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生物化学与分子生物学 3（遗传信息：传递和表达）
此导图为生物化学的第三部分，主要涉及的是细胞中遗传信息，从基因组起始，通过表达途径，最终表达出得到特定功能蛋白质的过程。可以作为学习笔记和复习资料，帮助大家系统地回顾和巩固所学知识，学生更好地理解和记忆知识。
编辑于2024-06-30 14:56:26- 基因
- 分子生物学
- 中心法则
- 遗传信息
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生物化学与分子生物学 3 （遗传信息：传递和表达）
一、 基因和染色体
基因的概念的演化
孟德尔的遗产因子假说
摩尔根的基因学说和染色体理论
基因是编码多肽链和RNA的一段DNA序列。
重要的是研究其编码的遗传信息，而不是只有表面上的物理载体
基因和基因组的结构
概念
基因组：生物单倍体的整套基因。
基因与基因组
病毒
DNA：单链或双链，线状或环状 RNA：正链、负链或双链，线状或环状
原核生物和 真核生物细胞器
DNA：双链环状，极少数为线状分子
基因组的结构特征
① 基因组较小，大部分为编码序列，单拷贝（rRNA 基因为多拷贝），间隔序列和调节序列所占比例较小； ② 基因编码序列连续，无内含子； ③ 功能相关的基因组成操纵子； ④ 重复序列极少、较短。
推测，能够独立生活的原始细胞可能最低基因数为256个。
大肠杆菌操纵子
子主题
质粒 染色体外的基因或基因组
双链环状，极少数为线状分子
有些质粒并不携带对宿主有益的遗传信息，仅有的功能就在于可自身繁殖。
单拷贝质粒
多拷贝质粒
线粒体DNA（mtDNA）
多个环状分子
低等生物
大小
植物
后生动物
叶绿体DNA（cpDNA）
多个环状分子
120~217kb
染色体外的遗传因子
病毒基因组
选择的压力使病毒基因组被压缩，基因间隔区很小或没有。
有些病毒基因相互重叠
子主题
真核生物
真核生物基因组的结构特征
① 基因组较大（），间隔序列和调节序列所占比例大； ② 通常基因的编码序列不连续，编码的外显子被非编码的内含子序列分隔开； ③ 功能相关的基因分散在各个染色体上，不组成操纵子； ④ 存在较大比例的各种重复序列。
人类单倍体基因组DNA 结构
子主题
各类调控元件
增强子
沉默子
绝缘子
重复序列
高度重复序列
卫星DNA
中度重复序列
基因家族： 由一个祖先基因经重复和突变， 形成若干序列相似、其编码产物结构和功能相近的基因群。
基因簇： 位置上彼此排列在一起。
染色体的结构
染色体的不同结构层次
压缩比指DNA分子长度与组装后特定结构长度之比。
细菌拟核的结构
HU蛋白
突环
支架结构
真核生物染色体的结构
常染色质与异染色质
常染色质
子主题
异染色质
子主题
组成型
功能型
核小体
染色质的基本结构单位
组蛋白八聚体（H2A H2B H3 H4 *2）
H1
合适的位置装配 和解开
组蛋白分子伴侣
染色质的高级结构
子主题
染色质重塑： 染色质的结构改变
组蛋白变异和修饰
组蛋白变异体改变核小体的功能
组蛋白修饰
组蛋白修饰酶
DNA的修饰
DNA甲基化引起基因沉默和异染色质化
性别决定和剂量补偿
基因组印记
基因表达较长期的调节
染色质重塑和基因表达调节
依赖于ATP的染色质重塑复合物
子主题
基因的进化
进化热力学和动力学
生命的起源
子主题
生物的进化
基因与基因组的进化
表观遗传对生物进化的作用
二、 DNA的复制和修复
一、DNA的复制
引言
染色体的复制
染色体外遗传因子的复制
DNA的半保留复制
双链DNA普遍的复制机制
在复制的过程中，亲代DNA的两条链解开，各自作为模板通过碱基配对原则合成出另一条互补链。
DNA的复制起点和复制方式
基因组能独立进行复制的单位称为复制子。 每个复制子都含有控制复制起始的复制起点（oil），可能含有终止复制的终点。
原核生物的染色体和质粒
都在一个固定的起点开始复制
复制方向
大多是双向的，形成两个复制叉，分别向两侧进行复制。
对称
复制眼θ结构
不对称，一条链复制后再进行另一条链的复制
单向，形成一个复制叉
复制速度 50000bp/min 20~40min完成复制，会出现多复制叉的情况
真核生物染色体 多复制子，多复制起点
复制速度 1000~3000bp/min 单个复制子100~200kb 整体6~8h完成复制。
病毒一个DNA分子为一个复制子 线性DNA病毒，或侵入后环化或起点位于末端
复制起点与基因分布规律： 离复制起点越近基因出现的频率越高。
DNA的不同复制方式
滚环式 噬菌体fX174 环状单链DNA 某些双链DNA也可以
形成共价闭环的双链分子（复制型，正链、负链）
A蛋白在正链特定位点切开，与5' 末端结合，游离出3' -OH末端
DNA聚合酶以环状的负链为模板，向正链游离出3' -OH末端添加脱氧核苷酸使链不断延长
合成一圈后，露出切口序列，A蛋白切开后结合在5' 末端 游离出单位长度的单链DNA
替代环/D环 线粒体DNA
环的两条链起点不在同一位置，一条链先复制，待复制到一定程度后，另一条链的复制起点露出，另一条链才开始复制。
2D环 叶绿体DNA
环的两条链起点不在同一位置，同时在起点处解开双链。
DNA聚合反应和有关的酶
DNA聚合酶的聚合反应 及其特征
Mg2+、dNTP、引物、DNA
游离的3'-OH，对dNTP的α磷酸发生亲核攻击， 形成3'-5'磷酸二脂键并脱下焦磷酸。
形成磷酸二酯键所需要的能量来自于 α和β磷酸基团之间高能磷酸键水解。
反应可逆，焦磷酸的水解推动反应向正向进行。
DNA链由5'向3'延长 需要一段引物链 加入的核苷酸种类由模板决定
特点
以四种脱氧核糖核苷酸三磷酸为底物 反应需要有引物游离的3'-OH DNA链的生长方向为5'→3' 反应需要接受模板的指导，产物DNA的性质与模板相同
大肠杆菌DNA聚合酶
DNA聚合酶I
切除引物 DNA修复——小修复如：切除修复
结构特征
相对分子质量103000 一条单一多肽链，多肽链中有两个二价金属离子（Mg/Zn）参与聚合反应 球体，直径=6.5nm=3*DNA 400/个 1000bp/min 速度慢，持续合成能力弱。
多功能酶 可以催化的反应
DNA聚合酶活性 3'→5'外切酶活性（修复） 5'→3'外切酶活性（切除引物）
酶切片段
小片段 35000
5'→3'外切酶活性
切除引物 切除嘧啶二聚体
大片段/Klenow片段 68000
所有聚合酶共同的特征
3'→5'外切酶活性 DNA聚合酶活性
双链DNA结合位点
构象改变，合成链3'端位于催化位点
聚合反应催化位点
辨别进入的底物核苷酸（选择作用）
3'→5'外切酶位点
切除聚合过程中的错配碱基（校对作用）
双重核对
DNA聚合酶II和III
DNA聚合酶II
DNA修复——中修复如：重组修复
相对分子质量88000 一条单一多肽链，Mg2+和NH4+激活反应 100/个 2400bp/min
无5'→3'外切酶活性
需要带有缺口的双链DNA作为模板-引物， 缺口不能过大，否则活性会降低。
DNA聚合酶III 全酶
DNA复制
10种亚基 10~20/个
异二聚体：使DNA解开的双链可以同时进行复制
核心酶
α亚基
聚合酶活性
ε亚基
3'→5'外切酶位点
θ亚基
组建核心酶
τ亚基
促使核心酶二聚化
夹子安装器 γ复合物（γδδ'ψχ）
γ亚基
依赖DNA的ATP酶活性 形成γ复合体
δ亚基
打开夹子
δ' 亚基
安装夹子
χ亚基
SSB
ψ亚基
χ γ
依赖DNA的ATP酶活性， 帮助β亚基夹住DNA以及其后卸下来。
β亚基
夹住DNA分子并向前滑动
DNA聚合酶IV和V
DNA修复——易错修复
DNA受到严重损伤时，诱导产生这两种酶。 可以进行跨越损伤的合成，但会使修复缺乏准确性而出现高突变率。
