1、基因表达基因表达 Gene Expression 基因基因 1909，Johansen，基因是传递和表达特定生物性状基因是传递和表达特定生物性状 的可遗传因子；的可遗传因子； 1911，Morgan，基因在染色体上呈直线排列；基因在染色体上呈直线排列； 1944，Avery，基因的本质是基因的本质是DNA； 1955，Benzer，顺反子顺反子（Cistron）概念概念，一个顺反一个顺反 子就是一个基因子就是一个基因，编码蛋白质或编码蛋白质或RNA，是是遗遗 传功能传功能不可分割不可分割的单位的单位。 基因基因：遗传信息的功能单位：遗传信息的功能单位，可作为模板表达和产可作为模板表达和产 生生
2、RNA或蛋白质或蛋白质。 基因基因是合成是合成有功能的基因产物有功能的基因产物（RNA或多肽链）或多肽链） 所需的所需的全部核苷酸序列全部核苷酸序列。 In molecular terms, a gene commonly is defined as the entire nucleic acid sequence that is necessary for the synthesis of a functional gene product (polypeptide or RNA). Molecular Cell Biology，5th ed. 真核生物基因包括真核生物基因包括结构基因序列结
3、构基因序列和和转录调控序列转录调控序列 （启动子、增强子）两部分。（启动子、增强子）两部分。 结构基因序列从转录的第一个核苷酸开始，到转结构基因序列从转录的第一个核苷酸开始，到转 录结束为止，与录结束为止，与RNA原始转录本的序列一致。原始转录本的序列一致。 转录调控序列决定基因是否表达以及表达强度。转录调控序列决定基因是否表达以及表达强度。 真核生物的基因是真核生物的基因是断裂基因断裂基因，由外显子与内含子，由外显子与内含子 镶嵌排列而成。镶嵌排列而成。 转录转录 起始起始 位点位点 翻译翻译 起始起始 位点位点 翻译翻译 终止终止 位点位点 转录转录 终止终止 位点位点 转录调控序列转录调
4、控序列 结构基因序列结构基因序列 基因包括两个部分基因包括两个部分 小鼠小鼠 -珠蛋白基因珠蛋白基因 原核生物的基因串联排列成操纵子原核生物的基因串联排列成操纵子 基因表达基因表达 基因携带的遗传信息经基因携带的遗传信息经转录转录、翻译翻译等过程，合成等过程，合成 特定特定蛋白质蛋白质，进而发挥特定的，进而发挥特定的生物学功能生物学功能的过程，的过程， 称为称为基因表达基因表达。 rRNA、tRNA等等RNA分子的转录过程也称基分子的转录过程也称基 因表达。因表达。 基因表达步骤繁多，并受到严密调节。基因表达步骤繁多，并受到严密调节。 mRNA：4%，含蛋白质编码信息，含蛋白质编码信息 rRN
5、A：80%，核糖体的组分，核糖体的组分 tRNA：携带氨基酸：携带氨基酸 snRNA：参与：参与mRNA前体的加工前体的加工 snoRNA：rRNA分子加工中起核心作用分子加工中起核心作用 scRNA：功能多种多样：功能多种多样 tmRNA：标记合成的错误蛋白质，使之降解：标记合成的错误蛋白质，使之降解 miRNA：广泛的基因转录后调控作用广泛的基因转录后调控作用（近年来（近年来 生物学领域的明星分子）生物学领域的明星分子） 第第17章章 RNA的合成的合成 RNA合成包括转录和合成包括转录和RNA复制复制 转录转录是以是以DNA为模板，由为模板，由DNA依赖的依赖的RNA聚聚 合酶（合酶（R
6、NA Pol）催化）催化4种种NTP聚合，生成聚合，生成 RNA的过程。的过程。 RNA复制复制是某些是某些RNA病毒以单链病毒以单链RNA基因组基因组 为模板合成为模板合成RNA的过程。的过程。 转录与复制的区别转录与复制的区别 转录只合成与模板互补的单链（转录只合成与模板互补的单链（不对称转录不对称转录）。）。 转录得到的链是由转录得到的链是由NTP组成的，而不是组成的，而不是dNTP。 RNA聚合酶聚合酶不需要引物不需要引物，可以从头起始转录。，可以从头起始转录。 RNA产物产物不与模板保持互补状态不与模板保持互补状态。相反，。相反，RNA聚聚 合酶在合酶在NTP添加处的几个核苷酸之后，
