真核生物和原核生物的转录调控精.ppt

真核生物和原核真核生物和原核生物的生物的转录调控控第1页，本讲稿共30页前言：21世纪，基因水平上的研究受到人世纪，基因水平上的研究受到人们广泛的关注。原核生物和真核生物中们广泛的关注。原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰是基础研究，基因的转录、翻译和后修饰是基础研究，人们也只有在此基础不断扩散深入研究人们也只有在此基础不断扩散深入研究其它基因水平问题。本文只简单介绍了其它基因水平问题。本文只简单介绍了一些关于基因转录、翻译和后修饰的一一些关于基因转录、翻译和后修饰的一部分相关研究成果。部分相关研究成果。第2页，本讲稿共30页1 原核生物和真核生物中基因的转录第3页，本讲稿共30页l 概念 基因转录是在由RNA聚合酶和辅助因子组成的转录复合物的催化下，从双链DNA分子中拷贝生物信息生成一条RNA链的过程 转录中，一个基因会被读取被复制为mRNA，就是说一特定的DNA片断作为模板，以DNA依赖的RNA合成酶作为催化剂的合成前体mRNA的过程。第4页，本讲稿共30页1.1 基因转录的启动 RNA RNA聚合酶正确识别聚合酶正确识别DNADNA模板上的启动子并形成由酶、模板上的启动子并形成由酶、DNADNA和核苷三磷酸构成的三元起始复合物和核苷三磷酸构成的三元起始复合物 当聚合酶结合到启动子上后，在启动子附近将当聚合酶结合到启动子上后，在启动子附近将DNADNA局部局部解链，约解开解链，约解开1717个碱基对。（酶与启动子结合的部位是个碱基对。（酶与启动子结合的部位是ATAT富集区，有利于解链）富集区，有利于解链）第一个核苷三磷酸第一个核苷三磷酸(常常是常常是GTPGTP或或ATP)ATP)结合到全酶上，结合到全酶上，形成形成“启动子启动子-全酶全酶-核苷三磷酸核苷三磷酸”三元起始复合物。三元起始复合物。第一个核苷三磷酸与第二个核苷三磷酸缩合生成第一个核苷三磷酸与第二个核苷三磷酸缩合生成3-5磷酸二酯键后磷酸二酯键后,则启动阶段结束，进入延伸阶段。则启动阶段结束，进入延伸阶段。第5页，本讲稿共30页1.2 基因转录的延伸 当当s因子从核心酶上脱落后，核心酶与因子从核心酶上脱落后，核心酶与DNA链的结链的结合变得疏松合变得疏松(依靠其蛋白质的碱性与酸性核酸之间的非特依靠其蛋白质的碱性与酸性核酸之间的非特异性的静电引力异性的静电引力)，可以在模板链上滑动，方向为，可以在模板链上滑动，方向为DNA模板链的模板链的 3 5，同时将核苷酸逐个加到生长的，同时将核苷酸逐个加到生长的RNA链的链的3-OH端，使端，使RNA链以链以 5 3方向延伸。方向延伸。在在RNA链延伸的同时，链延伸的同时，RNA聚合酶继续解开它前聚合酶继续解开它前方的方的DNA双螺旋，暴露出新的模板链，而后面被解开双螺旋，暴露出新的模板链，而后面被解开的两条的两条DNA单链又重新形成双螺旋，单链又重新形成双螺旋，DNA双螺旋的解双螺旋的解开区保持约开区保持约17个碱基对的长度。个碱基对的长度。新合成的新合成的RNA链能与模板形成链能与模板形成RNA-DNA杂交区，杂交区，这个杂交区也在随着这个杂交区也在随着RNA聚合酶的移动而不断地移动聚合酶的移动而不断地移动着。着。第6页，本讲稿共30页1.3 基因转录的终止 DNA分子上有终止转录的特殊信号，分子上有终止转录的特殊信号，也是特定的核苷酸序列，称为终止子。也是特定的核苷酸序列，称为终止子。RNA聚合酶可以识别终止子，它在聚合酶可以识别终止子，它在一种蛋白质一种蛋白质 r因子的帮助下，终止因子的帮助下，终止转录，放出转录，放出RNA链；有时，链；有时，RNA聚合酶聚合酶不需要不需要r因子的帮助即可终止转录。因子的帮助即可终止转录。核心酶释放了核心酶释放了RNA后，也离开后，也离开DNA。DNA上的解链区重新形成双螺旋。上的解链区重新形成双螺旋。