无校对功能
DNA连接酶
连接切口，即能催化链的两个末端之间形成共价连接
大肠杆菌DNA连接酶
子主题
能量来源：NAD+
T4DNA连接酶
+而且能连接无单链粘性末端的平头双链DNA
能量来源：ATP
连接反应
酶-AMP复合物 Lε-磷酰胺键
DNA-AMP 活化切口5' 焦磷酸键
3'-OH对活化的磷酸基团发生亲核进攻，3', 5'-磷酸二脂键，同时将AMP释放
DNA后随链的半不连续复制
冈崎片段
细菌 1000~2000bp，相当于一个顺反子，即基因的大小
真核生物 100~200bp，相当于核小体DNA的大小。
前导链：3'→5'走向的模板链，DNA可以5'→3'连续合成。
后随链：5'→3'走向的模板链，DNA合成是5'→3'，与复制叉的移动方向相反 形成许多不连续的片段，最后连成一条完整的DNA链。
引发酶（Dna G）
催化合成RNA引物。长度通常为几个或几十个核苷酸 前导链的引物比后随链略长。
III合成冈崎片段 I切除引物和修补缺口 连接酶连接
为什么DNA聚合酶需要RNA引物， 之后又为什么要切掉？
高保真系统
DNA聚合酶的校对功能会核查前一个核苷酸是否处于正确配对状态 因此不能从无到有合成
RNA引物都是重新开始合成的，错配可能性很大 因此需要切除。
DNA复制的拓扑性质
拓扑异构酶
类型I
与转录有关
使DNA的一条链发生断裂和再连接，反应无需供给能量。 只能消除负超螺旋 +1
子主题
类型II DNA旋转酶
与复制有关
DNA的两条链同时发生断裂和再连接，引入超螺旋时需要ATP提供能量。
连续引入负超螺旋 100个/min +2/次 消除复制叉前进时带来的扭曲张力，促进双链的解开
子主题
DNA解旋酶
解开一对碱基水解2分子ATP
Dna B
参与DNA复制，沿着DNA链5'→3'方向移动
单链结合蛋白（SSB）
功能在于稳定DNA解开的单链，阻止复性和保护单链部分不被核酸酶降解 原核生物中具有协同效应
DNA的复制过程
复制体，在DNA合成的生长点，即复制叉上，分布着各种各样与复制有关的酶和蛋白质因子，他们构成的多蛋白复合体称为复制体。
1. 复制的起始
复制起点 大肠杆菌 ori C（245bp）
DNA复制的调节
只发生在起始阶段
ori C（245bp）共有 11个4bp回文结构GATC
Dam 甲基化酶
使GATC位点 A6N甲基化
半甲基化
新复制的子链未被甲基化，半甲基化DNA不能发生复制的起始
复制后的子链复制起点的 GATC位点保持13min才会被甲基化
延迟的 可能原因
ori C 与膜结合阻碍了甲基化
起始复合物
20~40个 Dna A
DNA呈负超螺旋状态 起点附近基因处于转录状态
HU
促使双链DNA弯曲
开链复合物
三个成串的富含AT的13bp序列变性
引发复合物
Dna C 协助 Dna B 六聚体
结合于解链区，ATP 5'→3'移动，解开DNA双链
DNA旋转酶 单链结合蛋白（SSB）
2. 复制的延伸
前导链：引发酶（某些质粒和线粒体DNA为RNA聚合酶）在起点处合成一段RNA引物，10~60bp
后随链 复杂性在于如何保持与前导链步伐一致
引发体
B G构成的复制体的基本功能单位
合成RNA引物
β夹子在γ复合体的协助下将引物与模板双链夹住，带到核心酶上
开始合成冈崎片段，遇到上一个冈崎片段后停止
可能停止时RNA引物合成的信号，开始合成RNA引物
聚合酶复合物推动DNA运动
3. 复制的终止
终止区 ter
多个约22bp的终止子位点
大肠杆菌 6个终止子位点 terA~F
Tus-ter复合物
子主题
复制体解体
两条亲代链解开，50bp~100bp未复制区域以修复的方式填补
此时两环状染色体相互缠绕称为连锁体。
拓扑异构酶IV（类型Ⅱ）
每次作用可以使DNA两条链断开和再连接
真核生物DNA的复制
多复制起点
自主复制序列（ARS）/复制基因
约150bp，含有几个基本的保守序列
起始——起点识别复合物（ORC）
6个蛋白质，相对分子质量400 000，与DNA结合 ATP
复制子长度30~200kb 400个复制基因
真核DNA的复制速度
复制叉的移动速度相差20~50倍
但复制子只有细菌的几十分之一
复制所需的时间与细菌在同一量级
多种DNA聚合酶
多达15种 主要5种
DNA聚合酶α
子主题
子主题
端粒
真核生物线性染色体末端的特殊结构，由许多成串短的重复序列所组成。
稳定染色体末端结构，防止染色体间末端连接，补偿后随链5'端消除引物造成的空缺。
富含G的TG链，较长，形成3'单链末端
亲代后随链
新合成的子链5’端由于引物的切除会变短 3'单链末端可回折作为引物合成互补链
富含C的AC链
亲代前导链
新合成的子链3’端
端粒酶会补充子代TG链使3'端延长
端粒酶
结构
逆转录酶活性
携带的RNA链（富含C的AC链）
可结合在端粒的3'端，使其延长。
活性低时，端粒会因不断复制而缩短
二、DNA的损伤修复
错配修复
功能缺陷所造成的 病例
HNPCC/Lynch 综合征
遗传性非息肉结肠直肠癌
相关基因
hMSH2, hMLH1
一般过程
区分新旧链
复制后半甲基化DNA，GATC序列的A6N未甲基化的链为新链。
一旦发现错配碱基，随即将未甲基化的链的一段核苷酸切除，
以甲基化链为模板进行修复合成
大肠杆菌 错配修复机制
参与蛋白 至少12种
切除的链长达1000bp以上
mut基因编码蛋白
Mut S 二聚体
识别并结合在DNA的错配碱基部位
Mut L二聚体 与S结合为复合体，Mut SL
水解ATP沿着DNA移动，期间DNA形成突环
找到GATC序列后终止
Mut H内切核酸酶 结合在Mut SL上
在未甲基化链GATC位点的5'端切开
若切开处位于错配碱基的3'端
3'→5'核酸外切酶切除核酸链
外切核酸酶Ⅰ/Ⅹ
若切开处位于错配碱基的5'端
5'→3'核酸外切酶切除核酸链
外切核酸酶Ⅶ/Rec J
解旋酶Ⅱ和SSB，帮助链的解开
DNA聚合酶Ⅲ和DNA连接酶，负责链的合成和连接
真核生物 错配修复机制
MSH、MLH
Mut S、Mut S同源蛋白 homolog
MSH可与夹子相互作用，随着复制过程检查错配 一旦发现错配即从新合成的链上加以切除。
前导链
自3'端生长点切除核苷酸
后随链
冈崎片段的断开出就相当于切口
无Mut H同源蛋白
不依靠半甲基化的GATC序列区分新旧链
直接修复
紫外线照射可以使DNA同一条链上的 相邻碱基之间形成嘧啶二聚体（TT最多）
影响DNA的双螺旋结构 使复制和转录受到阻碍
修复种类
光修复
在生物界广泛存在，尤其是植物 哺乳类没有
可见光（有效波长400nm左右） 激活光修复酶
分解嘧啶二聚体
暗修复
高等的哺乳类重要
切除修复
O6-甲基鸟嘌呤的修复
碱基烷基化，碱基配对性质改变。
-DNA甲基转移酶
将甲基转移到自身的半胱氨酸残基上，失活成为其他基因的活化物
切除修复
功能缺陷所造成的 病例
着色性干皮病
日光或紫外线敏感，容易出现皮肤癌。
基因
XP
过程
细胞特异的酶找到DNA损伤部位， 切除含有损伤结构的核酸链
碱基切除修复
DNA糖基化酶
识别DNA中不正常碱基，水解糖与其的连接键。
切除碱基后的位点称为AP位点
AP内切酶，将DNA链断开
外切酶切除含有AP位点的DNA链
核苷酸切除修复
切除酶 内切核酸酶
损伤部位的两端同时切开
以另一条完整的链为模板，修复合成并连接
聚合酶和DNA连接酶
复制前损伤部位的修复
当在转录的过程中，RNA聚合酶遇到模板链的损伤部位，将无法识别而停止转录， 此时可招致核苷酸切除酶系统进行修复，称为转录偶联的修复
重组修复
功能缺陷所造成的 病例
乳腺癌
基因
Brca 1和Brca 2
编码的蛋白与重组蛋白质Rad 51相作用
复制后修复，未去除母链的DNA损伤
修复机制
重组有关的酶
重组基因rec A