7、便将正在添加处的几个核苷酸之后，便将正在 延长的链从模板上置换下来。这一置换对于延长的链从模板上置换下来。这一置换对于同步同步 进行的翻译进行的翻译至关重要，同时也使得一个基因可以至关重要，同时也使得一个基因可以 同时转录成多条同时转录成多条RNA。 转录的转录的精确度精确度（10-4）不如复制（）不如复制（10-7），因为它），因为它 缺乏广泛的校正机制。缺乏广泛的校正机制。 转录泡转录泡 编码链编码链 模板链模板链 不对称转录不对称转录 第一节第一节 转录与转录后加工转录与转录后加工 Transcription and RNA Processing 细菌的转录细菌的转录 2 真核生物的转录
8、真核生物的转录 3 转录后加工转录后加工 4 RNA聚合酶聚合酶 1 RNA聚合酶聚合酶 1 RNA聚合酶具有聚合酶具有不同形式不同形式，但有，但有共同特性共同特性 细菌只有细菌只有一种一种RNA聚合酶。聚合酶。 真核生物有真核生物有三种三种RNA聚合酶，聚合酶聚合酶，聚合酶I、II、III。 聚合酶聚合酶II（Pol II）是真核是真核RNA聚合酶中研究最深聚合酶中研究最深 入的，也是最重要的，因为它转录几乎所有的蛋入的，也是最重要的，因为它转录几乎所有的蛋 白质编码基因。白质编码基因。 细菌和酵母的核心酶有共同的细菌和酵母的核心酶有共同的形态形态和和组织方式组织方式。 核心酶的形状象一只核
9、心酶的形状象一只蟹爪蟹爪，两个钳子的基部所夹，两个钳子的基部所夹 的是“活性中心裂隙”。的是“活性中心裂隙”。 原核生物原核生物 真核生物真核生物 细菌细菌 RNA pol（核心）（核心） 古细菌古细菌 RNA pol（核心）（核心） RNA Pol I RNA Pol II RNA Pol III A/A RPA 1 RPB 1 RPC 1 B RPA 2 RPB 2 RPC 2 I D RPA 5 RPB 3 RPC 5 II L RPA 9 RPB 12 RPC 9 K RPA 6 RPB 6 RPC 6 (6 其它的其它的) (9 其它的其它的) (7 其它的其它的) (11 其它的其
10、它的) 注：每列中的亚基均按分子质量降序排列。注：每列中的亚基均按分子质量降序排列。 T.Aquaticus RNA pol 核心酶核心酶 酿酒酵母酿酒酵母 RNA pol II RNA聚合酶催化的转录由一系列聚合酶催化的转录由一系列步骤步骤组成组成 为转录一个基因，为转录一个基因，RNA聚合酶必须进行一系列定聚合酶必须进行一系列定 义明确的步骤，包括：义明确的步骤，包括：起始起始（initiation）、）、延伸延伸 （elongation）、）、终止终止（termination）。）。 起始：起始：启动子启动子（promoter）是）是RNA聚合酶识别、聚合酶识别、 结合并启动转录的结合并
11、启动转录的DNA序列序列。启动子。启动子-聚合酶复合聚合酶复合 体一旦形成就发生结构改变，而使起始过程继续体一旦形成就发生结构改变，而使起始过程继续 进行，形成进行，形成转录泡转录泡。 延伸：一旦延伸：一旦RNA聚合酶已经合成了一小段聚合酶已经合成了一小段RNA （10bp），转录进入延伸阶段。），转录进入延伸阶段。 终止：一旦终止：一旦RNA聚合酶转录了整个基因（获整组聚合酶转录了整个基因（获整组 基因），它必须停下来并释放基因），它必须停下来并释放RNA产物，该步骤产物，该步骤 称为终止。称为终止。 细菌的转录细菌的转录 2 细菌的启动子细菌的启动子有某些明确的特征有某些明确的特征 在细胞
12、内，在细胞内，RNA聚合酶只在聚合酶只在启动子启动子处启动转录。处启动转录。 核心酶并不能识别启动子，而需要核心酶并不能识别启动子，而需要 因子因子的协助，的协助， 核心酶与核心酶与 因子共同组成因子共同组成RNA聚合酶全酶聚合酶全酶。 存在存在多种多种 因子因子，如，如 70、 32、 28、 54等，它们等，它们 可分别识别不同类的启动子。可分别识别不同类的启动子。 细菌通过不同的细菌通过不同的 亚基，来协调相关基因的表达，亚基，来协调相关基因的表达， 以适应不同的生活环境。以适应不同的生活环境。 E.coli最常见的最常见的 因子是因子是 70。 T.Aquaticus RNA pol
