從mRNA到蛋白質(zhì)分子生物學(xué)

生物信息的傳遞（下）從mRNA到蛋白質(zhì)2021/4/91Crick的中心法則DNA1957年transcription

translationProteinDNA1970年Reverse

transcriptionRNA

RNAProtein2021/4/92?蛋白質(zhì)是生物信息通路上的終產(chǎn)物，一個(gè)活細(xì)胞在任何發(fā)育階段都需要數(shù)千種不同的蛋白質(zhì)。?活細(xì)胞內(nèi)時(shí)刻進(jìn)行著各種蛋白質(zhì)的合成、修飾、運(yùn)轉(zhuǎn)和降解反應(yīng)。2021/4/93?

翻譯是指將mRNA鏈上的核苷酸從一個(gè)特

定的起始位點(diǎn)開始，按每3個(gè)核苷酸代表

一個(gè)氨基酸的原則，依次合成一條多肽鏈

的過程。2021/4/94蛋白質(zhì)的生物合成?

場所：核糖體；?

模板：mRNA；?

轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)是模板與氨基酸之間的接合體。?

蛋白質(zhì)合成需要多種蛋白質(zhì)、酶和其他生物

大分子的參與(50%

of

the

cell’s

dry

weight)。?

蛋白質(zhì)合成是一個(gè)需能反應(yīng)(80-90%

of

thecell’s

energy)。2021/4/95遺傳密碼——三聯(lián)子貯存在DNA上的遺傳信息通過mRNA傳遞到蛋白質(zhì)上，mRNA與蛋白質(zhì)之間的聯(lián)系是通過遺傳密碼的破譯來實(shí)現(xiàn)的。遺傳密碼：mRNA上每3個(gè)核苷酸翻譯成多肽鏈上的一

個(gè)氨基酸，這3個(gè)核苷酸就稱為一個(gè)密碼子

（三聯(lián)子密碼）。2021/4/96The

genetic

code

is

triplet--

Key

termsCodon

is

a

triplet

of

nucleotides

that

represents

an

aminoacid

or

a

termination

signal.Genetic

code

is

the

correspondence

between

triplets

inDNA

(or

RNA)

and

amino

acids

in

protein.Initiation

codon

is

a

special

codon

(usually

AUG)

used

tostart

synthesis

of

a

protein.ORF

is

an

open

reading

frame;

presumed

likely

to

code

fora

protein.Reading

frame

is

one

of

three

possible

ways

of

reading

anucleotide

sequence

as

a

series

of

triplets.Termination

codon

is

one

of

three

(UAG,

UAA,

UGA)

thatcauses

protein

synthesis

to

terminate.2021/4/97Polypeptide

chains

are

specifiedby

ORF?

The

protein

coding

region

of

each

mRNA

is

composed

of

a

contiguous,

non-overlapping

string

of

codons

called

an

opening

reading

frame

(ORF)

.?

Each

ORF

begins

with

a

start

codon

and

ends

with

astop

codon.2021/4/98一個(gè)RNA分子可以以三種可能的閱讀框進(jìn)行翻譯只有一種閱讀框編碼實(shí)際信息2021/4/99三聯(lián)子密碼及其破譯若以3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸，有43=64種密碼子，滿足了編碼20種氨基酸的需要。2021/4/910(-)

(-)

(-)一次刪去5’-GUA

↓

↓

↓

UAC

GGAU………3’讀碼框不變用核苷酸的插入或刪除實(shí)驗(yàn)證明mRNA模板上每三個(gè)核苷酸組成一個(gè)密碼子。2021/4/911三聯(lián)子密碼的破譯?

制備E.coli無細(xì)胞合成體系，以均聚物、隨機(jī)共聚物和特定序列的共聚物模板指導(dǎo)多肽的合成。?

核糖體結(jié)合技術(shù)。2021/4/9122021/4/9131.Cell

lysate

treated

by

DNase

to

preventnew

transcriptionE.

coli

無細(xì)胞蛋白合成體系(cell-free

protein

synthesizing

system)2.