编码蛋白具有交换DNA链的活力
基因rec BCD
多功能酶Rec BCD
具有解旋酶、核酸酶和ATP酶活性
修复合成有关的酶
应急反应和易错修复
需诱导发生
当DNA损伤严重时，细胞抑制复制 并产生一系列复杂的诱导反应，称为SOS反应
诱导 DNA损伤修复 系统
避免差错的修复
诱导切除修复和重组修复相关蛋白的产生， 增强切除修复和重组修复的能力。
易错修复
诱导产生无校对功能的DNA聚合酶，
诱导诱变效应
无校对功能的DNA聚合酶，可在损伤部位任意碱基，使DNA可以前进。 以提高突变率为代价增加存活几率，会导致变异的产生。
诱导细胞分裂的抑制
避免产生无DNA的细胞 使细胞有更多进行重组修复的机会
诱导溶原性细菌释放噬菌体
属于噬菌体的应急反应
反应机理
Lex A
基因阻遏蛋白
自我分解可使一系列基因表达
各种被Lex A阻隔的其他靶基因
表达各种修复相关产物
rec A基因
促进Lex A自身的蛋白水解酶活性
lex A基因
表达，但产物会自分解
Rec A
辅蛋白酶
会被单链DNA和ATP激活
促进Lex A自身的蛋白水解酶活性
复制过程中遇到损伤部位
DNA发动复制时复制叉遇到损伤部位，无法通过碱基配对合成子链，会跳过损伤部位，在下一个冈崎片段起始位置或前导链的相应位置重新合成引物和DNA链。 此时子链会在在损伤的对应处留下缺口。
三、DNA的突变
引发突变的因素
DNA重组、病毒基因的整合
不同DNA分子之间的交换重组，会产生突变
物理化学因子
紫外线、电离辐射
化学诱变剂
导致DNA损伤和错配
当损伤和错配得不到修复或发生易错修复时，会产生突变。
突变的类型
碱基对的置换
置换，发生嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶的转换
常见
颠换，发生嘌呤与嘧啶之间的转换
同义突变/沉默突变
由于密码子兼并性，虽核苷酸序列改变，但氨基酸序列未改变
错义突变
密码子改变导致一个氨基酸残基被替换为另一个氨基酸残基
无义突变
氨基酸密码子变为终止密码，导致翻译提前结束而常使产物失活。
移码突变
由于非三整数的插入或缺失
编码区该位点后的氨基酸都发生错误，出现终止密码则会使翻译提前结束而常使产物失活。
大片段的缺失和重复
诱变剂的作用
碱基类似物（碱基置换）
掺入会与互补链碱基配对，由于易发生互变异构，导致复制时可能会跟其他碱基配对。
5-溴尿嘧啶（BU）
k A e G
2-氨基嘌呤（AP）
a T i C
碱基的修饰剂（碱基置换）
通过对碱基的修饰，改变其配对性质。
羟胺
4-羟胺胞嘧啶与腺嘌呤配对
烷化剂
使碱基的氮原子烷基化
嵌入染料（移码突变）
撑大碱基之间的距离
溴化乙锭
诱变剂和致癌剂的检测
Ames 试验
三、 DNA重组
重组的意义
同源重组
概念
Holliday模型 及其修正
模型的关键步骤
细菌的基因转移和重组
细菌基因转移主要的四种机制
接合
接合作用
接合质粒
F质粒
转化
转导
普遍性转导
局限性转导
细胞融合
进入受体细胞的外源基因的四种结果
降解
暂时保留
与内源基因发生置换
发生整合
重组有关的酶
Rec A
Rec F, Rec O, Rec R
Rec BCD
Ruv A, Ruv B, Ruv C
特异位点重组
作用
某些基因表达的调节
发育过程中程序性DNA重排
有些病毒和质粒DNA的整合与切除
特异性位点重组的结果依赖于重组位点的位置和方向
噬菌体DNA的整合与切除
子主题
细菌的特异位点重组
鼠伤寒沙门氏杆菌的鞭毛相转变现象
免疫球蛋白基因的重排
免疫球蛋白（Ig）及其 相关基因家族
两条轻链（IgL）
决定轻链的基因家族片段的排列（两个独立的基因家族，κ链和λ链） L，V，J，C
L：前导片段 V：可变片段
J：连接片段 C：恒定片段
两条重链（IgH）
决定重链的基因家族片段的排列（一个独立的基因家族，H链） L，V，D，J，C
D：多样性片段，决定抗体的效应功能，即抗体的类型和亚类型 J和C片段之间有增强子
体细胞重排机制
分化为成熟的淋巴B
第一次重排
前B细胞
V-J重排
V-D-J重排
重组信号序列
回文七核苷酸
与基因相连
固定长度的间隔序列
12-23规则
富含A的九核苷酸
重组酶
子主题
第二次重排
转座重组 （图来源：CRISPR-Cas系统电镜图）
细菌的转座因子
插入序列(IS)
转座子
组合因子/组合型转座子
复合因子/复合型转座子
转座过程与效应
真核生物的转座因子
相似
差异
控制因子的系统
解离-激活系统（Ac-Ds）
抑制-促进-增变系统（Spm）
斑点系统（Dt）
果蝇的P因子不育
四、 RNA的生物合成和加工
前言
转录：RNA聚合酶以DNA的一条链为模板，通过碱基配对原则合成出与模板配对的RNA的过程。
RNA携带遗传信息的作用
子主题
一、DNA指导下的RNA的合成
常染色体
转录单位
转录起始到终止过程发生的区域 可以是一个基因也可以是多个基因。
基因的转录选择性
不同的生长发育阶段 细胞内外条件的改变
会有不同基因的转录。
DNA指导的RNA聚合酶
RNA聚合酶 转录反应特征
以四种核糖核苷三磷酸为底物 以DNA为模板，Mg2+促进聚合反应
RNA链的合成方向也是5'→3' 无需引物第一个核苷酸上带有三个磷酸基团 每加入核苷酸脱去一个焦磷酸，形成磷酸二脂键 反应可逆，焦磷酸的水解推动反应趋向于聚合
DNA两条链
体外可两条链同时转录
体内只能一条链
模板链 / 负链 / (-)链
用于转录的链
编码链 / 正链 / (+)链
大肠杆菌RNA聚合酶全酶
五个亚基
核心酶（αββ'ω）
RNA链延长
σ亚基
转录起始
RNA聚合酶与DNA的结合
单独核心酶的结合
可通过扩散与DNA的任意部位结合，这种结合疏松可逆
亚基的结合 不同的 σ因子识别不同的启动子
一般基因
σ70
特殊基因
其他σ因子
校对机制
聚合的逆反应
熄火后退，切除一段RNA后继续转录
转录反应的三个阶段
起始阶段
RNA聚合酶在 亚基的引导下识别并结合在启动子上。
启动子的-10和-35区由 亚基识别
上游序列则是由α亚基识别
全酶与DNA形成闭合型复合物，然后转化为开放型
DNA双链被局部解开，形成转录泡
β亚基夹住DNA直至转录结束 σ亚基离开DNA入口，方便DNA移动
特征
第一个核苷酸通常为嘌呤核苷酸（A，C）
流产起始，最初产生不超过10个核苷酸的RNA链即被释放，也许是转录前的试探。
σ亚基脱离，后者离开启动子，起始阶段结束。
延伸阶段
转录受阻，核心酶的移动停止，此种情况称为熄火。
排除受阻因素后，核心酶为恢复转录会后退若干个核苷酸， 在辅助因子的帮助下切掉一段RNA后继续生长。
终止阶段
RNA聚合酶在Nus A因子的帮助下识别转录终止信号，停止转录。 酶与RNA链离开模板，DNA恢复双螺旋结构
真核生物RNA聚合酶种类和性质
主要有三类
没有σ 因子对应物，必须借助各种转录因子才能选择和结合到启动子上。
线粒体和叶绿体RNA聚合酶
结构简单，类似于细菌的RNA聚合酶，能催化所有RNA的生物合成。
启动子和转录因子
启动子是指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。 转录因子是RNA在特异的启动子上开始转录所需要的作用因子。
确定启动子的核心序列 的方法
足迹法
子主题
DNA测序法
转录单位序列的书写
RNA链
DNA的有义链/(+)链
5'→3'方向
起点左侧为上游，为-，起点前一个为-1
起点后为下游，即转录区
转录单位的起点核苷酸为+1，由近向远计数。
信号序列—— 启动子共有序列
最短12bp，不一定连续
-10序列 / Pribnow框
TATAAT（80、95、45、60、50、96）
有助于DNA局部双链解开
-35序列 / 识别区
TTGACA（82、84、78、65、54、45）