13、核心酶核心酶 T.Aquaticus RNA pol 全酶全酶 70识别的识别的启动子的特征启动子的特征 绝大多数绝大多数 70启动子启动子 少数较强的少数较强的 70启动子启动子 另一类型的另一类型的 70启动子启动子 70识别的识别的启动子的启动子的共有序列共有序列 因子的特定结构域识别因子的特定结构域识别启动子的特定区域启动子的特定区域 Regions of . Those regions of factor that recognize specific regions of the promoter are indicated by arrows. Region 2.3 is res
14、ponsible for melting the DNA. 与与 因子将因子将RNA聚合酶核心酶募集到聚合酶核心酶募集到启动子区域启动子区域 and subunits recruit RNA polymerase core enzyme to the promoter. The carboxy-terminal domain of the a subunit (CTD) recognizes the UP element (where present), whereas s regions 2 and 4 recognize the 10 and 35 regions, respectivel
15、y. 因子因子与与-35框框间相互作用间相互作用 使聚合酶识别特定启动子，使聚合酶识别特定启动子， 形成形成闭合转录复合体闭合转录复合体。 RNA聚合酶覆盖聚合酶覆盖-35上游上游 到到-10下游约下游约60个碱基对。个碱基对。 -10框框内的碱基对打开产生内的碱基对打开产生 开放转录复合体开放转录复合体。 细菌的细菌的转录起始转录起始 细菌的细菌的转录延伸转录延伸 转录的延伸：转录的延伸：RNA聚合酶覆盖的聚合酶覆盖的DNA片段约片段约30bp， 形成约形成约1520bp的转录泡，的转录泡，RNA-DNA杂合双链约杂合双链约 8bp。 细菌的细菌的转录终止转录终止有两种机制有两种机制 称为称
16、为终止子终止子（terminator）的序列引发）的序列引发RNA聚聚 合酶从合酶从DNA上脱离并释放已合成的上脱离并释放已合成的RNA链。链。 细菌有两种类型的终止子。细菌有两种类型的终止子。 Rho非依赖型终止子非依赖型终止子或称固有终止子，通过其转或称固有终止子，通过其转 录产物形成的发夹结构而终止转录。录产物形成的发夹结构而终止转录。 Rho依赖型终止子依赖型终止子需要一个称为需要一个称为Rho的蛋白质来的蛋白质来 诱发终止反应。诱发终止反应。 固有终止子固有终止子引发的终止引发的终止 依赖依赖Rho因子因子的终止的终止 真核生物的转录真核生物的转录 3 真核生物的转录真核生物的转录
17、真核生物的转录过程与细菌相同，但使用的“机真核生物的转录过程与细菌相同，但使用的“机 器”存在差别。器”存在差别。 真核生物有真核生物有三种三种不同的不同的RNA聚合酶。聚合酶。 真核生物转录的起始需要特定的起始因子，称为真核生物转录的起始需要特定的起始因子，称为 通用转录因子通用转录因子。 聚合酶聚合酶II的的核心启动子核心启动子由由4个元件组成个元件组成 RNA聚合酶聚合酶II的启动子包含四个元件：的启动子包含四个元件： TFIIB结合元件（结合元件（BRE）、）、TATA框（框（TATA box）、转录起始子（）、转录起始子（initiator，Inr）、下游）、下游 启动子元件（启动子
18、元件（DPE、DCE、MTE等）等） 它们合称它们合称核心启动子核心启动子。 小鼠小鼠-珠蛋白的珠蛋白的TATA框和起始子框和起始子 聚合酶聚合酶II与通用转录因子形成与通用转录因子形成转录起始复合物转录起始复合物 尽管通用转录因子与尽管通用转录因子与 因子没有显著的同源性，因子没有显著的同源性， 但它们的功能相似，即但它们的功能相似，即协助聚合酶结合启动子协助聚合酶结合启动子并并 打开双螺旋打开双螺旋。 一起结合在启动子上准备开始转录的一套完整的一起结合在启动子上准备开始转录的一套完整的 通用转录因子和聚合酶称为通用转录因子和聚合酶称为转录起始复合物转录起始复合物。 TFIID是最重要的通用
