有上述功能大小亞基的拆分mRNA與小亞基結(jié)合fmet-tRNA的結(jié)合核糖體大亞基結(jié)合翻譯起始復(fù)合物形成過程1.起始482023/10/24

特異的起始tRNA2.mRNA有5’端帽子結(jié)構(gòu)和3’尾巴。2種帽子結(jié)合蛋白（CBP）參與mRNA與核蛋白體小亞基結(jié)合3.起始階段,eIF2與met-tRNA及GTP結(jié)合形成復(fù)合物，eIF2是翻譯所必須的因子真核生物翻譯起始502023/10/2430S·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(fù)合物的形成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(fù)合物40S·mRNA·Met

·

tRNAimet·GTPeIF4C+mRNAeIF4A,4B,4E,4F+60SeIF2,3,4C,5eIF4D80S起始復(fù)合物的形成2.延長進(jìn)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(jìn)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542023/10/24552023/10/243.終止釋放因子（RF）辨認(rèn)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（RF）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。572023/10/24582023/10/24592023/10/24602023/10/24612023/10/24622023/10/24632023/10/24（三）肽鏈翻譯后的加工修飾

1.一級結(jié)構(gòu)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2.空間結(jié)構(gòu)修飾●

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

●亞基聚合

●輔基的結(jié)合（如糖基化等）(四)蛋白質(zhì)的分揀與轉(zhuǎn)運(yùn)

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

●各種細(xì)胞器：細(xì)胞器定位信號

●分泌至細(xì)胞外：信號肽（signalpeptide）堿性氨基酸＋疏水氨基酸＋剪切位點●

翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)同步（如多數(shù)分泌性蛋白）●翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)（如核DNA編碼的線粒體蛋白）2.轉(zhuǎn)運(yùn)靶向運(yùn)輸分泌至胞外留在胞漿內(nèi)進(jìn)入核內(nèi)或其他細(xì)胞器穿過合成所在的細(xì)胞到其它組織細(xì)胞去的蛋白質(zhì)為分泌性蛋白蛋白質(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(jié)合氯霉素類，阻斷延長，原核鏈霉素類，改變構(gòu)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，真核抑制蛋白質(zhì)合成的生物活性物質(zhì)白喉毒素(DT)：對EF2進(jìn)行修飾而失活干擾素(IF)：α-IF,β-IF,γ-IF

誘導(dǎo)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(dǎo)產(chǎn)生一種RNA內(nèi)切酶，破壞病毒RNA第二節(jié)環(huán)境對基因表達(dá)的影響

一、外環(huán)境因素對基因表達(dá)的影響二、基因表達(dá)時空調(diào)控三、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理一、外環(huán)境因素對基因表達(dá)的影響

●原核生物基因表達(dá)

●環(huán)境壓力形成了特殊的表達(dá)方式

●該表達(dá)方式對環(huán)境有高度適應(yīng)性應(yīng)變能力

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(dāng)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(xué)家Jacob-Monod提出操縱元模型——乳糖操縱元（LactoseOperon)●乳糖操縱子

●組成結(jié)構(gòu)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(jié)合,阻礙RNA聚合酶對下游三個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。大腸桿菌乳糖操縱子(lacoperon)的調(diào)節(jié)●真核生物基因表達(dá)

●

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(xì)胞的基因表達(dá)也會受到環(huán)境變化的影響)二、基因表達(dá)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(dá)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(xué)意義分化與發(fā)育適應(yīng)環(huán)境①多細(xì)胞生物不同組織細(xì)胞中的基因組是相同的不同細(xì)胞表達(dá)不同基因同一細(xì)胞不同的發(fā)育階段，表達(dá)不同基因同一種細(xì)胞中不同基因表達(dá)水平不同豐富mRNA(高豐度)稀少mRNA(低豐度)基因差異表達(dá)特征基因差異表達(dá)是多細(xì)胞生物進(jìn)化的結(jié)果,是細(xì)胞活動分工的基礎(chǔ)三、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理●基因表達(dá)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DNA元件原核生物：啟動序列、操縱序列

真核生物：啟動子、增強(qiáng)子、抑制子

順式作用元件特異DNA序列●

基因表達(dá)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(qiáng)子結(jié)合因子抑制子結(jié)合因子第三節(jié)原核生物基因表達(dá)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(jī)制多順反子mRNA阻遏蛋白介導(dǎo)的負(fù)性調(diào)節(jié)為主轉(zhuǎn)錄起始是調(diào)節(jié)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)層次●轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)●

起始調(diào)節(jié)是關(guān)鍵●

依靠操縱子(operon)與阻遏蛋白(負(fù))、激活蛋白(正)的相互作用阻遏蛋白對大腸桿菌乳糖操縱子的負(fù)調(diào)節(jié)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(jié)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(jié)合，從而激活BAD基因轉(zhuǎn)錄●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(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)錄過早終止，稱為衰減（attenuation）有色氨酸時，轉(zhuǎn)錄過早終止，只生成先導(dǎo)mRNA色氨酸操縱子（trpoperon）表達(dá)的衰減缺色氨酸時