提供了RNA聚合酶识别的信号
真核生物三类酶分别 对应的三类启动子
启动子由转录因子识别，多种转录因子和RNA聚合酶在起点形成起始复合物
类别Ⅰ启动子
由两个部分保守序列组成 都富含GC
核心启动子
-45 +20
上游控制元件（UCE）
-180 -107
两种转录因子参与
UBF1
SL1
定位
类别Ⅱ启动子
启动子序列多种多样，由各种顺式作用元件组合而成， 分散在起点上游200bp的范围内
五类控制单元
基本启动子
TATA框
基本启动子序列 -25 -30 7bp保守区
TATA(AT)A(AT)
82、97、93、85（63、37）82（60、37）
与RNA聚合酶的定位有关，DNA链由此解开并决定转录的起点位置。 缺失转录将在许多位点上开始。
是RNA聚合酶Ⅱ和通用因子形成前起始复合物的主要装配点
起始子
Py为嘌呤碱，N为任意碱基，A为转录起点
核心启动子 能够准确进行转录的最小序列元件
二者均无，则通过 结合于上游元件上的激活因子 介导并装配起始复合物。
上游元件
CAAT框
CTF家族成员
GC框
Sp1
八聚体框
Oct
下游元件
帮助形成起始复合物 稳定其与启动子的结合 提高转录活性
应答元件
转录因子
通用因子（GTF） 作用于基本启动子上的辅助因子
TFⅡX
上游因子/转录辅助因子 识别上游元件的转录调节因子
CAAT框
CTF家族成员
GC框
Sp1
八聚体框
Oct
需要中介复合物介导 才能作用于RNA聚合酶
可诱导因子
类别Ⅲ启动子
除snRNA基因，其他基因的启动子位于基因内部
5S rRNA基因启动子
+55 +80 boxA 中间元件 boxC
3种转录因子
TFⅢA、TFⅢC
装配因子
TFⅢB
起始因子
链的延伸和延伸因子
原核生物延伸依赖于RNA聚合酶
亚基脱落，Nus亚基取代
α亚基C端结域（CTD）为细长柔性结构，可直接与DNA接触，可能在酶移动中起重要作用。
真核生物除了酶含有诸多延伸因子参与作用， 延伸因子的功能主要是阻止转录的暂停和终止。
RBP1的CTD
含有许多七氨基酸（YSPTSPS）重复序列
酵母27个
小鼠和人52个
CTD磷酸化，与诸多延伸因子和酶结合，转录进入延伸阶段
转录结束后去磷酸化，延伸因子解离 在终止因子的帮助下终止转录。
终止子和终止因子
提供转录停止信号的DNA序列称为终止子 协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子则称为终止因子
终止信号位于已转录的序列中
有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶得以越过终止子继续转录，这称为通读。
抗终止因子
大肠杆菌存在的两类终止子
简单终止子/内在终止子/不依赖于rho(ρ) 的终止子
通常有一段富含GC的回文对称区，终点前还有一系列U核苷酸（约6个）
rU-dA碱基配对比较弱，酶暂停后RNA-DNA杂交分子可解开。
依赖于rho(ρ) 的终止子
C含量高，可能有短的回文结构，无寡聚U
rho(ρ) 因子
六聚体
依赖于RNA的ATPase活性
RNA-DNA解旋酶活性
与新转录产生的RNA结合，并沿RNA链移动
RNA聚合酶遇到终止子暂停， 追上酶后与之发生作用，使酶从DNA上脱落。
Nus 因子
N蛋白抗终止作用
前早期的基因产物
发生通读
Q蛋白
后早期的基因产物
真核生物转录的终止过程了解甚少
酶Ⅱ的产物是在3'端切断，然后腺苷酸化，并无终止作用
ⅠⅡ末端有2~4个U，可能其附近序列于终止有关。
转录的调节控制
时序调节和适应调节
大肠杆菌操纵子
真核生物转录调节与原核生物的差异
子主题
RNA生物合成的抑制剂
嘌呤和嘧啶类似物
DNA模板功能的抑制物
RNA聚合酶的抑制物
二、RNA的转录后加工
真核：核仁
原初转录物经过一系列变化 RNA的成熟/转录后加工
加工过程
链的裂解
5'端与3'端的切除
末端特殊结构的形成
核苷的修饰
糖苷键的改变
剪接和编辑
稳定的RNA经过一系列加工才能成为有活性的分子
真核生物 转录与翻译在时间和空间上被分隔开
断裂基因
真核生物大多数基因是不连续的，被居间序列（内含子）所分割，而称为断裂基因。
内含子
长度变化大，一般在50~20000nt 最长>100000nt
较高等生物有更多的内含子序列
外显子
一般100~200nt，多数<1000nt
选择性基因
同一基因可以通过不同的加工方式，表达出不同的信息，即选择性基因。
剪接
编码
再编码
原核生物中RNA的加工
大肠杆菌
原核生物rRNA前体的加工
rRNA前体基因
大肠杆菌基因组中有7个rRNA转录单位， 分散在基因组各处。
转录单位： 16S rRNA、 23S rRNA、 5S rRNA 一个或几个tRNA
前体的两侧序列互补，形成茎环结构
rRNA前体加工
修饰
甲基化修饰
切割
内切酶切除 两侧形成的茎环
RNaseⅢ
负责RNA加工的内切核酸酶
识别部位为特定的RNA双螺旋区域， 在茎部相对的两切割位点间相差2bp
RNaseE
由外切酶逐个修剪多余序列
原核生物tRNA前体的加工
tRNA前体基因
tRNA基因60个 大多成簇存在或与其他基因混合转录。
表明：某些反密码子可以不止一个tRNA或 某些tRNA基因不止一个拷贝。
tRNA前体 加工
由内切酶在tRNA两端切断
RNase P
由外切酶逐个修剪多余序列
核苷酸修饰和异构化
3'端加CCA
原核生物mRNA前体的加工
大多数不需要加工，一经转录即可进行翻译
真核生物中RNA的一般加工
真核生物rRNA前体的加工
核仁：合成、加工、装配，通过核孔转移到细胞质。
rRNA前体基因
rRNA基因成簇排列，由16S~18S、5.8S、26S~28SrRNA基因组成一个转录单位，Ⅰ转录
5SrRNA成簇排列，由Ⅲ转录
大多数真核生物rRNA前体基因不含内含子， 有些真核生物rRNA前体基因含有内含子但不转录。
rRNA前体加工
snoRNA指导前体的甲基化、假尿苷酸化和切割
修饰
甲基化
C框/D框snoRNA
借助互补序列识前体的甲基化和切割位点
核糖2'-OH
2'OMe
甲基化程度比原核生物高
假尿苷酸化
H框/ACA框snoRNA
识别假尿苷酸化位点
切割
真核生物tRNA前体的加工
tRNA前体基因
tRNA前体基因数目与原核生物相比要大得多
也是成簇排列，并被间隔区分开
由RNA聚合酶Ⅲ转录
前体>4.5S，两侧末端都有附加序列需要切除。
成熟为4S
tRNA前体加工
切割
RNase P
切除5'末端
多种内切酶和外切酶配合
切除3'端
居间序列切除
修饰
特异的修饰酶
甲基化
3'端加CCA
核苷酰转移酶
真核生物mRNA前体的一般加工
mRNA前体基因
编码蛋白质的基因以单基因作为转录单位，其转录产物为单顺反子mRNA。
大多数具有居间序列，需切除。
需要转移到细胞质中才能表现出翻译功能。
mRNA前体加工
核内不均一RNA（hnRNA）
mRNA原初转录物在核内加工的过程中形成分子大小不等的中间物。
在核内迅速合成和降解，半寿期很短 几分钟~1h
大小不均一，约mRNA的4~5倍，约25%转变为mRNA
5'端加帽
反应
转录起始后不久5'端三磷酸脱去一个磷酸
RNA三磷酸酯酶
与GTP反应生成5', 5'-三磷酸键，并释放出焦磷酸
mRNA鸟苷酰转移酶
两次甲基化
S-腺苷蛋氨酸（SAM）
m7G
mRNA（鸟嘌呤-7）甲基转移酶
N1mp
mRNA（核苷-2'）甲基转移酶
m7G5'ppp5'NmpNp-
甲基化程度不同 不同形式的帽子。
Cap O
m7G5'ppp5'NpNp-
Cap Ⅰ
m7G5'ppp5'NmpNp-
Cap Ⅱ
m7G5'ppp5'NmpNmp-
加帽酶结合在pol Ⅱ的CTD上，加帽完成后脱离 通过帽子结合复合物（CBC）拴在CTD上
