基因的分子生物学读书笔记(7)

这两个腺嘌呤与反密码子和密码子的前两个碱基之间每个正确配对所形成的小沟形成紧密的相互作用。相邻的16SrRNA的A残基不能识别G：C或A：U配对，因而认为任何一对都是正确的。相反，非Watson-Crick碱基配对所形成的小沟就不能被（16SrRNA的）这两个腺嘌呤识别，导致对非正确tRNA的亲和力明显降低。这些作用的净结果是，正确配对的tRNA从核糖体解离的速度要远低于非正确配对的tRNA。

第二个有助于保证正确的反密码子-密码子配对的机制涉及EF-Tu的GTP酶活性。EF-Tu从tRNA的释放需要GTP的水解，这一作用对正确的反密码子-密码子配对是非常敏感的。即使只有一个碱基的不配对也将导致EF-Tu的GTP酶活性的急剧下降。

第三个保证碱基配对正确性的机制是EF-Tu释放后的一个校正机制。当负载tRNA与EF-Tu-GTP的复合体进入A位点时，它的3’端远离肽键形成的位点。为了成功地进行肽转移酶反应，氨基酰tRNA必须旋转进入到大亚基的肽转移酶中心，这一过程称为入位（accommodation）。非正确配对的tRNA在入位过程中经常从核糖体上脱离下来。有假设认为氨基酰tRNA的旋转为密码子和反密码子的作用带来了张力，而只有正确配对的反密码子才能维持这种张力。 31. 核糖体是核酶：

答：这一反应由RNA，尤其是大亚基的23S rRNA组分来催化。23S rRNA与处于A和P位点的tRNA的CCA末端之间的碱基配对，帮助氨基酰tRNA的α氨基基团攻击结合于肽酰-tRNA的多肽的碳基团。

肽转移酶中心的核苷酸接受了氨基酰tRNA的α氨基基团的一个氢原子，使得相连的氮原子变成了极强的亲核基团。

32. 肽键形成和延伸因子EF-G促进了tRNA和mRNA的易位：

一旦肽转移酶反应开始发生，P位点的tRNA就被脱去氨基（不再结合氨基酸），而多肽链则连接到A位点的tRNA上。要使肽链延伸的新一轮循环得以发生，P位点的tRNA必须移至E位点，而A位点的tRNA必须移至P位点。同时，mRNA也必须移动3个核苷酸，以使下一个密码子暴露出来。这些移动是在核糖体内协调进行的，统称为易位（translocation）。

易位的起始步骤是与肽转移酶反应偶联的。一旦多肽链移至A位点的tRNA，这个tRNA的3’端就移到大亚基的P位点上。相反，tRNA的反密码子部分仍然留在A位点内。相似地，这时已脱氨基的P位点的tRNA位于大亚基的E位点和小亚基的P位点上。

易位的完成需要第二个称为EF-G的延伸因子的作用。当EF-G-GTP结合后，它与大亚基的因子结合中心相作用，刺激GTP的水解。GTP的水解改变了EF-G-GDP的构象，允许它进入小亚基并刺激A位点tRNA的易位。当易位完成后，核糖体构象的改变极大地降低了其对EF-G-GDP的亲和力，允许这一延伸因子从核糖体中释放出来。这些事件一起导致A位点的tRNA易位至P位点，P位点的tRNA易位至E位点，以及mRNA正好移动3个核苷酸。

33. EF-G通过取代结合在A位点的tRNA来驱动易位。

34. EF-Tu-GDP和EF-G-GDP在参加新一轮延伸之前必须将GDP换成GTP。 35. 一个循环的肽键形成要消耗两个GTP分子和一个ATP分子。 36. 释放因子在终止密码子的作用下终止翻译：

答：有两类释放因子：Ⅰ类释放因子识别终止密码子，并催化多肽链从P位点的tRNA中水解释放出来。原核细胞有两种Ⅰ类释放因子：RF1和RF2。RF1识别终止密码子UAG，RF2识别终止密码子UGA，两者皆可识别第三个终止密码子UAA。真核细胞只有一种能识别3个终止密码子的Ⅰ类释放因子：eRF1。Ⅱ类释放因子在多肽链释放后刺激Ⅰ类因子从核糖体中解离开来。原核细胞和真核细胞都只有一种Ⅱ类因子，分别是RF3和eRF3。与