Add

homopolymeric

synthetic

mRNAs

[poly(U)]

+

19

cold

(non-labeled)

and

one

labeled

aminoacids3.

In

vitro

translation4.

Analyze

the

translated

polypeptides2021/4/914均聚物為模板Nirenberg把多聚（N）作為模板加入到無細(xì)胞體系時(shí)發(fā)現(xiàn)，新合成的多肽鏈?zhǔn)?poly(U)

---UUU---

polyphenylalaninepoly(C)

---CCC---

polyprolinepoly(A)

---AAA---

polylysinepoly(G)

---

did

not

work

because

ofthe

complex

secondary

structure多核苷酸磷酸化酶:在沒有模版的情況下將核苷酸連接起來2021/4/915Poly(UG)---poly(Cys-Val):5'……UGU

GUG

UGU

GUG

UGU

GUG……3'無論讀碼從U開始還是從G開始，都只能有UGU(Cys)及GUG(Val)兩種密碼子。隨機(jī)和特定序列共聚物為模板-

By

Gobind

Khorana2021/4/916?

以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等為模板，在含核糖體、同位素標(biāo)記的AA-tRNA的適當(dāng)離子強(qiáng)度的反應(yīng)液中保溫后通過硝酸纖維素濾膜。?

游離的AA-tRNA因相對分子質(zhì)量小能自由過膜，與14C標(biāo)記模板對應(yīng)的AA-tRNA能與核糖體結(jié)合，體積超過膜上的微孔而被滯留。核糖體結(jié)合技術(shù)--誘捕三核苷酸-by

Nirenberg

&

Leder2021/4/917三核苷酸密碼子能使特定的氨基酰-tRNA結(jié)合到核糖體上密碼子與核糖體相結(jié)合的14C標(biāo)記的氨基酰-tRNAPhe-tRNAPheLys-tRNALysPro-tRNAProUUUAAACCC4.6

*

0

0

07.7

0

0

03.1*數(shù)字代表特定氨基酰tRNA與帶有模板三核苷酸的核糖體相結(jié)合的效率。2021/4/918遺傳密碼的性質(zhì)1.密碼的連續(xù)性(commaless)2.密碼的簡并性(degeneracy)3.密碼的普遍性(universality)4.

密碼的特殊性(specificity)5.

密碼子與反密碼子的相互作用2021/4/919密碼的連續(xù)性(commaless)?

三個(gè)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸。?

三聯(lián)子密碼是非重疊(non-overlapping)和連續(xù)的(commaless)。2021/4/920密碼的簡并性(degeneracy)

4種核苷酸可組成64個(gè)密碼子:?

61個(gè)是編碼氨基酸的密碼子；?

3個(gè)即UAA、UGA和UAG是終止密碼子由一種以上密碼子編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象稱為簡并（degeneracy）2021/4/921通用遺傳密碼及相應(yīng)的氨基酸2021/4/922通用遺傳密碼及相應(yīng)的氨基酸除色氨酸（UGG）只有一個(gè)密碼子外，其他氨基酸都有一個(gè)以上的密碼子：?

9種氨基酸有2個(gè)密碼子，?

1種氨基酸有3個(gè)密碼子，?

5種氨基酸有4個(gè)密碼子，?

3種氨基酸有6個(gè)密碼子。同義密碼子(synonymous

codon)：對應(yīng)于同一氨基酸的密碼子2021/4/923Third

base

degeneracydescribes

the

lessereffect

on

codon

meaning

ofthe

nucleotide

present

inthe

third

codon

position.2021/4/924突變的影響1.

Transition

(轉(zhuǎn)換):

purine

?

purine

or

pymidine

?

pymidineAtthirdposition:

no

effect

except

for

Met

(AUG)

?

Ile

(AUA,AUC,AUU);Trp

(UGG)

?

stop

(UGA)Atsecondposition:

results

in

similarchemical

type

of

amino

acids.2021/4/9252.

Transversions

(顛換):purine

?

pymidineAt

third

position:

over

half

have

no

effect

and

result

in

a

similar

type

of

amino

acid.Asp

(GAU,GAC)

?