19、转录因子，它识别启动子是最重要的通用转录因子，它识别启动子 序列。序列。 真核生物聚合酶真核生物聚合酶II的转录起始的转录起始 真核生物的聚合酶真核生物的聚合酶II不直接识别核心启动子序列。不直接识别核心启动子序列。 最初的结合由最初的结合由通用转录因子通用转录因子TFII完成。完成。 其次序为其次序为DABPolFEH。 通用转录因子通用转录因子TFIID由由TATA结合蛋白结合蛋白（TBP）和）和8 12个个TBP相关因子相关因子（TAFs）组成。）组成。TBP负责识别负责识别 TATA box，TAFs有多种功能（结合有多种功能（结合核心启动子元件核心启动子元件、 结合其他转录因子、组蛋
20、白乙酰化酶活性等）。结合其他转录因子、组蛋白乙酰化酶活性等）。 没有没有TATA box与起始子的基因也可被转录与起始子的基因也可被转录 聚合酶聚合酶II完成转录起始完成转录起始 当当DABPolFEH复合体形成后，复合体形成后，TFIIH（有解螺旋（有解螺旋 酶活性）使启动子解螺旋。酶活性）使启动子解螺旋。 聚合酶聚合酶II的大亚基有一个的大亚基有一个C端域端域（CTD） “尾“尾 巴”，含巴”，含YSPTSPS七肽重复序列，酵母重复七肽重复序列，酵母重复27次，次， 人类重复人类重复52次。次。 TFIIH（有蛋白激酶活性）使（有蛋白激酶活性）使CTD磷酸化磷酸化。 CTD磷酸化使聚合酶启
21、动延伸过程。磷酸化使聚合酶启动延伸过程。 体内体内的转录起始需要其它蛋白质的转录起始需要其它蛋白质 激活因子激活因子 中介蛋白中介蛋白 复合体复合体 核小体核小体 重塑因子重塑因子 组蛋白组蛋白 乙酰化酶乙酰化酶 聚合酶聚合酶II的转录延伸的转录延伸 聚合酶转入延伸阶段后，就脱落其大部分起始因聚合酶转入延伸阶段后，就脱落其大部分起始因 子（如通用转录因子和中介蛋白）。子（如通用转录因子和中介蛋白）。 另一组蛋白质被募集到聚合酶上，其中一些是激另一组蛋白质被募集到聚合酶上，其中一些是激 发延伸的因子，其它则是发延伸的因子，其它则是RNA加工加工所需要的。所需要的。 这些蛋白质都被募集到聚合酶这些
22、蛋白质都被募集到聚合酶II大亚基的大亚基的CTD尾尾 巴巴上。上。 募集这些因子需要募集这些因子需要CTD的磷酸化的磷酸化。 RNA加工酶由聚合酶的尾巴募集加工酶由聚合酶的尾巴募集 RNA加工加工与聚合酶与聚合酶II的延伸同时进行的延伸同时进行 真核生物的真核生物的RNA必须以各种方式进行加工，包括：必须以各种方式进行加工，包括： 5端端加帽加帽、内含子、内含子剪接剪接与与3端的端的聚腺苷酸化聚腺苷酸化。其中。其中 最复杂的是剪接。最复杂的是剪接。 第一个第一个RNA加工事件是加帽，加工事件是加帽，在转录刚进入延伸转录刚进入延伸 阶段时就进行。阶段时就进行。 聚腺苷酸化与转录终止密切相关聚腺苷
23、酸化与转录终止密切相关，当聚合酶到达，当聚合酶到达 基因末端，就会遇到一个特殊序列，而引发基因末端，就会遇到一个特殊序列，而引发 mRNA切割、聚腺苷酸化和转录终止。切割、聚腺苷酸化和转录终止。 RNA的的5帽子帽子的形成的形成 帽子的生物学功能帽子的生物学功能 维持维持mRNA的的稳定稳定； 与与帽结合蛋白复合体帽结合蛋白复合体结合，参与结合，参与翻译翻译过程。过程。 聚腺苷酸化聚腺苷酸化与与转录终止转录终止有关有关 转录终止信号：转录终止信号：5-AAUAAA-3 5AAUAAA10-30个核苷酸个核苷酸CA 富含富含GU的的10-20个核苷酸个核苷酸3 5AAUAAA10-30个核苷酸个
24、核苷酸CA AAAAA（约约250个个）3 Poly(A)聚合酶聚合酶 辅助因子辅助因子 （CPSF，CstF，多聚腺苷酸结合蛋白等），多聚腺苷酸结合蛋白等） CPSF：Cleavage and polyadenylation specificity factor CstF：Cleavage stimulating factor 5帽子和帽子和3尾巴在翻译中起重要作用尾巴在翻译中起重要作用 转录终止的可能机制转录终止的可能机制 鱼雷（鱼雷（torpedo）模型：当转录超过加尾信号后，）模型：当转录超过加尾信号后， CPSF切断切断mRNA，RNA pol II继续向前转录。新继续向前转录。新
