8_氯腺苷诱导的组蛋白H3K79双甲基化促进NBS1和p21的基因转录激活

8_氯腺苷诱导的组蛋白H3K79双甲基化促进NBS1和p21的基因转录激活
8_氯腺苷诱导的组蛋白H3K79双甲基化促进NBS1和p21的基因转录激活

ISSN 1007 7626CN 11 3870 Q

中国生物化学与分子生物学报

Chinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology

2009年11月

25(11):1035~1040

收稿日期:2009 08 27;接受日期:2009 09 14

国家自然科学基金委项目(No.30471975,30671062)及北京市教委人才强教计划项目资助

*

联系人 Tel:010 ********;E mail:jiahongti@bj https://www.360docs.net/doc/ed3978033.html,

Received:Augus t 27,2009;Accepted:Septe mber 24,2009

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.30471975,No.30671062)and Education Co mmittee of Beijing Teac hing Reinforcing Plan.

*

Corresponding author Tel:010 ********;E mail:jiahongti@bj https://www.360docs.net/doc/ed3978033.html,

8 氯腺苷诱导的组蛋白H3K79双甲基化促进NBS1和p21的基因转录激活

刘 畅1), 李文娟1), 陈 瑜2), 丁 卫1), 安国顺3)

,

李淑艳3), 倪菊华3), 贾弘

1),3)*

(1)首都医科大学基础医学院生物化学与分子生物学系,北京 100069;

2)福建医科大学生物化学与分子生物学系,福州 350004;3)

北京大学医学部生物化学与分子生物学系,北京 100191)

摘要 组蛋白H3第79位赖氨酸甲基化(H3K79me)修饰有单甲基、双甲基及三甲基3种形式,是常染色质的标志.然而,对于组蛋白H3K79三种甲基化各自在基因转录、DNA 损伤修复中所起的作用尚不十分清楚.本研究以8 氯腺苷(8 Cl Ado )为DNA 双链断裂(DNA double stranded breaks,DSB)诱导剂,采用Western 印迹,在人肺癌细胞H1299检测出了DNA 修复分子NBS1、细胞周期检验点相关分子p21,并发现H3K79me1、H3K79me2和H3K79me3三种甲基化修饰的组蛋白明显增加;染色质免疫共沉淀结合实时定量PCR 实验显示,只有H3K79me2与DNA 损伤检验点分子p21、DNA 修复分子NBS1的启动子区域相结合,说明H3K79双甲基化修饰与这些基因的转录激活有关.结果提示,在8 氯腺苷引起DSB 时,是H3K79me2、而不是H3K79me1和H3K79me3参与NBS1和p21基因转录激活时的染色质重塑.8 氯腺苷诱导H3K79双甲基化增强、促进H3K79me2所在染色质区域的NB S1和p21基因转录激活可能是8 Cl Ado 抑制肿瘤细胞生长作用机制之一.关键词 8 氯腺苷;DNA 双链断裂;H3K79甲基化;NBS1;p21;表观遗传调控中图分类号 Q78;Q26

8 Chloro adenosine induced H3K79me2Promotes Transcriptional

Activation of NBS1and p21Genes in Response to DNA

Double stranded Breaks

LIU C hang 1),LI Wen Juan 1),C HEN Yu 2),DING Wei 1),AN Guo Shun 3)

,

LI Shu Yan 3),NI Ju Hua 3),JI A Hong Ti

1),3)*

(1)De partment o f Biochemist ry and Mole cular Biology ,Capital Me dical U ni versity ,Be ijing 100069,China ;2)

De partment o f Bioche mistry and Molec ular Biolo gy ,Fujian Me dical U nive rsity ,Fuzhou 350004,China ;

3)

De partme nt o f Bioc he mistry and Molec ular Biology ,Peking U nive rsity Health Science Cente r ,Be ijing 100191,China )