Glu

(GAA,GAG)At

second

position:

change

the

type

ofamino

acid.突變的影響2021/4/926Inthefirstposition,

both

transition

and

transvertion

specify

a

similar

type

of

amino

acid,

and

in

a

few

cases

it

is

the

same

amino

acid(Leu:

CUA

or

UUA).2021/4/927AUG→甲硫氨酸及起始密碼子GUG→纈氨酸及起始密碼子UAA→終止密碼子(Ochre赭石密碼子)UAG→終止密碼子(Amber琥珀密碼子)UGA→終止密碼子(Opal)蛋白石密碼子）起始密碼子和終止密碼子2021/4/9282021/4/929密碼的普遍性生物界基本共用同一套遺傳密碼。2021/4/930The

standard

codons

are

true

for

most

organisms,

but

not

for

all密碼的特殊性2021/4/931

tRNA的反密碼子在核糖體內(nèi)是通過堿基的

反向配對

與mRNA上的密碼子相互作用的。密碼子與反密碼子的相互作用Codon

5’

A

C

G

3’Anticodon

3’

U

G

C

5’is

usually

written

as

codon

ACG/anticodon

CGU,ACG

and

CGU2021/4/9321966年,Crick提出擺動假說(wobble

hypothesis)，解釋了反密碼子中某些稀有成分（如I）的配對，以及許多氨基酸有2個(gè)以上密碼子的問題。Wobble

hypothesis5'-anticodon

base

is

able

to

undergo

more

movementthan

the

other

two

bases

and

can

thus

form

non-standard

base

pairs

as

long

as

the

distancesbetween

the

ribose

units

are

close

to

normal.2021/4/933Wobble

in

base

pairingallows

G-U

pairs

toform

between

thethird

base

of

thecodon

and

the

firstbase

of

the

anticodon.2021/4/934密碼子與反密碼子的配對?前兩對嚴(yán)格遵守堿基配對原則?第三對堿基有一定的自由度，可以“擺動”，因而使某些tRNA可以識別1個(gè)以上的密碼子。Base

in

5’Anticodon

in

3’Codon一個(gè)tRNA究竟能識別多少個(gè)密碼子是由反密碼子的第一位堿基的性質(zhì)決定的。2021/4/935多個(gè)密碼子同時(shí)編碼一個(gè)氨基酸，凡是第一、二位堿基不同的密碼子都對應(yīng)于各自獨(dú)立的tRNA。?原核生物中大約有30-45種tRNA，?真核細(xì)胞中可能存在50種tRNA。2021/4/936?

為每個(gè)三聯(lián)密碼子翻譯成氨基酸提供了接合體，tRNA?為準(zhǔn)確無誤地將所需氨基酸運(yùn)送到核糖體上提供了運(yùn)送載體。又被稱為第二遺傳密碼2021/4/937tRNA?tRNA一級結(jié)構(gòu)(Primary

Structure)?tRNA二級結(jié)構(gòu)(Secondary

Structure)?tRNA三級結(jié)構(gòu)(Tertiary

Structure)?tRNA的功能2021/4/938?

長度:

60-95

nt

(commonly

76)?

殘基:

15

個(gè)invariant(恒定)

和

8個(gè)

semi-invariant(半恒定).

invariant

和

semi-variant

核苷的位置在二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)中起著重要的作用。tRNA一級結(jié)構(gòu)(primary

structure)含有修飾堿基(Modified

bases):?

有時(shí)一個(gè)tRNA分子的

20%

的堿基是經(jīng)過修飾的。?

已發(fā)現(xiàn)有超過50

種不同類型的修飾堿基。2021/4/939tRNA中所有4種堿基都能被修飾2021/4/940?

3個(gè)環(huán)(loop)

tRNA二級結(jié)構(gòu)(secondary

structure)不同tRNA在結(jié)構(gòu)上存在大量的共性，由小片段堿基互補(bǔ)配對形成三葉草形分子結(jié)構(gòu)：?