EF-G，EF-Tu和其他翻译因子一样，Ⅱ类释放因子也是由GTP调节的。 37. Ⅰ类释放因子的一小段区域识别终止密码子并催化多肽链的释放： 答：3个氨基酸负责识别终止密码子的特异性。这3个氨基酸组成的区域代表着肽反密码子。 所有的Ⅰ类因子共有一段保守的三氨基酸（GGQ）序列，这一序列对多肽链的释放是关键的。

38. GDP/GTP交换和GTP水解调控Ⅱ类释放因子的功能：

答：在Ⅰ类RF刺激多肽释放后，核糖体和Ⅰ类因子的构象改变诱导RF3交换GDP而结合GTP。RF3与GTP的结合导致与核糖体之间的高亲和力相互租用的形成，替代了Ⅰ类分子与核糖体的结合，这一变化还使得RF3与大亚基的因子结合中心结合。与参与翻译的其他GTP结合蛋白一样，这个作用刺激GTP的水解。在（与核糖体结合的）Ⅰ类因子不存在的情况下，RF3-GDP与核糖体的亲和力较弱而很快从核糖体中释放出来。 39. 核糖体循环因子模仿tRNA： 答：为了参与新一轮的多肽合成，tRNA和mRNA必须离开核糖体而核糖体也必须分解为大、小亚基。这几个事件统称为核糖体循环（ribosome recycling）。

在原核细胞中，一种称为核糖体循环因子（ribosome recycling factor，RRF）的蛋白质在多肽释放后与EF-G和IF3共同作用来使核糖体循环。RRF与空位的A位点结合，并模仿tRNA。RRF也募集EF-G到核糖体上，EF-G刺激结合于P位点和E位点的空载tRNA释放出来。一旦tRNA从核糖体中脱离，EF-G和RRF同mRNA一起也从核糖体中释放出来。IF3（起始因子）也可能参与了mRNA的释放，而且它对核糖体分解为大、小亚基是必需的。这些事件的最后结果是形成一个与IF3（而非tRNA或mRNA）结合的小亚基和一个游离的大亚基。

40. 依赖翻译调节mRNA和蛋白质的稳定性：

答：翻译过程可以识别缺陷的mRNA，并予以去除或将其蛋白质产物去除。 41. SsrA RNA援救翻译着断裂mRNA的核糖体：

答：在原核细胞，由于缺失了终止密码子而停止运转的核糖体是由一种嵌合的RNA分子解救的，这种RNA分子部分是tRNA，部分是mRNA，称为tmRNA。

SsrA RNA是一个由457个核苷酸组成的tmRNA，其3’端的区域非常相似于tRNAAla。SsrA RNA结合的最终结果是，当不完全的mRNA从核糖体中释放出来时，不完全的多肽的碳基端融合了一个10个氨基酸的“标签”，而核糖体重新进入翻译的循环过程中。有趣的是，这种10个氨基酸的“标签”被细胞的蛋白水解酶识别，蛋白水解酶很快地将这一标签以及它附着的多肽降解。

42. 真核细胞降解不完整的或终止密码子提前的mRNA： 答：真核细胞的翻译与mRNA的衰减过程紧密相连。

当一个mRNA分子含有提前的终止密码子时（称为无义密码子），这一mRNA很快地被降解，这一过程称为无义密码子介导的mRNA衰减（nonsense mediated mRNA decay）。如果mRNA存在一个提前的终止密码子（源于基因的突变或转录与剪接过程中的错误），那么核糖体就在外显子结合处的复合体被置换之前，从mRNA上脱离出来。在这些情况下，复合体作用于提前终止的核糖体，这样就激活一种去除mRNA的5’端帽结构的酶。由于mRNA通常就是受5’端帽结构保护来防止降解的，因为帽结构的去除就导致mRNA很快地被5’→3’核酸外切酶所降解。

另一种机制拯救翻译缺乏终止密码子的mRNA的核糖体，称为无终止密码子介导的mRNA衰减（nonstop mediated decay）。当缺失终止密码子的mRNA翻译时，核糖体就会翻译多聚A尾（因为没有终止密码子在多聚A尾之前终止翻译）。这就导致了蛋白质的末端添加了多个赖氨酸（AAA是赖氨酸的密码子），并且核糖体停止在mRNA的3’端。停止的

核糖体与Ski7蛋白质（与Ⅱ类释放因子eRF3相关）结合，刺激了核糖体的解离并吸引3’→5’核酸外切酶降解“无终止”mRNA。另外，在碳基末端含有多聚赖氨酸的蛋白质是不稳定的，导致源自无终止密码子的mRNA的蛋白质快速降解。