功能
保护
标记
剪接、运输、翻译
3'端切断并多聚腺苷酸化
3'端 保守序列AAUAAA 11~30个核苷酸范围内为多聚腺苷酸插入位点
这一序列为链的切断和多聚腺苷酸化 提供了某种信号。
RNase Ⅲ切断
20~200个A残基
多聚腺苷酸聚合酶
剪接除去内含子
内部碱基甲基化
主要 m6A
RNA的剪接、编辑和再编码
RNA的剪接
RNA剪接
剪接，去除插入序列，使编码区成为连续序列的过程。
内含子主要通过RNA核酶通过两次转酯反应切除，少数由酶切除。 一般为依次剪接，但有些内含子具有增强或抑制作用。
需要对内含子5'3'剪接位点精准识别，不能有差错
剪接体
snRNA和snRNP组成，参与剪接的识别、空间组装和催化反应。
SR蛋白家族
N端结构域
子主题
-RNA
C端结构域
子主题
-蛋白质
RNA的剪接方式
内含子类型不同 分子内剪接， 即顺式剪接
类型Ⅰ自我剪接
反应过程
游离的G 3'-OH
第一次转酯反应
内含子5'-磷酸基
第一个外显子3'-OH
第二次转酯反应
第二个外显子5'-磷酸基
内含子环化
第三次转酯反应
该类型内含子
分布
细胞器基因 低等真核生物rRNA基因 细菌和噬菌体部分基因
内含子指导序列（IGS） GGAGGG
于左侧外显子末端CUCUCU序列配对
其核酶活性于其二级结构特定的折叠有关。
类型Ⅱ自我剪接
反应过程
内含子3'端，A 2'-OH
第一次转酯反应
内含子5'-磷酸基
第一个外显子3'-OH
第二次转酯反应
第二个外显子5'-磷酸基
该类型内含子
分布
只见于真菌线粒体基因和植物叶绿体基因
3'端有一段保守序列CUGAC
A 2'-OH
外显子结合位点（EBS）
于左侧外显子内含子结合位点（EBS）配对
hnRNA的剪接
一般认为是由类型Ⅱ演变而来 内含子的催化功能转交给了小RNA和辅助蛋白，以专司其职。
该类型内含子
GT-AG规则
3'端均为GT，5'端均为AG
剪接体
50S~60S，有突起的椭球
snRNA
U系列尿嘧啶含量高
snRNP
U1、U2、U4、U5、U6 数十种剪接因子和调节因子
参与hnRNA的剪接
U3
参与rRNA前体的加工
剪接体装配和反应过程
U1、U2
子主题
U4、U5、U6
子主题
少数AT-AC内含子
U11、U21、U4atac、U5、U6atac
核内tRNA前体的酶促剪接
该类型内含子
14~46bp，无保守序列
推测酶识别的是共有的二级结构
内含子靠近反密码子右端，与反密码子配对
反应过程
由一个特殊内切核酸酶切去插入序列
RNA连接酶催化连接，消耗ATP
反式剪接与选择性剪接
反式剪接
生物内还存在分子间剪接，即反式剪接
很少见
给出前导序列的RNA称为 SL RNA
选择性剪接
一个基因的转录产物在不同的发育阶段、分化细胞和生理状态下， 通过不同的剪接方式，可以得到不同的mRNA和翻译产物，称为选择性剪接。
所产生的多个蛋白质即为同源体。
选择性剪接的方式
剪接产物缺失一个或几个外显子
剪接产物保留一个或几个内含子作为外显子
外显子中存在剪接点，导致缺失部分剪接位点
内含子中存在剪接点，导致部分内含子变为了编码序列
RNA剪接的生物学意义
RNA剪接是生物机体在进化历史中形成的，是进化的结果。
RNA剪接是基因表达调节的重要环节。
外显子和内含子有古老的历史。
RNA剪接主要存在于真核生物，原核生物少见，但并非没有。
外显子和内含子是相对的，有些内含子具有编码序列，能够产生蛋白质或功能RNA。
RNA的编辑
RNA编码序列改变。
编辑类型及机制
gRNA指导的U的插入反应
子主题
内含子指导下的脱氨反应
子主题
RNA的编辑的生物学意义
消除突变的危害
增加基因产物多样性
与生物发育与分化有关，是基因调控的一种重要方式。
可能使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化。
RNA的再编码
RNA编码和读码方式的改变。
矫正tRNA
或是反密码子环碱基发生改变， 或是决定tRNA特异性即个性的碱基发生改变， 从而改变编码规则，使错误的编码信息得到矫正。
错义/无义突变
会在该位置上引入与原来氨基酸相同或性质相近的氨基酸， 恢复或部分恢复基因编码蛋白的活性
移码突变
通过阅读一个二联体密码子或四联体密码子而消除-1/+1移码的效应。
有时rRNA的突变也有助于消除移码突变的影响
翻译移码
核糖体一般会按照mRNA上三联体阅读框架移动， 某些mRNA可在翻译的一定位点上发生”“或”“，由此改变阅读框架。
可能与mRNA的高级结构有关。
可以使一个mRNA产生两个或多个相互有关但不同的蛋白质， 也可以借以调节蛋白质的合成。
RNA生物功能的多样性
子主题
RNA的降解
mRNA最不稳定，更新率高
由于与表达活性直接相关 不同的mRNA需要以不同的速度降解
所有细胞都存在核糖核酸酶
5'3'外切酶最为常见
提高稳定的结构
局部双链结构
发卡结构
polyA尾巴
帽子
三、RNA指导下RNA和DNA的合成
RNA病毒
RNA的复制
宿主的 细胞质
引言
某些RNA病毒侵入宿主后，可借助复制酶以自身RNA为模板完成复制过程。
复制酶的特异性很高，只能识别病毒自身的RNA。
噬菌体Qβ RNA的复制
结构组成和 基因组
直径20nm，正二十面体。30%RNA
单链RNA
4500bp，含有3~4个编码蛋白的基因
5'-成熟蛋白-外壳蛋白（或A1蛋白）-复制酶β亚基-3'
A1蛋白N端序列与外壳蛋白一致， 推测其序列中含有两个终止位点，且第一个位点发生了通读。
Qβ复制酶
RNA指导的RNA聚合酶
侵入大肠杆菌后直接进行蛋白质的合成，编码出β亚基。
然后利用宿主的蛋白质因子，完成复制酶装配。
可结合在(+)链3'端，也可结合在-链3'端 且合成速度均为35bp/s。
复制过程
以病毒RNA（(+)链）为模板，合成互补(-)链；
需要宿主的蛋白因子
HFⅠ和HFⅡ
然后再以负链为模板合成病毒RNA。
自我调节
天然高级结构状态
成熟蛋白基因封闭
复制酶亚基基因的合成起始区 与外壳蛋白基因内部序列配对
因此核糖体先启动外壳蛋白的合成。
在此过程中，核糖体使双链结构打开后 复制酶亚基基因的合成起始区才可接受核糖体，开始亚基的合成。
只有刚复制完成的病毒RNA，才能表达成熟蛋白。
病毒RNA复制的主要方式
病毒含有正链RNA
噬菌体Qβ、脊髓灰质炎病毒
病毒含有负链RNA和复制酶
狂犬病毒、
病毒含有双链RNA和复制酶
呼吸孤病毒
先转录出(+)链，以之为模板翻译病毒蛋白。 再用复制酶，合成-链，形成双链RNA分子。
致癌RNA病毒
白血病毒、肉瘤病毒
逆转录
只有正链才能翻译出蛋白
RNA的逆转录
宿主的细胞质 cRNA进入细胞核内， 可整合染色体DNA上。
以病毒RNA（(+)链）为模板，合成DNA； 然后DNA（(-)链）再转录出病毒RNA。
逆转录酶
多功能酶 兼有三种酶的活力
RNA指导的DNA聚合酶活性
逆转录
DNA指导的DNA聚合酶活性
DNA复制
核酸酶H活性，水解杂合分子中的RNA。
水解RNA
逆转录病毒的基因组
通常由两条相同的(+)链RNA组成，靠近5'端区域以氢键结合。 因此在各类病毒中是独特的二倍体。
典型的
全长7000~10000nt 携带三个基因
gag
编码病毒颗粒核心蛋白
pol
编码必需的酶
蛋白酶、整合酶、逆转录酶
env
被膜蛋白
与病毒的入侵有关
蛋白酶剪切成 两条肽链
表面蛋白
跨膜蛋白
劳氏肉瘤病毒
src
癌基因
HIV
有更多的开放阅读框，且有些含有内含子，需要剪接。
进入宿主的物质
基因组RNA
逆转录和整合所需要的引物和酶
逆转录过程
10步 逆转录酶两次换模板 以tRNA为引物 最终得到cDNA
tRNA作为引物结合在靠近5'端的引物结合位点（PBS）上。
逆转录酶合成U5和R区的互补的DNA序列。