第7页，本讲稿共30页1.4原核生物和真核生物基因转录的差异 1 原核生物的转录和翻译几乎同时进行，而真核生物的转原核生物的转录和翻译几乎同时进行，而真核生物的转录在胞核，翻译在胞浆。录在胞核，翻译在胞浆。2 原核生物中只有一种原核生物中只有一种RNA聚合酶催化聚合酶催化RNA的合成，而在的合成，而在真核生物中则有真核生物中则有RNA聚合酶聚合酶、RNA聚合酶聚合酶和和RNA聚合酶聚合酶三种不同酶，分别催化不同种类型三种不同酶，分别催化不同种类型RNA的合成。三种的合成。三种RNA聚合酶都是由聚合酶都是由10个以上亚基组成的复合酶。个以上亚基组成的复合酶。RNA聚合酶聚合酶存存在于细胞核仁内，催化合成除在于细胞核仁内，催化合成除5SrRNA以外的所有以外的所有rRNA的合的合成；成；RNA聚合酶聚合酶和和RNA聚合酶聚合酶均存在于细胞核质内，均存在于细胞核质内，RNA聚合酶聚合酶催化合成催化合成mRNA前体，即不均一核前体，即不均一核RNA(hnRNA)的合成，而的合成，而RNA聚合酶聚合酶催化催化tRNA和小核和小核RNA的合成的合成1。3 真核和原核生物的在起始点识别和转录终止的方式也真核和原核生物的在起始点识别和转录终止的方式也有所不同。有所不同。第8页，本讲稿共30页2 原核生物和真核生物的翻译 概念概念 基因的遗传信息在转录过程中从基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到转移到mRNA，再由，再由mRNA将这种遗传信息表达将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译，即蛋白为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译，即蛋白质的生物合成。质的生物合成。mRNA的翻译是从的翻译是从mRNA的的5端向端向3进行的。所进行的。所有蛋白质的翻译开始于甲硫氨酸的参与，一个特殊的有蛋白质的翻译开始于甲硫氨酸的参与，一个特殊的起始起始tRNA对所有蛋白质合成中起始氨基酸对所有蛋白质合成中起始氨基酸-甲硫氨酸甲硫氨酸的掺入负责，这个的掺入负责，这个tRNA可简写为可简写为tRNAiMet,它也对它也对选择在选择在mRNA上在什么位置开始翻译起重要作用上在什么位置开始翻译起重要作用 第9页，本讲稿共30页 翻译即蛋白质的生物合成的过程大致为：翻译即蛋白质的生物合成的过程大致为：（1）氨基酸的激活；（）氨基酸的激活；（2）肽链合成的起始；）肽链合成的起始；（3）肽链的延长；（）肽链的延长；（4）肽链合成的终止和）肽链合成的终止和释放。释放。第10页，本讲稿共30页第11页，本讲稿共30页21 氨基酸的激活 tRNA在氨基酰在氨基酰-tRNA 合成合成酶的帮助下，能够识别相应的氨酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过基酸，并通过tRNA氨基酸臂的氨基酸臂的 3-OH 与氨基酸的羧基形成活化与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰酯氨基酰-tRNA。第12页，本讲稿共30页22肽链合成的起始 起始阶段可分两步：先形成起始阶段可分两步：先形成30S起始复合体，再起始复合体，再形成形成70S起始复合体。起始复合体。（一）（一）30S起始复合体的形成：起始复合体的形成：30S亚基在亚基在IF3与与IF1的促进下，与的促进下，与mRNA的的起始部位结合。起始部位结合。IF2在在GTP参与下可特异与甲酰甲参与下可特异与甲酰甲硫氨酰硫氨酰tRNAiMet结合，形成三元复合物，并使此结合，形成三元复合物，并使此三元复合物中三元复合物中tRNA的反密码子与上述的反密码子与上述30S亚基上亚基上mRNA的起始密码子互补结合，形成的起始密码子互补结合，形成30S起始复合起始复合体。