第15章 遗传密码

知识点：

1. 遗传密码具简并性：

答：很多氨基酸是由超过1种以上的密码子定义的，这种现象称为密码子的简并性（degeneracy）。定义同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子（synonym）。

事实上，当密码子的第1和第2个核苷酸完全相同时，第3个核苷酸无论是胞嘧啶还是尿嘧啶，均编码相同的氨基酸，通常腺嘌呤和鸟嘌呤可以类似地进行互换。

很多生物基因组DNA分子中AT/CG的比例有很大的变异，但它们的蛋白质分子中氨基酸的比例却没有相应的大变化，这一现象可以用密码子的简并性，特别是在密码子第3位单核苷酸的常见的胞嘧啶与尿嘧啶或者腺嘌呤与鸟嘌呤的互换性来解释。 2. 认识密码子组成的规律： 答：考察密码子在遗传密码中的分布，可以得到遗传编码的进化趋向于将突变的有害效应减少到最小的规律。

遗传密码中另一个显而易见的规律是：在第3个位置上使所有4种核苷酸定义相同的氨基酸可能已逐渐进化为一种安全机制，以便在阅读这种密码时将错误减少到最小。 3. 反密码子的摆动配对： 答：摆动理论指出，反密码子5’端的碱基在空间上不如其他2个位置上的碱基那么受限制，可以和密码子3’端的集中碱基形成氢键。

摆动理论的配对组合：

反密码子中的碱基 G C A U I 密码子中的碱基 U或C G U A或G A、U或C 反密码子的第一个（5’）碱基位于碱基堆叠的末端，其运动也许比其他两个碱基相对自由些，因而，在密码子的第三个（3’）碱基位置上摆动。相反，不仅反密码子的第三个（3’）碱基位于碱基堆叠的中间，而且相邻的碱基总是庞大的修饰嘌呤残基。因此，碱基运动的受限性可能解释了摆动为什么不出现在密码的第一个（5’）位置上。 4. 三个密码子指导链的终止： 答：终止密码子UAA、UAG和UGA不是由特殊的tRNA来阅读，而是由称为释放因子（RF）的特殊蛋白质所阅读（细菌中为RF1和RF2，在真核生物种为eRF1）。 5. 遗传密码是如何破译的？

答：通过人工合成的mRNA刺激氨基酸的掺入。

混合多聚核苷酸使其它密码子的组成得以确定。 tRNA和特定的三联体密码子结合。 重复共聚物确定密码子。 6. 支配遗传密码的三条规律：

答：遗传密码遵循指导密码子在mRNA中的排列和使用的三条规律：

第一条规律是密码子从5’→3’方向阅读。 第二条规律是密码子不重叠，信息之间无缝隙。

最后一条规律是信息在固定的可读框上翻译，这些可读框是由起始密码子设定的。 7. 改变遗传密码的三种点突变： 答：引起编码一种特异氨基酸的密码子成为编码另一种氨基酸的密码子的改变称为错义突变（missense mutation）。

突变导致链终止密码子，称为无义突变（nonsense mutation）或者终止突变（stop mutation）。

第三种点突变是移码突变（frameshift mutation）。它是插入或缺失一个或者几个碱基对，从而改变可读框。

8. 遗传密码是以3个碱基为阅读单位的遗传学证据。 9. 抑制突变可以存在于相同或不同的基因中：

答：通常，有害突变的效应可以被第2个遗传变化逆转。其中某些继发突变易于理解，如简单的逆转突变（reverse mutation），把改变了的核苷酸序列转变回原先的序列。比较难以理解的是突变发生在染色体的不同位置，通过在B位点产生其他遗传变化抑制发生在A位点的突变所带来的变化。这种抑制突变（suppressor mutation）主要有两种类型：一是基因内抑制（intragenic suppressor），即抑制突变和原来的突变位于同一个基因内，但在不同的位置上；二是抑制突变发生在另一个基因上的基因间抑制（intergenic suppressor）。抑制其他基因的突变的基因称为抑制基因（suppressor gene）。在此我们考虑的两种突变抑制作用均通过导致产生好的（或部分好的）蛋白质拷贝而起作用，原有的有害突变则使蛋白质失活。 10. 基因间抑制涉及tRNA：

答：最著名的抑制突变例子之一是突变tRNA基因，它抑制蛋白质编码基因中无疑突变的效应（但也有抑制错义突变，甚至移码突变的突变tRNA）。 11. 无义突变抑制也能识别正常的终止信号：