逆转录酶-RNase水解掉U5和R区
(-)链DNA的R区与(+)链3'端R区配对
第一次跳跃
逆转录酶延长(-)链DNA
模板链3'端的U3、R和polyA被水解掉
同时5'也开始水解
3'端附近的多聚嘌呤片段（PPT）保留作为合成(+)链DNA的引物
完成(-)链合成后，更换引物
合成(+)链DNA
引物tRNA被降解
(+)链DNA与(-)链DNA5'端的PBS位点配对。
第二次跳跃
合成出双链DNA
两末端重新合成形成长末端重复序列（LTR）
前病毒
cRNA进入细胞核内，可整合染色体DNA上，称为前病毒。
可随宿主一起复制和转录， 只有其mRNA才能翻译产生病毒蛋白质。
转移到质膜后RNA与蛋白质装配以出芽的方式形成新的病毒颗粒。
逆转录的生物学意义
细胞逆转录过程频繁发生，但在细胞中并无可察觉的逆转录酶活性
可能逆转录酶只在一定条件下才能表达
端粒酶就是一种逆转录酶
其作用结果体现在逆转座上
扩充了中心法则的内容
有助于了解RNA病毒的致癌机制
逆转座子的种类和作用机制
逆转座子：以RNA为中间体，经逆转录分散到基因组中的一类移动因子。
逆转座子的结构特点
两类
具有长末端重复（LTR）结构
有gag、pol基因
逆转座子的转座作用
逆转座子的生物学意义
五、 蛋白质的合成、加工和定位
遗传密码
遗传密码的破译
破译过程
三联体
非重叠、连续编码并无标点分隔的三联体密码子。
无细胞蛋白质合成系统 人工合成mRNA
人工合成得均聚核苷酸
UUU Phe
CCC Pro
AAA Lys
两/三种核苷酸得共聚物
遗传密码字典 64
3个终止密码子：UAA, UAG, UGA
61个密码子对应20种氨基酸
1-1个密码子
无简并性
甲硫氨酸兼起始密码子：AUG
色氨酸密码子：UGG
1-2~4
密码子的简并性体现在第三个碱基上。 有两个密码子第三个碱基要么都是嘌呤要么都是嘧啶。 密码子的专一性体现在前面的两个碱基，氨基酸的极性通常由而密码子的第二位碱基决定。
遗传密码的基本性质
密码的基本单位
蛋白质中的氨基酸序列的遗传密码编码在核酸分子上， 其基本单位是按5' →3'编码、不重叠、无标点的三联体密码子。
密码的简并性
同一种氨基酸有两个或更多个密码子的现象称为密码子的简并性。 对应于同一氨基酸的不同密码子称为同义密码子。
密码的摆动性
tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子反向配对时， 密码子第一位和第二位的碱基配对是严格的，第三位的碱基可以有一定的变动（变偶）。
A
反密码子第一位
已知的情况下，反密码子第一位没有A
C
G
C/U
密码子第三位
U
A/G
密码子的第三位与反密码子的第一位 U和G可以配对
I
A/C/U
某些情况下，四种碱基均可。”三配二“
翻译密码子经常在第一位出现次黄嘌呤
密码的通用性
生物界共用一套遗传密码
仅一些低等生物和细胞器内的编码规则有所不同
线粒体RNA（mtRNA）
硒代半胱氨酸
第21种常见氨基酸，半胱氨酸以硒代替硫
编码硒蛋白的mRNA有一段硒代半胱氨酸插入序列（SECIS）所构成的二级结构， 可以帮助硒代半胱氨酸tRNA识别UGA（原终止密码子）
有观点认为，UGA正在演化为该氨基酸的密码子，可能是未进化完善。
密码的防突变
密码子的简并性体现在第三个碱基上。 有两个密码子的氨基酸密码子第三个碱基要么都是嘌呤要么都是嘧啶。 密码子的专一性体现在前面的两个碱基，氨基酸的极性通常由而密码子的第二位碱基决定。
这种密码的编排具有防错功能，当碱基置换时，其结果或是编码相同氨基酸，或是被性质接近的氨基酸取代。可以使突变带来的伤害降到最低。
RNA对遗传密码的解读
RNA不仅传递遗传信息，还会对信息进行加工处理
选择性转录遗传信息
对遗传信息进行加工处理
RNA的纠错功能
矫正tRNA
主导表型的形成
蛋白质合成有关RNA和装置
核糖体
大肠杆菌核糖体精细晶体结构
外形与核糖体RNA的三级结构基本一致，蛋白质分布在外表。
大亚基
柄
中央突起
翼
L1
中心区域
大亚基的肽基转移酶活性中心只有RNA，证明肽基转移反应是由RNA催化。 可能，活性位点（保守序列 AUAACAGG）的腺嘌呤（A2486）催化→
E
P位点（突环，23S rRNA螺旋80）
肽酰tRNA 羧基碳
A位点（突环，23S rRNA螺旋92）
氨酰tRNA α氨基
小亚基
平台
小亚基的译码中心具有忠实校对功能
tRNA与mRNA密码子形成三个碱基对
小亚基的A1493、A1492、G530分别与三个碱基对结合
G530不敏感
tRNA不匹配，不会被小亚基接纳
裂缝
mRNA在此穿过
头部
多聚核糖体：可依次与mRNA结合，得到成串的核糖体。 沿着mRNA5'3'移动合成多肽链。
转移RNA和氨酰-tRNA合成酶
tRNA三级结构特征
碱基、磷酸和核糖的2'-OH之间形成氢键
反密码子的碱基和接受氨基酸的CCA末端在其三级结构的两端
20种氨酰-tRNA合成酶
活化氨基酸
识别特异的氨基酸和相关tRNA
双重校对功能
区分结构极为相似的氨基酸
发现错误还能予以校正
能识别对应于同一氨基酸的多种tRNA
同工tRNA
催化两步反应
氨酰-AMP
氨酰-tRNA
高能化合物
连接到tRNA的3'-OH端 一些连在2'上的也会再转移过来
信使RNA
原核生物mRNA结构特征
多顺反子，有多个基因的编码区，
各编码区为一开放阅读框（ORF）/译框， 以起始密码子开头，终止密码子结束，读框为3的倍数。
核糖体结合位点（RBS）， 与小亚基16SrRNA3'端序列互补
SD序列
位于起始密码子上游3~11nt处 长度4~9nt，富含嘌呤碱基
真核生物mRNA结构特征
单顺反子
无SD序列，5'3'非翻译区存在调控序列，可结合各种调节因子。
起始密码子附近存在不同的茎环结构，起调节作用
3'定位信号序列
蛋白质合成的步骤
氨酰-tRNA的合成
20种氨酰-tRNA合成酶
识别特异的氨基酸和相关tRNA
催化两步反应
2ATP
多肽链合成的起始
底物
三个起始因子
30、mR、fMtR、50
甲硫氨酸tRNA
识别ORF内的AUG密码子
识别起始密码子
氨基甲酰化
氨基封闭，防止其误读框内密码子
形成起始复合物的起始三步
IF-1和IF-3与30S小亚基结合 mRNA
IF-2结合
P点
IF-3脱离，50S大亚基 形成完整的70S核糖体
12脱离 IF-2 · GTP水解推动复合物构象的改变，活化
真核生物的差别
甲硫氨酸不需要甲酰化，靠辅助因子区分起始密码子和内部密码子
参与的起始因子由10多个
由于无SD序列，RBS位于起始密码子附近，最常见的是 GCCAGCCAUGG
甲硫氨酸tRNA先于mRNA与小亚基结合
需要水解ATP从mRNA5'端移动到RBS
GTP
多肽链合成的延伸
三个延伸因子
Ef-Tu
Ef-Ts
Ef-G
延伸三步
氨酰tRNA结合在A位点
Ef-Tu协助 与IF-2功能类似，运送tRNA，GTPase
氨酰tRNA · Ef-Tu · GTP
Ef-Ts帮助Ef-Tu · GTP再生
肽酰转移反应
P位点的多肽转移到A位点的氨基酸的氨基上
原本的脂键转变为肽键
嘌呤霉素
可催化其与多肽结合，从而使多肽脱落
核糖体沿着mRNA由5'3'方向移动一个密码子
Ef-G · GTP
如何相对移动
脱酰tRNA 转至E位点（密码子配对解开）后再脱落
肽酰tRNA转至P位点
A位点空出
真核生物的差别
eEF1A eEF1B eEF2
对应相同
白喉毒素
可使eEF2失活
无E位点，脱酰tRNA直接从P位点脱落
GTP
能量消耗总结
每合成一个肽键消耗4个高能键
4n
多肽链合成的终止
终止密码子和释放因子
终止密码子靠释放因子识别
RF-1 UAA UAG RF-2 UAA UGA
三级结构与tRNA类似， 可结合到A位点活化肽基转移酶活性 将肽链水解下来