体。（起始因子，（起始因子，initiation factor，简称，简称IF）第13页，本讲稿共30页 30S起始复合体是由起始复合体是由30S亚亚基、基、mRNA、甲酰甲硫氨酰、甲酰甲硫氨酰tRNAiMet及及IF1、IF2、IF3与与GTP共同构成。共同构成。第14页，本讲稿共30页（二）70S起始复合体的形成：起始复合体的形成：30S起始复合体一旦形成，起始复合体一旦形成，IF3也就脱落，也就脱落，50S亚基随即与其结合。此时复合体中的亚基随即与其结合。此时复合体中的GTP水解释水解释出出GDP与无机磷酸，使与无机磷酸，使IF2与与IF1也都脱落，形成了也都脱落，形成了70S起始复合体。起始复合体。70S起始复合体的形成，表明蛋白起始复合体的形成，表明蛋白质生物合成的起始阶段已经完成，已可进入肽链延长质生物合成的起始阶段已经完成，已可进入肽链延长阶段。阶段。70S起始复合体由大、小亚基，起始复合体由大、小亚基，mRNA与甲酰与甲酰甲硫氨酰甲硫氨酰tRNAiMet共同构成。共同构成。第15页，本讲稿共30页第16页，本讲稿共30页23 肽链的延长 这一阶段，与这一阶段，与mRNA上的密上的密码子相适应，新的氨基酸不断被码子相适应，新的氨基酸不断被相应特异的相应特异的tRNA运至核糖体的受运至核糖体的受位，形成肽链。同时，核糖体从位，形成肽链。同时，核糖体从mRNA的的5端向端向3端不断移位以端不断移位以推进翻译过程。推进翻译过程。第17页，本讲稿共30页 一般有以下过程：（一般有以下过程：（1）进）进位（氨酰位（氨酰tRNA进入进入A位点），此位点），此过程参与因子有：延长因子过程参与因子有：延长因子EFTu（Tu）、）、EFTs（Ts）、）、GTP、氨酰、氨酰tRNA。（。（2）肽链的）肽链的形成：肽酰基从形成：肽酰基从P位点转移到位点转移到A位位点，形成新的肽链。（点，形成新的肽链。（3）：移位）：移位：在移位因子（移位酶）：在移位因子（移位酶）EFG的作用下，核糖体沿的作用下，核糖体沿mRNA（5-3）作相对移动，使原来在）作相对移动，使原来在A位点位点的肽酰的肽酰tRNA回到回到P位点位点。第18页，本讲稿共30页24肽链合成的终止和释放 终止阶段包括已合成完毕的终止阶段包括已合成完毕的肽链被水解释放，以及核糖体与肽链被水解释放，以及核糖体与tRNA从从mRNA上脱落的过程。上脱落的过程。这一阶段需要这一阶段需要GTP与一种起终止与一种起终止作用的蛋白质因子作用的蛋白质因子释放因子释放因子（release factor，RF）的参与。）的参与。第19页，本讲稿共30页 RF使大亚基使大亚基“给位给位”的转肽的转肽酶不起转肽作用，而起水解作用。酶不起转肽作用，而起水解作用。转肽酶水解转肽酶水解“给位给位”上上tRNA与多与多肽链之间的酯键，使多肽链脱落。肽链之间的酯键，使多肽链脱落。RF、核糖体及、核糖体及tRNA亦渐次脱离。亦渐次脱离。从从mRNA上脱落的核糖体，分解上脱落的核糖体，分解为大小两亚基，重新进入核糖体为大小两亚基，重新进入核糖体循环。核糖体大小亚基解离状态循环。核糖体大小亚基解离状态的维持需要的维持需要IF3。第20页，本讲稿共30页第21页，本讲稿共30页第22页，本讲稿共30页第23页，本讲稿共30页3 原核生物和真核生物的后修饰3.1 N-端端f-Met或或Met的切除的切除 原核生物的肽链，其原核生物的肽链，其N-端不保留端不保留fMet，大约半数，大约半数蛋白由脱甲酰酶除去甲酰基，留下蛋白由脱甲酰酶除去甲酰基，留下Met作为第一个氨基作为第一个氨基酸；在原核及真核细胞中酸；在原核及真核细胞中fMet或者或者Met一般都要被除去，一般都要被除去，此是由氨肽酶水解来完成的。水解的过程有时发生肽链此是由氨肽酶水解来完成的。水解的过程有时发生肽链合成的过程中，有时在肽链从核糖体上释放以后。