Abstract Methylation of H3K79,including mono,di and trimethyled H3K79(H3K79me1,H3K79me2and H3K79me3),is one of the landmark modifications associated with euchromatin.However,the roles of methylated H3K79in gene regulation,DNA damage and repair are unclear. In this study,we showed that the levels of NB S1(a DNA damage response protein),p21(a DNA dama ge checkpoint protein),and three methylated H3K79were markedly up regulated in 8 Cl Ado exposed H1299cells,evidenced by Western

blotting.The c ombination of chromatin immunoprecipita tion(ChIP)with real time quantitative PC R(RT qPC R)revealed that only H3K79me2was associated with the NB S1and p21promoters,indicating the contribution of H3K79me2,to transcriptional activa tion of these genes.These results suggest that H3K79me2, but not H3K79me1and H3K79me3,is involved in the chromatin remodeling associated with the transcription activation of the NBS1and p21genes.Induction of H3K79me2by8 Cl Ado in the chromatin surrounding the NBS1and p21genes may be a way by that8 Cl Ado inhibits tumor cell proliferation.

Key words 8 Cl Ado;DNA double stranded breaks;H3K79me;NBS1;p21;epigenetic control

几种组蛋白N端结构域的各种共价修饰(甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等)共同构成了 组蛋白密码(!histone code?)[1],在基因转录调控、DNA复制、DNA修复和染色体分离中发挥重要作用.过去一直认为,与其它化学修饰不同,甲基化和乙酰化修饰被认为是一类 持续或 不变的修饰;但近来认为,这类修饰是可逆的、动力学调节的[2].组蛋白甲基化多发生在组蛋白H3、H4的赖氨酸(K)和精氨酸(R)残基上[3].组蛋白H3中有5个赖氨酸(K4、K9、K27、K36、K79)残基,组蛋白H4中有1个赖氨酸残基(K20)可被特异的组蛋白赖氨酸甲基转移酶甲基化.不同位点的甲基化对基因转录激活的效应不同.一般认为,H3K9、H3K27、H4K20甲基化具有阻遏效应,H3K4、H3K36、H3K79甲基化具有激活效应[4].甲基化H3K79有H3K79me1、H3K79me2和H3K79me3三种形式.目前,H3K79me1研究较多,偶见H3K79me2、H3K79me3检测,至于H3K79me2 3的功能尚未见报告.在真核细胞中,组蛋白H3K79甲基化(H3K79me)可调节发育期的基因表达[5],并在常染色质(euchromatin)活化、重塑及相应转录区的基因激活中发挥作用[6].然而,近年也有研究显示其与基因阻遏相关.

此外,最近研究发现,H3K79me1和H3K79me2可与DNA修复蛋白53BP1的Tudor结构域结合,使53BP1定位在DNA损害部位而发挥修复作用[7]. DNA双链断裂(DNA double stranded breaks,DSB)发生可改变高度有序的染色质结构, 松弛局部高度压缩的核小体排列,从而使甲基化的H3K79暴露,变得有利于修复分子如NB S1,53B P1等的接近[7].在酵母中也存在着类似的机制来激活DNA损伤检验点[8,9].

8 氯腺苷(8 chloro adenosine,8 Cl Ado)[10~13]是一种腺苷衍生物,对多种肿瘤和肿瘤细胞系具有生长抑制的作用.我们以往的研究[14,15]证明,8 Cl Ado 可诱导细胞周期阻滞、有丝分裂灾难和凋亡,抑制肿瘤细胞生长;最近我们发现,8 Cl Ado可抑制#型拓扑异构酶(Topo#)活性,引起DNA双链断裂[16,17].DNA损伤激活ATM C HK1 CDC25C CDC2及BRC A1 C HK1信号,引起G2 M阻滞[17];同时,8 Cl Ado刺激了转录因子E2F1上调,后者激活p14ARF[18], p14ARF引起细胞晚期凋亡[19].此外,我们还发现其它一些DNA损伤反应性蛋白表达上调(未发表资料),这说明靶细胞启动了DNA损伤修复机制.无论是基因转录激活还是DNA损伤修复,必然涉及染色质重塑(chromatin remodeling).其中,组蛋白H3K79甲基化修饰具有重要意义[20,21].本研究以人肺癌H1299细胞系为对象,初步探讨了8 Cl Ado处理对组蛋白H3第79位赖氨酸甲基化状态的影响及其生物学意义.