4條手臂(arm

or

stem)D

loopT

loopAnticodon

armAcceptor

stemD

armTψC

armVariable

arm2021/4/941?

受

體

臂

（

acceptorarm）由鏈兩端序列配對形成的桿狀結(jié)構(gòu)和3’端未配對的3～4個(gè)堿基所組成。?

其3’

端的最后3個(gè)堿基序列永遠(yuǎn)是CCA，最后一個(gè)堿基的3’或2’自由羥基(—OH)可以被氨?；?。Amino

acid

acceptor

stem2021/4/942D臂中存在多至3個(gè)可變核苷酸位點(diǎn)，17：1及20：1、20：2。最常見的D臂缺失這3個(gè)核苷酸，而最小的D臂中第17位核苷酸也缺失了。D-arm

and

D-loopD臂是根據(jù)它含有二氫尿嘧啶(dihydrouracil）命名的。2021/4/943Anticodon

loop反密碼子臂是根據(jù)位于套索中央的三聯(lián)反密碼子命名的。由5bp的臂和7個(gè)核苷的環(huán)組成。在環(huán)中有與密碼子互補(bǔ)的由3個(gè)核苷組成的反密碼子。2021/4/944Variable

arm

and

T-armTψ（Psi）C臂是根據(jù)3個(gè)核苷酸命名的，其中ψ表示擬尿嘧啶；由5bp臂和含有GTΨC的環(huán)組成。可變臂(多余臂)是由3到21個(gè)核苷組成，可能會形成多達(dá)7bp的臂。2021/4/945?

tRNA的稀有堿基含量非常豐富，約有70余種。?

每個(gè)tRNA分子至少含有2個(gè)稀有堿基，最多有19個(gè)，多數(shù)分布在非配對區(qū)，特別是在反密碼子3’端鄰近部位出現(xiàn)的頻率最高,且多為嘌呤核苷酸。?

對于維持反密碼子的穩(wěn)定性及密碼子、反密碼子間的配對很重要。2021/4/946在L形三級結(jié)構(gòu)中：?受體臂頂端的堿基位于“L”的一個(gè)端點(diǎn)，?反密碼子臂的套索狀結(jié)構(gòu)生成了“L”的另一個(gè)端點(diǎn)。這個(gè)結(jié)構(gòu)形式滿足了蛋白質(zhì)合成過程中對tRNA的各種要求而成為tRNA的通式。tRNA的L-形三級結(jié)構(gòu)2021/4/947?

tRNA三級結(jié)構(gòu)主要由在二級結(jié)構(gòu)中未配對

堿基間形成的9個(gè)氫鍵（三級氫鍵）而引發(fā)

的。?

大部分恒定或半恒定核苷酸都參與三級氫鍵的形成。tRNA三級結(jié)構(gòu)的形成2021/4/948模板mRNA只能識別特異的tRNA，而不是氨基酸:?

只有tRNA上的反密碼子能與mRNA上的密碼子相互識別并配對;?

氨基酸本身不能識別密碼子，只有結(jié)合到tRNA上生成AA-tRNA,才能被帶到mRNA-核糖體復(fù)合物上,插入到正在合成的多肽鏈的適當(dāng)位置上。tRNA的功能2021/4/9491.起始tRNA和延伸tRNA2.同工tRNA3.校正tRNAtRNA的種類2021/4/950?

起始tRNA:

能特異性識別mRNA模板上起始密碼子的tRNA;?

延伸tRNA:其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。?真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸(Met)，?原核生物起始tRNA攜帶甲酰甲硫氨酸(fMet)，?原核生物中Met-tRNAfMet必須首先甲?；蒮Met-tRNAfMet才能參與蛋白質(zhì)的生物合成。1.

起始tRNA和延伸tRNA2021/4/951?

同工tRNA：代表相同氨基酸的不同tRNA。2.同工tRNA?

在一個(gè)同工tRNA組內(nèi)，所有tRNA均專一于相同的氨酰-tRNA合成酶。?