25、转录出的转录出的RNA因无因无5-帽子保护而被帽子保护而被RNase切割。切割。 RNase赶上赶上RNA pol II，结束转录。，结束转录。 变构（变构（allosteric）模型：）模型：RNA pol II转录超过加转录超过加 尾信号点后，转录效率大大降低，不久后无法继尾信号点后，转录效率大大降低，不久后无法继 续转录。续转录。 RNA聚合酶聚合酶I和和III的转录起始的转录起始 真核生物除了聚合酶真核生物除了聚合酶II外，还有外，还有聚合酶聚合酶I、III。 聚合酶聚合酶I只用于一个基因的表达，那就是只用于一个基因的表达，那就是rRNA前前 体基因。体基因。 rRNA基因的启动子包括
26、核心元件和基因的启动子包括核心元件和UCE。 聚合酶聚合酶III的启动子有各种形式，而且绝大部分位的启动子有各种形式，而且绝大部分位 于转录起始点下游。于转录起始点下游。 聚合酶聚合酶I/III的转录起始同样需要的转录起始同样需要通用转录因子通用转录因子，并，并 且需要且需要TBP。 聚合酶聚合酶I的启动子的启动子 聚合酶聚合酶III的启动子的启动子 小小 结结 RNA聚合酶从细菌到人是高度保守的。聚合酶从细菌到人是高度保守的。 真核细胞有真核细胞有三种三种聚合酶，细菌只有聚合酶，细菌只有一种一种。 E.coli的的核心酶核心酶由由五个亚基五个亚基组成，组成一个组成，组成一个蟹爪蟹爪 的形状，
27、真核生物的酶结构也类似。的形状，真核生物的酶结构也类似。 真核生物聚合酶真核生物聚合酶II有一点和细菌聚合酶不同，那有一点和细菌聚合酶不同，那 就是前者有就是前者有CTD尾巴尾巴。 转录要经过三个阶段：转录要经过三个阶段：起始起始、延伸延伸、终止终止。 精确的转录起始依赖精确的转录起始依赖起始因子起始因子的参与。的参与。 细菌的起始因子是细菌的起始因子是 因子因子，真核生物是真核生物是通用转录因通用转录因 子子。 转录的起始过程中转录的起始过程中，RNA聚合酶与起始因子在一聚合酶与起始因子在一 个个闭合式复合体闭合式复合体中结合到启动子上中结合到启动子上，随后该复合随后该复合 体转变为体转变为
28、开放式复合体开放式复合体。 延伸刚开始延伸刚开始，真核生物真核生物mRNA就进行就进行5加帽加帽。 细菌的转录终止可分为细菌的转录终止可分为Rho不依赖不依赖与与Rho依赖型依赖型。 真核生物聚合酶真核生物聚合酶II的转录终止与的转录终止与3的的聚腺苷酸化聚腺苷酸化事事 件密切相关件密切相关。 帽子和尾巴能维持帽子和尾巴能维持mRNA的稳定的稳定，并并在翻译中发在翻译中发 挥重要作用挥重要作用。 转录后加工转录后加工 4 RNA剪接剪接是转录后加工的核心步骤是转录后加工的核心步骤 真核基因中的内含子真核基因中的内含子 基因基因 长度长度/kb 内含子数目内含子数目 所占比例所占比例/% 胰岛素
29、胰岛素 1.4 2 67 -珠蛋白珠蛋白 1.4 2 69 血清白蛋白血清白蛋白 18 13 89 VII型胶原型胶原 31 117 71 VIII因子因子 186 25 95 肌营养不良蛋白肌营养不良蛋白 2400 78 99 RNA序列序列决定了在哪里进行剪接决定了在哪里进行剪接 3剪接位点剪接位点 5剪接位点剪接位点 分支点分支点 5剪接位点剪接位点 C T Pu A Py 分支点分支点A 3剪接位点剪接位点 Py(n) N A G A G G T Pu A G T 内含子的剪接包含两次转酯反应内含子的剪接包含两次转酯反应。 （1）分支点的一个分支点的一个A的的2-OH攻击攻击5-剪接位
30、点的磷剪接位点的磷 酸二酯键酸二酯键，生成上游外显子的生成上游外显子的3-OH ； （2）上游外显子末端的上游外显子末端的3-OH攻击攻击3-剪接位点的剪接位点的 磷酸二酯键磷酸二酯键，释放呈套索状的内含子释放呈套索状的内含子。 内含子的剪接包含内含子的剪接包含两次转酯反应两次转酯反应 内含子剪接需要内含子剪接需要剪接体复合物剪接体复合物 前述的转酯反应是由称为“剪接体”的前述的转酯反应是由称为“剪接体”的超分子复超分子复 合物合物介导的，包含超过介导的，包含超过50种蛋白质和种蛋白质和5种种RNA， 大小与核糖体相当。大小与核糖体相当。 剪接体的多数功能由其剪接体的多数功能由其RNA成分执行
31、（剪接体也成分执行（剪接体也 是核酶？）。是核酶？）。 剪接体剪接体RNA（U1、U2、U4、U5、U6）统称）统称核小核小 RNA（snRNA），它们与蛋白质组成的复合物也），它们与蛋白质组成的复合物也 称称核小核糖核蛋白核小核糖核蛋白（snRNP）。）。 snRNP在剪接中的功能在剪接中的功能 snRNP在剪接中的功能体现在在剪接中的功能体现在三个方面三个方面： （1）识别）识别5剪接位点和分支点；剪接位点和分支点； （2）把这两个位点集结到一起；）把这两个位点集结到一起； （3）催化）催化RNA剪接和连接反应。剪接和连接反应。 U1、U6均能识别均能识别5剪接位点，剪接位点，U2能识别分