1 材料与方法

1.1 细胞培养及药物处理

人肺癌细胞H1299购自ATCC(American type culture collection).细胞采用含10%小牛血清(Hyclone公司)的RPMI1640培养基(Gibco公司)加100I U ml青霉素、100 g ml链霉素,在CO2孵箱(37?)中孵育.8 Cl Ado由北京大学药学院天然药物及仿生药物国家重点实验室张礼和院士馈赠,用时用生理盐水溶解.8 Cl Ado终浓度10 mol L.细胞于接种后24h用8 Cl Ado处理.

1.2 抗体

抗组蛋白H3单甲基、三甲基化抗体及抗NB S1、p21抗体均购自美国Abcam公司;抗组蛋白H3双甲基化及抗 H2AX抗体购自美国Cell Signaling Technology公司;抗肌动蛋白多克隆抗体购自美国Santa Cruz生物技术公司.

1.3 蛋白质免疫印迹实验

H1299细胞经8 Cl Ado(10 mol L)分别处理0、12、24、48h后,用B CA蛋白定量试剂盒测定细胞上清裂解液中蛋白含量.取等量蛋白(50 g),经10% ~15%SDS PAGE分离后,用湿转法将分离胶上蛋白电转至硝酸纤维素膜上(恒流180m A,4?7h).用含5%脱脂奶粉的TBST(20m mol L Tris HCl,pH 7 6,135mmol L NaCl,011%Tween10%)封闭膜1

1036中国生物化学与分子生物学报25卷

h,用一抗(1%1000)4?孵育过夜后,含5%脱脂奶粉的TBST漂洗3次,每次10min;二抗室温孵育1h后,TB ST漂洗3次,每次10min.最后经ECL试剂显色成像.

1.4 染色质免疫共沉淀(chromatin immunopreci pitation,C hIP)

8 C L Ado以10 mol L浓度处理细胞48h;对照组以0 85%生理盐水处理.甲醛处理10min.收细胞加SDS裂解缓冲液(1%SDS、10mmol L EDTA、50 mmol L Tris HCl)(加入蛋白酶抑制剂cocktail)冰上10min.超声25s,4?,pulse on:5s,pulse off:5s,强度(ampl):20%,至样品清亮.13000r min,10 min,4?,收上清.加Chip稀释缓冲液(0 01%SDS、1 1%Triton X100、1 2mol L EDTA、16.7m mol L Tris HCl、16 7mmol L NaCl)稀释10倍(加蛋白酶抑制剂cocktail)各取1%作为阳性对照(input).加入鲑精DNA protein A agarose 50%slurry,4?,2h.12000 r min,3min,4?.分别取H3K79me1、H3K79me2、H3K79me3抗体1%100加入蛋白中,4?过夜.对照组加同等鲑精DNA protein A agarose 50%slurry.加鲑精DNA protein A agarose 50%slurry,4?,旋转8 h.弃上清.洗脱液洗脱弃上清.新鲜配制洗脱缓冲液250 l加入样品混匀,旋转室温15min,1000r min, 1min,收上清.加20 l,5mol L NaCl,65?,4h,解交联(包括阳性对照).提纯DNA:用Wiard Pcr preps DNA purification试剂盒(Promega公司).常规或实时定量PC R引物:p21:(sense)5& CACC ACTGAGCC TT CC TCAC 3&,(antisense)5& CTGACTCCC AGCACACAC TC 3&(449bp);NBS1:(sense)5& ATTGGC AAAGAT CTATGTAGAG 3&,(antisense)5& TGCCCTACCAGAT GGCAAAAT 3&(440bp).

2 结果

2.1 8 氯腺苷处理引起靶细胞DNA损伤???双链断裂

当细胞暴露于8 氯 腺苷(8 Cl Ado)时,组蛋白H2A的异构体H2AX第139位丝氨酸会发生磷酸化,即 H2AX. H2AX出现在DNA断裂点,提示DSBs的发生,用以招募细胞周期检验点分子和损伤修复因子.采用 H2AX特异性抗体进行的Western 印迹显示,8 Cl Ado处理的肺癌细胞H1299中的 H2AX蛋白水平随8 Cl Ado处理时间延长(6 48h)而增高.结果提示,8 Cl Ado可引起DNA损伤,发生

DSBs(Fig.1).