同工tRNA既要有不同的反密碼子以識別該氨基酸的各種同義密碼，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被AA-tRNA合成酶識別。2021/4/952校正tRNA通過改變反密碼子區(qū)校正無義突變和錯(cuò)義突變。3.校正tRNA2021/4/953?

AA-tRNA合成酶是一類催化氨基酸與tRNA結(jié)合的特異性酶：AA+tRNA+ATP→AAtRNA+AMP+PPi氨酰-tRNA合成酶aminonacyl-tRNA

synthetase

(ARS

)2021/4/954包括兩步反應(yīng)：第一步是氨基酸活化生成氨酰-腺苷酸。AA+ATP+酶（E）→

E-AA-AMP+PPiAminoacylation

(腺苷酰化)

of

tRNAs第二步是氨?；D(zhuǎn)移到tRNA3‘

末端腺苷殘基的2’或3‘-羥基上,生成氨酰-tRNA。E-AA-AMP+tRNA→AA-tRNA+E+AMP2021/4/955tRNA-synthetases和charged

tRNAs的命名Amino

acid:

serineCognate

tRNA:

tRNAserCognate

aminoacyl-tRNA

synthetase:seryl-tRNA

synthetaseAminoacyl-tRNA:

seryl-tRNAserAminoacyl-tRNA

synthetases2021/4/9562021/4/957遺傳密碼通過兩個(gè)接頭分子的先后作用得以翻譯1.

氨酰-tRNA合成酶2.tRNA裝料2021/4/958核糖體(ribosome)protein-synthesizing

machines2021/4/959核糖體是由幾十種蛋白質(zhì)和多種核糖體RNA(ribosomal

RNA,

rRNA)所組成的亞細(xì)胞顆粒。它像一個(gè)沿著mRNA模板移動的工廠，執(zhí)行著蛋白質(zhì)合成的功能。

?

一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)約有20,000個(gè)核糖體，

?

真核細(xì)胞內(nèi)可達(dá)106個(gè)。

?

這些顆粒既可以游離狀態(tài)存在于細(xì)胞內(nèi)，也可

與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合，形成微粒體。2021/4/960核糖體及其他組分在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的分布

組分

細(xì)胞壁

細(xì)胞膜

DNA

mRNA

tRNA

rRNA核糖體蛋白可溶性蛋白

小分子占細(xì)胞總量

10%

10%

2%

2%

3%

21%

9%

40%

3%細(xì)胞內(nèi)數(shù)量

1

2

1

3.5×103

1.6×105

8×105

2×104

106

7.5×1062021/4/961?

真核生物中，大多數(shù)正在進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的核糖體都不是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)自由漂浮，而是直接或間接與細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)有關(guān)聯(lián)或者與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)相連的。?

細(xì)菌核糖體大都通過與mRNA相互作用，被固定在核基因組上。2021/4/962核糖體是一個(gè)致密的核糖核蛋白顆粒，可解離為兩個(gè)亞基，每個(gè)亞基都含有一個(gè)相對分子質(zhì)量較大的rRNA和許多不同的蛋白質(zhì)分子。核糖體的結(jié)構(gòu)2021/4/963核糖體是一個(gè)大型復(fù)合物,由4個(gè)RNA和超過80個(gè)蛋白質(zhì)組成2021/4/9642009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)solved

the

“phase

problem”

the

strong-willed

pioneer2021/4/965SSU

from

Ramakrishnan

work

with

A-site

Anticodon

Stem

Loop

bound

as

well

as

mRNA

analaog

show.LSU

from

Steitz

and

Moorelabs

work

shown核糖體的大小亞基2021/4/9662021/4/967Svedberg

(S):

the

unit

used

to

measuresedimentation

velocitySedimentation

velocity

is

determined

by

bothshape

and

size

and

hence

is

not

a

measure

ofmass2021/4/968?原核生物核糖體由約2/3的RNA及1/3的蛋白質(zhì)組成。?真核生物核糖體中RNA占3/5，蛋白質(zhì)占2/5。2021/4/969原核與真核細(xì)胞核糖體大小亞基比較EukaryotesProkaryotes2021/4/9702021/4/971