32、支点，能识别分支点， U2与与U6间的间的RNA-RNA相互作用把相互作用把5剪接位点和剪接位点和 分支点拉到一起。分支点拉到一起。 真核生物中普遍存在真核生物中普遍存在选择性剪接选择性剪接 某些某些mRNA前体可通过不同的剪接模式（前体可通过不同的剪接模式（选择性选择性 剪接剪接），生成多种不同的成熟），生成多种不同的成熟mRNA，而翻译出，而翻译出 不同的蛋白质。不同的蛋白质。 选择性剪接在高等真核生物中普遍存在，人类基选择性剪接在高等真核生物中普遍存在，人类基 因组中因组中至少至少35的基因存在选择性剪接。的基因存在选择性剪接。 肌钙蛋白肌钙蛋白T的选择性剪接的选择性剪接 SV40病毒病
33、毒T抗原的选择性剪接抗原的选择性剪接 选择性剪接选择性剪接 的两种调控的两种调控 模式模式 rRNA和和tRNA前体的加工前体的加工 rRNA和和tRNA前体的加工在原核和真核细胞中前体的加工在原核和真核细胞中 是类似的。是类似的。 这一过程涉及这一过程涉及切割切割事件和事件和化学修饰化学修饰。 原核生物原核生物rRNA前体的加工前体的加工 真核生物真核生物rRNA前体的加工前体的加工 原核与真核生物原核与真核生物 tRNA前体的加工前体的加工 内含子可分为内含子可分为 8 种类型种类型 内含子的类型内含子的类型 发现的位置发现的位置 剪接方式剪接方式 GU-AG内含子内含子 真核真核hnRN
34、A 剪接体剪接剪接体剪接 AU-AC内含子内含子 真核真核hnRNA 剪接体剪接剪接体剪接 I 型内含子型内含子 真核真核rRNA前体、前体、 细胞器细胞器RNA 自催化自催化 （线形结构）（线形结构） II 型内含子型内含子 细胞器细胞器RNA、某些、某些 原核原核RNA 自催化自催化 （套索结构）（套索结构） III 型内含子型内含子 细胞器细胞器RNA 自催化？自催化？ 孪生内含子孪生内含子 细胞器细胞器RNA ？ 前前tRNA内含子内含子 tRNA前体前体 酶切割酶切割/连接连接 古细菌内含子古细菌内含子 古细菌古细菌RNA 酶切割酶切割/连接？连接？ I型、型、II型内含子的自剪接型
35、内含子的自剪接 I、II型内含子是自催化的，这是核酶的一个经典型内含子是自催化的，这是核酶的一个经典 例子。例子。 II型内含子可能是最原始的内含子，型内含子可能是最原始的内含子，AU-AC内含内含 子可能由子可能由II型内含子进化而来，并最终产生主流型内含子进化而来，并最终产生主流 的的pre-mRNA内含子。内含子。 mRNA序列可由序列可由RNA编辑编辑改变改变 RNA编辑可在改变转录后编辑可在改变转录后RNA的序列，而使翻译的序列，而使翻译 得到的蛋白质的序列与推导的不同。得到的蛋白质的序列与推导的不同。 RNA编辑的机制有两种：编辑的机制有两种：位点特异性脱氨基作用位点特异性脱氨基作
36、用 和和指导指导RNA（gRNA）介导的尿嘧啶插入和删除介导的尿嘧啶插入和删除。 通过通过脱氨基作用脱氨基作用进行的进行的RNA编辑编辑 Apo B-100 Apo B-48 通过通过gRNA介导的介导的U插入插入进行进行RNA编辑编辑 小小 结结 从从pre-mRNA中除去内含子的过程称为中除去内含子的过程称为RNA剪接剪接 （RNA splicing）。）。 有些有些pre-mRNA存在不止一种剪接方式，从而产存在不止一种剪接方式，从而产 生不同的生不同的mRNA（例如，可去除不同组合的内含（例如，可去除不同组合的内含 子），这称为子），这称为选择性剪接选择性剪接。通过这种方式，。通过这种
37、方式，一个一个 基因可产生多个蛋白质产物基因可产生多个蛋白质产物。 mRNA编辑编辑也可以改变初始转录产物而得到不同也可以改变初始转录产物而得到不同 的编码产物。的编码产物。 第二节第二节 RNA复制复制 Genome RNA Replication 以以RNA作为基因组的病毒称为作为基因组的病毒称为RNA病毒，这病毒，这 类病毒除反转录病毒外，在宿主细胞都是以病毒的类病毒除反转录病毒外，在宿主细胞都是以病毒的 单链单链RNA为模板合成为模板合成RNA，这种，这种RNA依赖的依赖的RNA 合成又称为合成又称为RNA复制复制(RNA replication)。 RNA RNA RNA复制酶复制酶