至于合成的过程中，有时在肽链从核糖体上释放以后。至于是脱甲酰还是除去是脱甲酰还是除去fMet，这常与邻接的氨基酸有关。，这常与邻接的氨基酸有关。如第二氨基酸是如第二氨基酸是Arg,Asn,Asp,Glu,Ily或或Lys以脱甲酰以脱甲酰基为主，如邻接的氨基酸是基为主，如邻接的氨基酸是Gly,Pro,Thr或或Val则常除去则常除去fMet。第24页，本讲稿共30页3.2 二硫键的形成二硫键的形成 两个半胱氨酸相距较远硫氢两个半胱氨酸相距较远硫氢基可以氧化成二硫键，产生基可以氧化成二硫键，产生mRNA中没有相应密码子的胱氨中没有相应密码子的胱氨酸。很多细胞外蛋白质中二硫键酸。很多细胞外蛋白质中二硫键的形成，例如胰岛素，免疫球蛋的形成，例如胰岛素，免疫球蛋白。白。第25页，本讲稿共30页第26页，本讲稿共30页3.3化学修饰 化学修饰是蛋白质修饰的主要方式，化学修饰是蛋白质修饰的主要方式，其修饰的类型也很多，包括磷酸化（如核其修饰的类型也很多，包括磷酸化（如核糖体蛋白的糖体蛋白的Ser，Tyr和和Trp残基常被磷酸残基常被磷酸化）；糖基化（如各种糖蛋白）；甲基化化）；糖基化（如各种糖蛋白）；甲基化（如组蛋白，肌蛋白），乙基化（如组蛋（如组蛋白，肌蛋白），乙基化（如组蛋白），羟基化（如胶原蛋白）。其中，糖白），羟基化（如胶原蛋白）。其中，糖基化是真核生物细胞中特有的加工，这些基化是真核生物细胞中特有的加工，这些蛋白常和细胞信号的识别有关，如受体蛋蛋白常和细胞信号的识别有关，如受体蛋白等。白等。第27页，本讲稿共30页3.4剪切 在原核生物中常常产生一种在原核生物中常常产生一种多蛋白的前体要经剪切后才能成多蛋白的前体要经剪切后才能成为成熟的蛋白，如反转录病毒中为成熟的蛋白，如反转录病毒中有有3个基因个基因gag，pol和和env，其，其中中pol基因长约基因长约2900NT，其产物，其产物经剪切后产生反转录酶，内切酶经剪切后产生反转录酶，内切酶和蛋白酶三种蛋白。其它两个基和蛋白酶三种蛋白。其它两个基因的产物也要经过加工才能产生因的产物也要经过加工才能产生核心蛋白和外壳蛋白。核心蛋白和外壳蛋白。第28页，本讲稿共30页 在真核生物中有些蛋白要经过切除在真核生物中有些蛋白要经过切除才能成为有活性的成熟蛋白，最有名的才能成为有活性的成熟蛋白，最有名的例子是高等生物的胰岛素，它是一种分例子是高等生物的胰岛素，它是一种分泌蛋白，具有信号肽。新合成的前胰岛泌蛋白，具有信号肽。新合成的前胰岛素原（素原（preproinsulin），在），在ER中切除中切除信号肽变成了胰岛素原（信号肽变成了胰岛素原（proinsulin），），它是单链的多肽，由它是单链的多肽，由3个二硫键将主键个二硫键将主键连在一起，弯曲成复杂的环形结构。分连在一起，弯曲成复杂的环形结构。分子由子由A链（链（21aa）B链（链（31aa）和）和C链链（33aa）三个连续的片段构成。当转）三个连续的片段构成。当转运到胰岛细胞的囊胞中，运到胰岛细胞的囊胞中，C链被切除，链被切除，成为由成为由A，B两条分开的链由两条分开的链由3个二硫键个二硫键连结成成熟的胰岛素。连结成成熟的胰岛素。第29页，本讲稿共30页4 结语 对于原核生物和真核生物中对于原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰的研基因的转录、翻译和后修饰的研究，人们已日益成熟，但仍有一究，人们已日益成熟，但仍有一部分问题需深入研究。如：怎样部分问题需深入研究。如：怎样更有效率地完成基因转录翻译，更有效率地完成基因转录翻译，在转录翻译过程中是否还有其它在转录翻译过程中是否还有其它未发现的有效因子，等问题还值未发现的有效因子，等问题还值得人们探讨。只有不断深入研究得人们探讨。只有不断深入研究这些，才会促进人类基因研究的这些，才会促进人类基因研究的发展。发展。第30页，本讲稿共30页