?大腸桿菌核糖體小亞基由21種蛋白質(zhì)組

成，分別用S1……S21表示，大亞基由36種

蛋白質(zhì)組成，分別用L1……L36表示。?真核生物細(xì)胞核糖體蛋白質(zhì)中，大亞基含有49種蛋白質(zhì)，小亞基有33種蛋白質(zhì)，它們的相對分子質(zhì)量在8×103～4.0×104之間。2021/4/972??Ribosomal

RNA

(rRNA)

transcription

and

ribosomal

proteins

(RPs)expression

(actinomycin

D

or

5-Fluorouracil

treament)Processing

of

pre-rRNA

Assembly

of

ribosome

Ribosomal

stress

and

p53

pathwayRibosomal

stress

results

from

:p53：人體內(nèi)最重要的抑癌蛋白Normal

StressCaldarola,

2009,

FEBS

Journal2021/4/973核糖體亞基蛋白調(diào)控HDM2-p53信號通路p53

信號通路(Chakraborty

et

al.,

2011,

Wiley

Interdiscip

Rev)2021/4/974核糖體亞基蛋白RPs-HDM2-p53通路RPs-MDM2(HDM2)-p53

pathway(Deisenroth

and

Zhang,

2010,

Oncogene)102021/4/975acute

myeloid

leukemia

Blood,2010,115:3196-3205Simplified

schematic

of

eukaryotic

ribosome

biogenesis

acute

myeloid

leukemiaBone

marrow

failure2021/4/9762021/4/9772021/4/9782021/4/979Size

comparisons

show

that

the

ribosome

islarge

enough

to

bind

tRNAs

and

mRNA.2021/4/980核糖體分子中可容納兩個(gè)tRNA和約40bp長的mRNA。核糖體結(jié)構(gòu)模型2021/4/981In

cells,

the

small

and

large

ribosomesubunits

associate

with

each

other

andthe

mRNA,

translate

it,

and

thendissociate

after

each

round

of

translation.This

sequence

of

association

anddissociation

is

called

the

ribosome

cycle.Ribosome

cycles2021/4/982Overview

of

the

events

of

translation/ribosome

cycleThe

large

and

the

small

subunits

undergone

associationand

dissociation

during

each

cycle

of

translation2021/4/983真核生物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的多聚核糖體(polyribosomes

or

polysomes)現(xiàn)象大大加速蛋白質(zhì)合成的速度，提高了mRNA的利用率。2021/4/984電鏡下的多聚核糖體

(polysomes)2021/4/9851.2.3.4.5

S

rRNA16

S

rRNA23

S

rRNA5.8

S

rRNArRNA2021/4/986?另一個(gè)區(qū)域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，與23S

rRNA的中一段序列互補(bǔ)，可能是5

S

rRNA與50

S核糖體大亞基相互作用的位點(diǎn)。

5S

rRNA細(xì)菌5

S

rRNA含有120個(gè)核苷酸（革蘭氏陰性菌）或116個(gè)核苷酸（革蘭氏陽性菌）。

5S

rRNA有兩個(gè)高度保守的區(qū)域:?一個(gè)區(qū)域含有保守序列CGAAC，這是與tRNA分子TψC環(huán)上的GTψCG序列相互作用的部位，是5

SrRNA與tRNA相互識別的序列。2021/4/987?

長約1

475～1

544個(gè)核苷酸之間?

含有少量修飾堿基?

位于原核生物30

S小亞基內(nèi)?

結(jié)構(gòu)十分保守:

(1)

3’端一段ACCUCCUUA的保守序列，與mRNA5’端翻譯起始區(qū)中的SD序列互補(bǔ)。

(2)

靠近3'

端處還有一段與23

S

rRNA互補(bǔ)的序列，在30

S與50

S亞基的結(jié)合中起作用。16S

rRNA2021/4/988rRNA可能與tRNAMet的結(jié)合有關(guān)。?

第143～157位核苷酸之間有一段12個(gè)核苷酸的序列與5

S

rRNA上第72～83位核苷酸互補(bǔ)，表明組成50

S大亞基的這