38、 一、病毒一、病毒RNA基因组通过基因组通过RNA依赖的依赖的 RNA聚合酶进行复制聚合酶进行复制 二、复制酶只特异识别和复制病毒二、复制酶只特异识别和复制病毒RNA但缺但缺 乏校正功能乏校正功能 催化催化RNA复制的酶是复制的酶是RNA依赖的依赖的RNA聚合酶聚合酶 (RNA-dependent RNA polymerase，RDRP)，也，也 称为称为RNA复制酶复制酶(RNA replicase),由病毒的由病毒的RNA编编 码。码。 RNA复制酶只能复制病毒复制酶只能复制病毒RNA，不能以，不能以DNA为模为模 板合成板合成RNA。 RNA复制酶的组成复制酶的组成 大多数大多数RNA噬
39、菌体的噬菌体的RNA复制酶由复制酶由4个亚基组成个亚基组成 1个亚基个亚基(MW 65,000) 噬菌体噬菌体RNA复制酶基因复制酶基因 编码，是编码，是复制酶的活性部位复制酶的活性部位 另外另外3个亚基个亚基延长因子延长因子Tu、延长因子、延长因子Ts和和S1 蛋白蛋白，都由宿主细胞自身的基因编码，参与宿主，都由宿主细胞自身的基因编码，参与宿主 细胞蛋白质合成。可能在协助复制酶定位和结合细胞蛋白质合成。可能在协助复制酶定位和结合 病毒病毒RNA的的3端的过程中起作用端的过程中起作用 RNA依赖的依赖的RNA合成机制和特点合成机制和特点 RNA依赖的依赖的RNA合成的化学反应过程、机制与合成的
40、化学反应过程、机制与 DNA依赖的依赖的RNA合成是相同的，合成的方向也是合成是相同的，合成的方向也是 从从5到到3 RNA复制酶不具有校正功能复制酶不具有校正功能 一、大多数一、大多数RNA病毒的基因组是单链病毒的基因组是单链RNA分子分子 大多数大多数RNA病毒的基因组是单链病毒的基因组是单链RNA分子分子，如单，如单 链链RNA噬菌体、脊髓灰质炎病毒噬菌体、脊髓灰质炎病毒(Poliovirus)、 鼻病毒鼻病毒(Rhinovirus) 少数病毒的基因组是双链少数病毒的基因组是双链RNA分子，如呼肠孤病分子，如呼肠孤病 毒毒 (Reovirus） 基因组基因组RNA复制主要特点复制主要特点
41、 单链单链RNA基因组分类基因组分类 根据单链根据单链RNA基因组与其基因组与其mRNA序列之间的异同序列之间的异同 正链正链RNA (positive-strand RNA) (即与即与mRNA序列序列 一致的一致的RNA) 负链负链 RNA (negative-strand RNA) (即与即与mRNA序序 列互补的列互补的RNA) 多数多数RNA病毒的基因组由连续的核糖核酸链组成病毒的基因组由连续的核糖核酸链组成 有些病毒的基因组有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸链组由不连续的几条核酸链组 成如流感病毒，呼肠孤病毒成如流感病毒，呼肠孤病毒 有的病毒自带专门用于病毒复制的核酸酶，有的
42、有的病毒自带专门用于病毒复制的核酸酶，有的 则无则无 有的病毒核酸并不仅有一个分子，如流感病毒有有的病毒核酸并不仅有一个分子，如流感病毒有8 条条RNA，呼肠孤病毒有，呼肠孤病毒有1112条双链条双链RNA RNA病毒基因组的构成病毒基因组的构成 二、病毒基因组二、病毒基因组RNA复制需要利用宿主的翻译复制需要利用宿主的翻译 系统合成有关酶和蛋白质系统合成有关酶和蛋白质 定义：定义： 病毒基因组病毒基因组RNA复制复制是病毒在真核细胞是病毒在真核细胞 中以自身全长的中以自身全长的RNA分子为模板，从头至尾合分子为模板，从头至尾合 成一套新的基因组成一套新的基因组RNA。 必要条件：必要条件：
43、1. 要有能够特异识别并复制病毒要有能够特异识别并复制病毒RNA的的RNA聚聚 合酶合酶。 2. 能利用仅能识别单顺反子信息的细胞机制能利用仅能识别单顺反子信息的细胞机制， 从多顺反子基因组从多顺反子基因组（或是这些基因组的转录本或是这些基因组的转录本） 合成自己的蛋白合成自己的蛋白。 策略：策略： 1.合成多聚蛋白，然后再剪切成单个蛋白。如小型合成多聚蛋白，然后再剪切成单个蛋白。如小型 RNA 病毒。病毒。 2.合成多个亚基因组合成多个亚基因组RNA，然后分别翻译成单个蛋白。，然后分别翻译成单个蛋白。 3.将基因组分成几段，即分节基因组，使每节都编码将基因组分成几段，即分节基因组，使每节都编