Fig.1 8 C l Ado up regulates the levels of H2AX

H1299cells were exposed to8 Cl Ado at the concentration of10

mol L for0,1,3,6,12,24,48hours,respectively.The levels of H2AX were detected by Western blotting. Actin was used as a loading control.Con,unexposed(0hour)

Fig.2 8 Cl Ado up regulates the levels of methylated

H3K79 H1299cells were exposed to8 Cl Ado at the concentration of10 mol L for0,12,24and48hours, respectively.The levels of H3K79me1,H3K79me2,

H3K79me3and total H3were detected by Western blotting with specific anti bodies. Acti n was used as a loading control

2.2 8 氯腺苷处理增强细胞组蛋白H3K79的单、双、三甲基化修饰

DNA发生损伤后即启动染色质重塑,以利于损伤修复过程的顺利进行,同时有利于修复分子及某些细胞周期检验点调控分子编码基因的转录激活.我们采用Western印迹检测了H3K79me1、H3K79me2、H3K79me3的表达水平.结果显示,与对照相比,在8 Cl Ado处理的H1299细胞中H3K79的3种甲基化形式在处理12h后即出现升高,且随时间延长(24~48h)而增加(Fig.2).3种甲基化H3K79在肿瘤细胞A549和HeLa中也呈明显升高趋势(资料未显示).结果提示,8 Cl Ado引起的DNA损伤启动了染色质重塑.

1037

第11期刘 畅等:8 氯腺苷诱导的组蛋白H3K79双甲基化促进NB S1和p21的基因转录激活

Fig.4 ChIP ana lyses of increased association of methylated H3K79with activated Nbs1and p21promoters H1299cells were unexposed (ctrl)or exposed to 8 Cl Ado (10 mol L)for 48hours.Chromatin was precipi tated with antibodies specific to H3K79me1,H3K79me2,H3K79me3,and H4K20me2.Regular PCR (A and C panels)and real time quantitative PCR (B and D)were performed using specific primers for p21(A,B)and NBS1(C,D)promoter sequences.In B and D,relative promoter binding in unexp osed cells was normalized to 1;n =3

2.3 8 氯腺苷上调D NA 损伤反应蛋白NBS1和细胞周期调控蛋白p21的表达

DNA 损伤后常引起DNA 损伤修复相关蛋白及细胞周期调控蛋白表达上调.为此,我们采用Western 印迹检测了DNA 损伤反应性蛋白NBS1以及一种细胞周期素依赖的蛋白激酶抑制物(inhibitor of cyclin dependent kinase,CKI)之一???p21的蛋白质表达及细胞核内水平.结果显示,总NBS1、p21的蛋白质表达水平、核内水平均随8 Cl Ado 处理时间的延长而增加(Fig.3).结果提示,8 Cl Ado 处理诱导了靶细胞中NBS1、p21基因的转录激活及二者的核转位.这与大多文献报告一致.

2.4 组蛋白H3K79双甲基化特异发生在NBS1和p21基因所在染色质区域

已有报告,组蛋白H3第79位赖氨酸甲基化是一种染色质活化分子

[22]

.但是,H3K79甲基化是否

与基因转录调控相关,3种甲基化形式哪种起主要

作用目前尚未见报告.为探索8 Cl Ado 诱导H3K79甲基化发生的生物学意义,分别采用抗H3K79me1、H3K79me2、H3K79me3、H4K20me2抗体进行染色质免疫共沉淀(ChIP)结合PC R 技术检测、鉴定了3种H3K79me 与DNA 损伤反应修复及细胞周期检验点调控分子NBS1、p21基因激活的关系.采用启动子序列特异引物经反转录PCR,在免疫沉淀中回收的

Fig.3 8 C l Ado up regulates the levels of NBS1and p21H1299cells were exposed to 8 Cl Ado at the concentration of 10mol L for 0,12,24,48hours,respectively.The nuclear protein and total protein levels of NBS1(A )and p21(B)were detected by Western blotting. A ctin was used as a loading control

DNA 中扩增NBS1、p21基因启动子特异序列.结果显示,只有H3K79me2,而非H3K79me1、H3K79me3或

H4K20me2发生在NBS1、p21基因所在的染色质区域内,即H3K79me2与相关基因的转录激活有关

1038中国生物化学与分子生物学报25卷

(Fig.4A、C).