RF-3 结合在核糖体上引起GTP水解，使1/2脱落
解离
核糖体循环因子（RRF） EF-G IF-3
水解GTP
真核生物的差别
2GTP
多肽链的折叠、加工和修饰
新生肽的折叠
自然折叠
4二级
10超二级
40结构域
可改变多肽链共价结构的酶
蛋白质二硫键异构酶 PDI
肽基脯氨酰异构酶 PPIase
分子伴侣
帮助蛋白质的折叠与组装
不属于最终结构的一部分 对底物无专一性， 只是防止错误折叠
主要两类
Hsp70家族
单体
伴侣蛋白家族
寡居体
翻译后的加工修饰
氨基端和羧基端修饰
信号肽切除
个别氨基酸残基修饰
连接糖链
连接异戊二烯基
连接辅基
蛋白酶解加工
二硫键形成
蛋白质合成的忠实性
蛋白质合成的忠实性需要消耗能量
合成酶的校对功能提高了忠实性
核糖体对忠实性的影响
蛋白质合成的定位
留在胞浆 分配到 内质网、 线粒体、 叶绿体、 细胞核
基质游离的核糖体
游离状态合成的蛋白
胞浆蛋白、线粒体或叶绿体蛋白
需要到内质网合成的蛋白
溶酶体蛋白、分泌蛋白、膜蛋白
蛋白质的信号肽和跨膜运输
信号肽/导肽序列
每一需要运输的蛋白质都含有一段氨基酸序列， 可以引导蛋白至指定位置。
N端上的信号肽出现，会引导核糖体到内质网膜上
特征
通常在被转运多肽链的N端 10~40个氨基酸 至少有一个带正电荷的氨基酸
中部有一段10~15个高度疏水的氨基酸
可引导蛋白到膜上
C端有信号肽酶识别位点
位点上游常有一段疏水性五肽
-1-3残基有小的侧链氨基酸
信号识别颗粒（SRP）
1 7SL RNA（300nt） 6 不同的多肽分子
两个功能域
识别信号肽
停止多肽链的延伸
内质网
SRP受体停泊蛋白
二聚体
α亚基
β亚基
多肽转运装置
SRP释放，多肽链开始延伸
两个整合膜蛋白
核糖体整合膜蛋白Ⅰ
核糖体整合膜蛋白Ⅱ
ATP驱动下，将多肽链送到内质网腔中。
腔内加工肽链
信号肽酶切除信号肽
等
共翻译转运 （真核生物唯一）
原核生物
同样有共翻译转运
SRP
RNA 2种蛋白
转运子
形成孔道
还有翻译后转运
还存在另一套转运系统
SecA SecB SecD SecF SecYEG
SecB
与信号肽结合
将多肽链带到SecA
SecA
内膜受体，ATPase
借助ATP水解引起构象变化，推动多肽链运动。 1ATP 前进 20个氨基酸
SecYEG
转运复合体
糖基化在蛋白质定位中的作用
内质网、高尔基体
糖基化
多萜醇磷酸酯作为寡糖载体，位于内质网腔内侧
核心寡糖
转移酶
N-糖苷键
与Asn残基
高尔基体
进一步修饰
形成O-糖苷键连接的寡糖修饰
糖蛋白易被识别，可按其结构特征包裹到，分泌泡、运输泡和溶酶体内
线粒体和叶绿体蛋白质的定位
大部分蛋白来自游离核糖体核基因编码蛋白翻译后转运
引导线粒体和叶绿体蛋白质靶定位的肽段称为 导肽/前导肽
位于N端
线粒体
前导肽
25~35个氨基酸，富于Ser、Thr和碱性氨基酸
前体多肽链
合成后即与分子伴侣（Hsp70/MSF）结合
外膜受体
通道蛋白进入基质
ATP、电化学梯度
切除导肽
基质蛋白
折叠
内外膜蛋白 间隙可溶蛋白
第二信号序列引导穿膜
叶绿体
类似，蛋白质定位更复杂
核蛋白的定位
核孔
运输受体
ATP/GTP
与底物结合，运输
识别底物
核定位信号（NLS）
短的、含有多个碱性氨基酸的肽段
碱性氨基酸上游常有中断α螺旋的脯氨酸残基
核输出信号（NES）
子主题
+Ran-GTP
GTPase
底物-受体-Ran-GTP 三元复合物
Ran-GAP
到细胞质
促使Ran-GTP水解
底物与受体解离
底物-受体-Ran-GDP 三元复合物
Ran-GEF
到核内
Ran-GTP再生
复合物解离
定位序列不切除
蛋白质合成的抑制物
氨基环醇类
四环素族
六、 基因表达调节
概论
基因的表达可按一定时间程序发生改变， 而且随着内外环境条件的变化而加以调整， 这就是时序调节和适应调节。
基因由此分类为：
持家基因
可调基因
真核生物与原核生物不同的调节特征
生长快、效率高、多种多样
进化潜力大、调节精确、适应性强
基因表达调节的基本原理
基因表达不同的水平上的调节
基因表达
在基因的遗传信息指导下产生基因产物的过程。
是生物分子相互作用的结果。
基因表达的水平
转录水平
转录前、转录、转录后
翻译水平
翻译、翻译后
真核生物的 多级调节系统
染色质结构的调节
RNA转录的调节
RNA转录后加工的调节
RNA降解的调节
蛋白质合成的调节
蛋白质合成后加工的调节
蛋白质降解的调节
反式作用因子和顺式作用元件的调节
基因表达就是通过 反式因子和顺式作用元件的相互作用 来实现
反式因子
反式：不同分子
调节蛋白
调节RNA
通过改变构象 而调节基因的表达
反映了细胞内外环境的需要。
接受信号分子带来的细胞内外环境的信息
信号分子
分解代谢的底物
合成代谢的产物
第二信使
激素
顺式作用元件
顺式：与DNA和RNA相同分子
基因组的调控区 拥有各种调控元
结合转录因子 招募有关蛋白质复合物 起始或调节转录活性
各个表达水平的调节信息也都表达到RNA上 称为RNA的调节元件。
正调节和负调节
适应酶
需要时才诱导合成 不需要时合成即被阻遏
正调节
真核生物正调节比较常见 激活因子比抑制因子多
激活蛋白的结合
激活基因表达
激活蛋白的解离
抑制基因的表达
负调节
原核生物负调节比较常见
阻遏蛋白的解离
激活基因表达
阻遏蛋白的结合
抑制基因的表达
不看结果看机制
调节蛋白具有结合DNA的结构域
调节蛋白与靶基因序列 特异的相互作用
以α螺旋形式插入到DNA深沟内 与碱基对形成特异性氢键。
结合DNA的结构域 有一个或多个相对较小、具有特征的 结构基序
螺旋-转角-螺旋（HTH）
锌指（ZnF）
同源域（HD）
调节蛋白具有蛋白质-蛋白质相互作用结构域
亮氨酸拉链（ZiP）
螺旋-突环-螺旋（HLH）
原核生物基因表达调节
转录水平的调节
细菌功能相关的基因组成操纵子
操纵子
操纵子是基因表达的协调单位，
功能相关的结构基因+共同的控制部位（启动子P+操纵基因O）
乳糖操纵子模型
调节基因 lacⅠ
阻遏蛋白
与乳糖/其他诱导物结合 构象发生改变 无法结合到Lac O位点
转录得以进行
启动子 P
操纵基因 lac O
阻遏蛋白的结合阻止RNA聚合酶的移动，使转录不能进行
有回文结构 无编码产物 是阻遏蛋白结合位点
结构基因
lac Z
lac Y
O
lac A
终止子 t
细菌的降解物阻遏
降解物阻遏： 一些代谢的有关的酶类会受到其他降解物（葡萄糖）的影响而停止合成。
环腺苷酸受体蛋白（CRP） /降解物基因活化蛋白（CAP）
降解物会抑制腺苷酸活化酶活性并活化磷酸二酯酶 导致cAMP浓度降低，从而抑制
与环腺苷酸结合活化 结合在操纵子的一定部位，促进转录
cAMP-CRP
使结合位点DNA发生94都扭曲 促进RNA聚合酶与启动子结合
受降解物阻遏的酶类操纵子
合成途径操纵子的衰减作用
控制转录起始后是否继续下去。 比阻遏作用更加精细
衰减子： 一种位于结构基因上游前导区的终止子。
衰减作用：终止或减弱转录
色氨酸操纵子
转录和翻译 同时进行
前导区
4个区域互补，形成奇特的二级结构
5'端有一段162前导序列，若非缺乏色氨酸 大部分mRNA仅合成到140nt后终止
编码14氨基酸的短肽
只有在色氨酸缺乏时，终止子位点特征才不会显露 转录才能继续。
结构基因
其他氨基酸操纵子
子主题
核糖体蛋白与rRNA的协同合成
核糖体数目 蛋白质合成速度 生长速度
翻译相关编码基因，组成二十几个操纵子
游离r蛋白的翻译阻遏
严紧型控制 由于环境贫瘠，缺乏氨基酸供给蛋白合成， 关闭大部分代谢活性
任何一种氨基酸缺乏 或氨酰tRNA合成酶失活 都会引起严紧控制反应。
rel A
严紧控制因子（SF）
催化ATP的焦磷酸转移到GDP/GTP
核糖体