44、码 单个蛋白如正粘病毒、呼肠孤病毒等。单个蛋白如正粘病毒、呼肠孤病毒等。 由于病毒种类繁多，核酸类别不同，因而病毒的复由于病毒种类繁多，核酸类别不同，因而病毒的复 制机制不尽相同。制机制不尽相同。 第第18章章 蛋白质的合成与加工蛋白质的合成与加工 翻译概述翻译概述 信使信使RNA核苷酸序列中的遗传信息转变为蛋白质核苷酸序列中的遗传信息转变为蛋白质 氨基酸排列顺序的过程，称为氨基酸排列顺序的过程，称为翻译翻译。 翻译是所有生物中翻译是所有生物中最保守最保守，也是细胞中，也是细胞中最耗费能最耗费能 量量的事件之一。在细菌中，最多可有的事件之一。在细菌中，最多可有80%的能量的能量 和和50%的细
45、胞干重是专用于合成蛋白质的。的细胞干重是专用于合成蛋白质的。 单一蛋白质的合成需要上百种单一蛋白质的合成需要上百种蛋白质和蛋白质和RNA的合的合 作作。 翻译机器由翻译机器由4种基本成分种基本成分组成：组成：mRNA、tRNA、 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶和和核糖体核糖体。 tRNA的负载的负载 2 翻译过程翻译过程 3 折叠与修饰折叠与修饰 4 翻译机器翻译机器 1 蛋白质合成与医学蛋白质合成与医学 5 翻译机器翻译机器 1 翻译机器翻译机器 在遗传信息传递中，翻译远比在遗传信息传递中，翻译远比DNA到到RNA的转录的转录 复杂，因为复杂，因为mRNA不可能直接作为模板指导多肽不可能
46、直接作为模板指导多肽 链的合成。链的合成。 mRNA的蛋白编码区由称为的蛋白编码区由称为密码子密码子的三核苷酸单的三核苷酸单 位组成，密码子决定氨基酸的顺序。位组成，密码子决定氨基酸的顺序。 tRNA介导氨基酸与密码子的相互作用。介导氨基酸与密码子的相互作用。 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶使氨基酸与使氨基酸与tRNA结合起来。结合起来。 核糖体核糖体协调协调mRNA与与tRNA的识别，并催化肽键的的识别，并催化肽键的 合成。合成。 多肽链是由多肽链是由开放阅读框开放阅读框决定的决定的 蛋白质合成的信息蕴藏在三核苷酸密码子中，蛋白质合成的信息蕴藏在三核苷酸密码子中， 每个密码子决定一个氨基
47、酸。每条每个密码子决定一个氨基酸。每条mRNA的蛋的蛋 白质编码区由连续的、不重叠的、称为白质编码区由连续的、不重叠的、称为开放阅开放阅 读框读框（open reading frame，ORF）的密码子串）的密码子串 联组成。联组成。 每个每个ORF对应一个蛋白质，其起始和终止位点对应一个蛋白质，其起始和终止位点 都位于都位于mRNA内部。内部。 ORF以以AUG为起点，以为起点，以UAA、UGA、UAG为为 终点。终点。 小鼠小鼠 -珠蛋白基因珠蛋白基因 信使信使RNA的结构特点的结构特点 mRNA至少应包括一个至少应包括一个ORF。 真核细胞的真核细胞的mRNA几乎都只有一个几乎都只有一个
48、ORF。 原核细胞的原核细胞的mRNA经常含有多个经常含有多个ORF，可编码多，可编码多 条多肽链。这种含有多个条多肽链。这种含有多个ORF的的mRNA称为称为多顺多顺 反子反子。多顺反子经常编码功能相关的蛋白质。多顺反子经常编码功能相关的蛋白质。 原核原核mRNA具有具有核糖体结合位点核糖体结合位点（RBS）或称）或称SD 序列序列，用于募集翻译机器。，用于募集翻译机器。 真核真核mRNA在在5和和3端修饰，以促进翻译。端修饰，以促进翻译。 原核与真核原核与真核mRNA的结构的结构 遗传密码的特点遗传密码的特点 从原核生物到人类都使用同一套密码：从原核生物到人类都使用同一套密码：通用性通用性 （universal），有例外），有例外 密码子的排列具有密码子的排列具有方向性方向性（direction） ：53 三联体密码的三联体密码的连续性连续性（commaless） 遗传密码具有遗传密码具有简并性简并性（degeneracy） ：多个密码：多个密码 子编码同一个氨基酸子编码同一个氨基酸 反密码子与密码子的配对具有反密码子与密码子的配对具有摆动性摆