为进一步定量地分析8 Cl Ado处理后H1299细胞中组蛋白H3第79位赖氨酸甲基化发生与NBS1、p21基因启动子激活的关系,采用实时定量PCR (real time quantitative PC R,RT qPC R)重复了ChIP实验.结果显示,与未处理细胞相比,在经8 Cl Ado处理的H1299细胞中,与H3K79me2所在染色质结合的2个基因启动子活性提高了约20~50倍(Fig.4B、D).结果进一步证明,H3K79me2与相关基因的转录激活有关.

3 讨论

我们曾经证明,8 Cl Ado可促进细胞凋亡、抑制细胞生长[14,15,19,23,24].最近发现,8 Cl Ado可在细胞内通过转化为8 Cl ATP,后者与ATP竞争、结合DNA 拓扑异构酶#(Topo#)而抑制Tpop#活性,从而引起DNA双链断裂[16,17].染色质重塑在基因转录、DNA复制和损伤修复中发挥重要作用.组蛋白甲基化可影响染色质高级结构,对基因转录、DNA修复具有重要影响.尽管有综述描述组蛋白H3K79甲基化通常处于常染色质活跃基因区[4],但关于H3K79me2与特异基因转录激活相关尚未见报告.本文证明,8 Cl Ado可引起肿瘤细胞DNA双链断裂损伤并诱导H3K79发生3种形式的甲基化修饰增强,使染色质发生重塑;H3K79双甲基化与DNA损伤修复分子NBS1和细胞周期检验点分子p21基因转录激活相关.这可能是H3K79双甲基化修饰在细胞周期检验点调节和DNA损伤修复功能调节的部分作用.

H3K79甲基化标志着染色质处于开放的常染色质状态[3].DOT1介导的H3K79甲基化可能阻止Sir2、Sir3蛋白与染色质结合,而解除Sir2 3导致的基因沉默[22,25].甲基化的H3K79抑制Sir2 3结合染色质,从而阻止了染色质凝缩,这又进一步促使DOT1催化邻近的H3K79发生甲基化;反之,足够量的Sir蛋白沉默复合物结合到未发生H3K79甲基化的染色质区域,将导致染色质发生凝缩,这会阻止DOT1催化该区域及其周围的组蛋白H3K79甲基化.这样一种动态平衡过程与建立、维持常染色质和异染色质两种状态密切相关.本研究用染色质免疫共沉淀技术证明H3K79me2主要发生在DNA损伤修复分子、细胞周期检验点分子NB S1、p21基因周围的染色质区域(Fig.4),与这些基因的转录激活相关.业已证明,p21可引起细胞周期停滞、促进细胞凋亡;NBS1参与细胞周期停滞和DNA损伤修复.这是8 Cl Ado抗肿瘤细胞生长的重要机制之一,此前未见报告.

DNA发生双链损伤时可激活下游信号分子,组蛋白H2AX的139位丝氨酸磷酸化( H2AX)是DSB s 发生后最早期事件之一[26].DNA损伤后的反应分子包括磷脂酰肌醇激酶(PI3K)家族的ATM、ATR、DNA PK,以及53B P1、MRN复合物(MRE11、Rad50、NBS1)、B RC A1和很多细胞周期检验点分子.这些分子共同构成复杂、多样的信号通路,介导细胞周期停滞,使细胞获得充分时间修复损伤,或者促进凋亡. DNA损伤后细胞周期检验点的一个主要事件是p53蛋白磷酸化而积聚,促进与细胞周期阻滞和凋亡相关的基因转录,介导G1 S期、G2 M期阻滞[27].在DNA损伤应答中,活化的p53可激活下游基因p21的转录.p21是一种CDK抑制分子,其编码基因可通过p53依赖和非依赖两种方式被激活.上调的p21可与许多Cyclin Cdk复合物结合,抑制细胞进程.我们最近曾经描述过8 Cl Ado上调p21,后者的表达可被C HK1抑制剂G 6976增强[17].这里,我们证明p21基因的转录激活与8 Cl Ado诱导的染色质组蛋白H3K79me2上调有关.因为H1299细胞是p53缺陷型,其具体转录激活机制尚待进一步研究.