mRNA和未负载的tRNA
魔点
5'ppGpp3'
是控制多种反应的效应分子
5'pppGpp3'
结果 与RNA聚合酶结合
抑制rRNA操纵子启动子的转录起始
增加RNA聚合酶转录过程中的暂停，放慢延长相
翻译水平的调节
不同mRNA的翻译能力
mRNA留存期
二级结构
茎环结构的存在会降低翻译速度
SD序列
强则翻译频率高
采用的翻译系统
常用密码子的翻译速度快
核糖体蛋白的 翻译阻遏
起调节作用的 核糖体蛋白
存在过量核糖体游离蛋白 起调节作用的核糖体蛋白可与mRNA多顺反子相应编码区的邻近部位结合， 起到阻止翻译的作用。 与rRNA结合能力>与mRNA结合能力
反义RNA（antisense RNA, asRNA） 指具有互补序列的RNA。
又称为干扰mRNA的互补RNA（micRNA）
结合位置
SD序列
起始密码子
mRNA下游
tmRNA
一半tRNA一半mRNA
TLD（）
MLR（）
ORF 363nt
清理
mRNA转录不完全、损坏或部分降解， 核糖体翻译停留在断链处。
进入A位点，其携带的丙氨酸与肽酰基形成肽键，mRNA脱落。
接下来以tmRNA的阅读框合成11肽后，正常释放。
质控
加了11肽后，被蛋白酶降解
回收
残缺的mRNA和蛋白质被回收
RNA世界
核糖开关 mRNA非翻译区可以调节翻译活性的区域
RNA的自我调节， 可能是最古老的基因表达调节方式
能够结合配体的适体域（AD）
同蛋白质一样可以识别小分子 但能力逊于蛋白质
配体
一种适体仅识别一种配体
代谢物、金属离子
AD构象变化，诱导契合
可能结果
出现终止信号
SD序列遮蔽或显露
内含子剪切方式改变
激活核糖核酸酶活性
调节表达的表达平台
真核生物基因表达调节
导言
特征
结构复杂，功能分化，调节精确，适应潜力大。 DNA含量高，大部分用于存储调控信息。
多级调节系统
真核生物可在不同表达水平做出精确调节
短期调控
主要是细胞对环境变动作出的反应
可逆性
长期调控
仅发生于真核生物
发育过程中细胞的决定和分化
永久性
转录前水平的调节
通过改变DNA序列和染色质结构从而影响基因表达的过程， 均属于转录前水平的调节。
染色质丢失
删除一定量的基因组DNA， 可以调节某些功能基因的表达水平。
如，哺乳动物成熟的红细胞。
生殖过程
基因扩增
通过改变基因数量而调节基因表达产物的水平， 可以使细胞短期内大量产生某一基因的拷贝从而适应某种特殊需要。
如，某些真核生物在发育过程， 会增加rRNA基因的拷贝
基因重排
可使表达的基因发生切换，由表达一种基因转为表达另一种基因。
产生新的基因，以适应特殊需要
如，免疫气球蛋白基因的重排
染色质的修饰和异染色质化
甲基化
一般非活性区甲基化程度高。
保持性甲基化酶
在甲基化母链的指导下，使特定部位甲基化
从头合成甲基化酶
不需要母链
染色质凝缩，可将该区域内的基因封闭
如，雌性哺乳动物的两个X染色体 其中一个高度异质化而永久失去活性。
转录水平的调节
重要
基因的转录活性与 染色质空间结构和 基因启动子活化有关。
使染色体结构疏松活化
调节因子进一步影响记忆活性
生物在生长发育过程中染色质DNA和组蛋白会发生修饰， 这种影响表型的变化可以被细胞记忆， 在细胞分裂时遗传给子代细胞，称为表观遗传。
只涉及对基因活化条件的遗传，不涉及其序列。
染色质的活化与阻遏
转录活性高的染色质区域 DNase Ⅰ敏感
缺少或全然没有核小体。
超敏感位点
位于转录基因5'端一侧的1000bp内，长度越200bp。 也存在于3'端或基因内。
在其介导下极易被核酸酶水解
染色质重塑： 染色质的结构改变
ATP
启动子和增强子的顺式作用元件
增强子、沉默子
可以看作是启动子远离原点的上游元件
增强子广泛存在于各类真核生物基因组中, 其作用有几个明显特点:
能在很远距离(大于几 kb)对启动子产生影响:
无论位于启动子上游或是下游都能发挥作用;
其功能与序列取向无关:
无生物种属特异性:
有组织特异性， 优先或只能在某种类型的细胞中表现其功能
受发育和分化的影响。
沉默子则是负调节蛋白作用的位点。
应答元件
信号分子作用位点， 可对细胞内外环境因素变动作出反应。
如，金属硫蛋白基因的调节
现以金属硫蛋白(metallothionein,MT)基因的调节区为例,说明各顺式作用元件和反式作用因子对基因转录的调节(图 34-12)。金属硫蛋白可与重金属离子结合,将其带出细胞外,从而保护细胞,免除重金属的毒害。通常该基因以基础水平表达,但被重金属离子(如镉)或糖皮质激素诱导以较高水平表达。TATA 框和 GC框是两个组成型启动子元件,位于靠近转录起点的上游。两个基础水平元件(basallevel element,BLE)属于增强子,为基础水平组成型表达所必需。佛波酯(phorbol ester)应答元件 TRE 是存在于多个增强子中的共有序列,SV40增强子中也有该序列,其上可结合反式因子激活蛋白 AP1,该因子除作为上游因子促使组成型表达外,还能对佛波酯作为促肿瘤剂(promotertumoragent)产生效应,而这种效应是由AP1与TRE相互作用介导的。佛波酯通过该途径(但不是唯一的)启动一系列转录的变化。金属应答元件(MRE)受相应转录因子MTFI调节,多个MRE元件可引起MT以较高水平表达,该序列可看作启动子的应答元件。糖皮质激素是一种类固醇激素,它的应答元件(glucocorticoid response element.GRE)是增强子的可调节位点,位于转录起点 250bp的位置。类固醇激素与其受体结合于该位点而诱导 MT高水平表达。与 GRE相邻为E框(E-box),由上游激活因子 USF 所活化。
调节转录的反式作用因子
转录因子
共有的三个结构域
DNA结合结构域
转录激活结构域
酸性α螺旋
富含谷氨酰胺结构域
富含脯氨酸结构域
二聚化结构域
大多数通过中介复合物作用于转录复合物。
RNA加工和剪接的调节
剪接
组成型剪接
同时产生多种异型体蛋白
功能可能相同，也可能不同
调节型剪接
随条件的不同产生不同的产物
增强子、沉默子
调节蛋白
SR蛋白
RNA编辑
翻译水平的调节
mRNA的稳定性
mRNA的运输
主动过程，Ran-GTP
翻译
与原核生物相似
RNA干扰和多种RNA的调节
dsRNA
双链RNA引起特异基因表达沉默的现象，称为RNA干扰。 比asRNA更加有效。
应对
外源基因入侵
内源异常RNA合成
转座子和高度重复序列转录
短的干扰RNA， siRNA
长的dsRNA经RNA切酶Dicer消化产生的 约23nt的短双链RNA。
与有关蛋白形成 RNA诱导的沉默复合物
三条抑制途径
ATP，解开双链
破坏含有互补序列的mRNA
完全互补
抑制mRNA的翻译
不完全互补
在启动子处诱导染色质修饰使基因沉默
进入核内，与基因序列配对
微RNA，miRNA
非编码蛋白基因转录，前体
20~25
控制发育 主要作用于发育调节蛋白的mRNA
保守性、组织特异性、时序性
也称为 小时序RNA
除可编码蛋白的mRNA，其他RNA都称为非编码RNA，ncRNA
lncRNA
子主题
RNAa
RNA激活因子
翻译后加工的调节
蛋白质的剪接
外显肽
内含肽
催化自身的剪接
靶向内切核酸酶
剪接反应
蛋白质降解的调节
N端法则：蛋白质的寿命与其成熟蛋白N端的氨基酸有关。
实际情况比较复杂，还存在其他信号。
不稳定
稳定
泛素介导的蛋白质降解机制
原核生物没有，其蛋白质的降解缺少精确的选择性和可控性
七、 其他调控 （新陈代谢的调节控制）
细胞代谢调节控制的基本原理 ——代谢途径的相互关系
酶活性和酶量的调节
细胞结构对代谢途径的分隔控制
16．3. 3 蛋白质的定位控制
神经和激素对细胞代谢的调控
16．4 神经和激素对细胞代谢的调控 16．4．1 门控离子通道和神经信号转录系统 16．4．2激素和递质受体的信号转录系统