答：无义抑制行为可以看作是抑制tRNA和释放因子之间的竞争，当一个终止密码子进入核糖体A位点，是读过去还是多肽链终止，取决于这两个中的哪一个优先到达该位置。大肠杆菌可以耐受UAG终止密码子的误读，因为UAG不常用做可读框末端的链终止密码子。因为UAA常常用作链终止密码子，所以被抑制tRNA识别会导致产生很多异常的长肽链。 12. 通用性（universality）：

答：指不论是病毒、原核生物还是真核生物密码子的含义都是相同的。 13. 密码子通用性的好处： 答：密码子的通用性对于我们了解进化有着重大的影响，因为它使直接比较基因组序列已知的所有生物的蛋白质序列成为可能。

遗传密码的通用性还帮助建立了遗传工程领域，使在代理宿主生物种表达编码有用蛋白质产物的克隆基因成为可能，如在细菌中产生人类胰岛素。

14. 真核细胞线粒体mRNA中的密码子与胞浆中mRNA的密码子有以下三点不同： 答：（1）线粒体中UGA不代表终止密码子，而是编码Trp；

（2）线粒体有4个终止密码子：UAA，UAG，AGA，AGG； （3）肽链内的Met由其中的AUG和AUA编码。

第4篇 调控

第16章 原核生物的基因调控

知识点：

1. 基因表达由调控蛋白控制：

答：调控蛋白可分为两类：正调控蛋白或活化子（activator，又译激活物），负调控蛋白或抑制子（repressor，又译阻遏物）。这些调控蛋白通常都是DNA结合蛋白，它们识别受其控制的基因上的或基因附近的特异位点。活化子增强受控基因的转录，抑制子降低或消除相应基因的转录。

持家基因（Housekeeping gene）：参与西部生长和复制等必需的基本生命过程的基因称为持家基因，这些基因在细胞中组成性地表达（expressed constitutively）。

可诱导基因（Inducible gene）：只有受到诱导子或细胞因子的激活作用时才会表达的基因称为可诱导基因。

2. 很多启动子通过协助RNA聚合酶结合DNA的活化子和阻遏两者结合的抑制子进行调控： 答：当聚合酶结合了启动子时，它会自动地经由封闭复合体到开放复合体的转变从而启动转录。这导致基因的组成型表达（constitutive expression），或称为本底水平（basal level）表达。

抑制子要控制从某一启动子起始的表达，只需结合到与聚合酶结合区相重叠的位点上。抑制子就以阻碍聚合酶结合到启动子上从而阻止转录。DNA上抑制子结合的位点称为操作子（operator）。

活化子以其一个表面结合到启动子附近的某一DNA位点；同时，以另一表面与RNA聚合酶相互作用，将聚合酶带到启动子。这一机制常被称为募集（recruitment），这是一个蛋白质协同结合DNA（cooperative binding of proteins to DNA）的例子。 3. 某些活化子通过变构和调控RNA聚合酶对结合后的转录步骤起作用：

答：活化子与稳定的封闭复合体相互作用诱导发生构象改变引起封闭到开放复合体的转变。 4. 远程激活和DNA环化：

答：有些互作蛋白质的结合位点在DNA上相距较远。在这种情况下，为了使蛋白质相互作用，结合位点之间的DNA就会形成环，让蛋白质结合位点彼此靠近。

使距离很远的DNA位点靠近以便DNA链环化的方式之一是在这些位点之间的DNA序列上再结合其他蛋白质。

5. 协同结合和变构在基因调控中有很多作用：

答：有时RNA pol可与启动子很好地结合，但结合后不能自动转变为开放的起始复合物，照样不能转录或转录很低。

这时需要活化子与闭合复合物结合，诱导RNA pol或DNA promoter的构象变化，使闭合复合物转变为开放复合物。这就是活化子的变构调节（Allostery regulation）。

经常有成组的调控蛋白共同结合到DNA上，即两个或多个活化子和（或）抑制子间彼此互作并与DNA相互作用，彼此协助结合到所调控的基因附近。

（1）敏感地接受外界的变化，快速地启动基因的表达。 （2）整合信号（integrate signal）：有些基因的激活需要多种信号的存在。 6. 抗终止作用及其延续：基因调控并不局限于转录起始调控。 7. 操纵子的概念： 答：操纵子（operon）：原核生物基因表达和调控的单位。操纵子通常由3个部分组成：

（1）结构基因：编码与某一代谢过程相关的酶类，这些基因的表达受到协同控制。

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