在DNA损伤位点,Dot1催化组蛋白H3K79发生甲基化修饰,使染色质发生重塑.这里我们仅初步证明了H3K79me2与染色质重塑、部分基因激活有关.但是,我们尚未揭示8 Cl Ado上调的H3K79me2与DNA损伤修复有何直接联系;目前,我们也没有直接的实验证据解释H3K79me1、H3k79me3上调在DNA损伤修复、维持基因组稳定性中的作用.我们相信,进一步研究8 Cl Ado引起3种形式H3K79me 上调的生物学意义将有助于对8 Cl Ado抗肿瘤机制和肿瘤发生机制的认识和理解.

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1040中国生物化学与分子生物学报25卷

真核生物的基因转录及调控

8 真核生物的基因转录及调控 一选择题(单选或多选) 1锌指蛋白与锌的结合 ( ) (a)是共价的 (b)必须有DNA的存在 (c)通过保守的恍氨酸和组氨酸残基间协调进行 (d)位于蛋白质的妒螺旋区域 2锌指蛋白与DNA的结合( ) (a)位于DNA大沟 (b) 通过"锌指"的C端进行 (c)利用蛋白的α-螺旋区域 (d)每个"指"通过形成两个序列特异的DNA接触位点 (e)通过"指"中保守的氨基酸同DNA结合 3 甾醇类受体转录因子( ) (a)结合的激素都是相同的 (b) 与DNA的结合不具序列特异性 (c)与锌结合的保守序列不同于锌指蛋白" (d)通过第二"指"C端的氨基酸形成二聚体 (e)参与转录激活,与DNA和激素结合分别由不同的结构域完成 4糖皮质激素类的甾醇受体( ) (b)所结合的DNA回文序列都不相同 (c)结合的回文序列相同,但组成回文序列两段DNA间的序列不同 (d)RXR受体通过形成异源二聚体后与同向重复序列结合 (e)这类受体存在于细胞核中 5 同源异型域蛋白( ) (a)形成具有三个α-螺旋的结构 (b) 主要通过α-螺旋3和N端的臂与DNA接触 (c)与原核生物螺旋-转角-螺旋蛋白(如λ阻遏物)的结构很相似 (d)通常存在于细胞核中 (e)在果蝇早期发育调控中起重要作用 6 HLH蛋白( ) (a)在序列组成上与原核生物螺旋-转角-螺旋蛋白具有相关性 (b)向通过环区与DNA结合 (c)形成两个α-螺旋与DNA的大沟结合 (d)形成两性螺旋,其中疏水残基位于螺旋的一侧 (e)以上都不是 7 bHLH蛋白( ) (a)在环中含有保守的碱性氨基酸 (b) 不能形成同源二聚体 (c)非诱导表达 (d)通过它们碱性区与HLH相互作用

转录组

转录组:是一个细胞、组织或有机体在特定条件下表达的一组完整的基因 蛋白质组(Proteomics):指由一个基因组,或一个细胞、组织表达的所有蛋白质. 蛋白质组学的研究内容主要有两方面,一是结构蛋白质组学,二是功能蛋白质组学密码子:mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸,这3个核苷酸就称为密码子。 转录:是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同的RNA单链的过程。 1大肠杆菌乳糖操纵子包括三个结构基因:Z,Y,A以及一个操纵序列O,一个启动序列P及一个调节基因I等。转录时,RNA聚合酶首先与启动区结合,通过操纵向右转录。转录从启动区又开始,按Z-Y-A得方向进行,每次转录出来的一条mRNA上都带有这三个基因。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。 正调控机制:cAMP-CAP复合物与DNA结合改变了这一区段DNA次级结构,促进RNA聚合酶结合区的解链。这可能是cAMP-CAP 通过与RNA聚合酶结合,再与DNA结合,因而促进了RNA聚合酶与启动基因的结合,从而增强了转录。cAMP-CAP复合物的形成取决于细胞内cAMP的浓度,当以葡萄糖为能源时,由于其限制腺苷酸环化酶的活性,AMP不能转化为cAMP,细胞内cAMP的浓度降低,形不成cAMP-CAP复合物,因而乳糖结构基因不被转录。 负调控机制:具有活性的阻遏物只要结合在操纵基因上,就可阻挠RNA聚合酶的转录活动,这是由于P和O位点有一定的重叠序列,O被阻遏物占据后,RNA聚合酶便不能结合到P位点上。阻遏物有无活性又受乳糖这种小分子诱导物的影响。阻遏物与乳糖结合后,由于发生构想变化而失活,不再同操纵基因结合,于是RNA聚合酶便能结合于启动基因,启动基因的表达,使乳糖利用的结构基因转录出相应的mRNA,进而在翻译除蛋白质。在没有到合成这个调节系统中,阻遏蛋白是主要的作用因子,而诱导物可以影响阻遏蛋白的活性,只有阻遏物被诱导失活,结构基因才得以表达。 23. 蛋白质翻译后加工的主要内容包括哪些 a)对真核基因所编码的蛋白质而言,翻译后加工的内容包括: b)除去肽链合成的起始氨基酸或随后几个氨基酸残基; c)分泌蛋白或膜蛋白N-末端信号肽的切除; d)二硫键的形成及氨基酸的共价修饰,包括蛋白N-端氨基酸的豆蔻酰化、蛋白质的

DNA复制 转录与翻译重要知识汇总

DNA复制、转录与翻译重要知识汇总 ? 今天给同学们汇总的知识是有关生物遗传学中的难点,DNA的复制转录以及翻译,对这部分知识不明白记不住的同学们一定要自己把表里面的内容写一遍,加深记忆哦~ DNA分子的复制、转录、翻译

三者之间的关系 1.过程不同 (1)复制的过程:DNA解旋,以两条链为模板,按碱基互补配对原则,合成两条子链,子链与对应母链螺旋化。(马上点标题下“高中生物”关注可获得更多知识干货,每天更新哟!) (2)转录的过程:DNA解旋,以其一条链为模板,按碱基互补配对原则,形成mRNA单链,进入细胞质与核糖体结合。

(3)翻译的过程:以mRNA为模板,合成有一定氨基酸序列的蛋白质。 2.特点不同 (1)对细胞结构的生物而言,DNA复制发生于细胞分裂过程中,是边解旋边复制,半保留复制。 (2)转录和翻译则发生于细胞分裂、分化等过程。转录是边解旋边转录,DNA双链全保留。转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程,并不是一个DNA分子通过转录可生成一个RNA分子,实际上,转录是以基因的一条链为模板合成RNA的过程。一个DNA分子上有许多基因,能控制多种蛋白质的合成,所以一个DNA 分子通过转录可以合成多个RNA分子。 (3)一个mRNA分子上可相继结合多个核糖体,同时合成多条相同的肽链,顺次合成多肽链。从核糖体上脱离下来的只是多肽链,多肽链还要在相应的细胞器(内质网、高尔基体)内加工,最后才形成具有一定空间结构的有活性的蛋白质。 3.三者之间的关联要素 (1)DNA中含有T而无U,而RNA中含有U而无T,因此可通过放射性同位素标记T或U,研究DNA复制或转录过程。 (2)复制和转录发生在DNA存在的部位,如细胞核、叶绿体、线粒体、拟核、质粒等部位。同学们比较容易忽视在线粒体和叶绿体中也有少量的DNA存在。这些DNA分子上的基因可以控制部分蛋白质的合成,因此线粒体和叶绿体中也存在转录和翻译所需的酶、核糖体等条件,也会发生转录和翻译过程。 (3)转录出的RNA有3类,mRNA、tRNA和rRNA都是以DNA为模板通过转录合成的。但携带遗传信息的只有mRNA。 (4) DNA复制和转录都需要解旋酶,解旋酶的作用不是解开DNA分子的双链螺旋状态使之成为双链线性状态,而是断裂DNA分子中碱基对之间的氢键,使DNA双链解开成单链,以便作为模板进行复制或转录。 知识点汇总: 1、DNA的结构特点:由两条脱氧核苷酸链按方式盘旋而成的规则的结构。 由和连接,形成 两条链上的碱基通过键形成,即A—T (氢键有个),G—C (氢键有个)。 2、DNA复制 时期:。

生物基因组非蛋白质编码转录组学及研究进展_姜宁

生物基因组非蛋白质编码转录组学及研究进展 姜 宁1 陈启军 2 1.中国医学科学院 吉林大学人兽共患病联合研究中心人兽共患病研究教育部重点实验室,长春130062 2.中国医学科学院病原生物学研究所,北京100730 收稿日期:2009 9 13 修回日期:2009 12 1联系作者:陈启军,教授,cq@j jl https://www.360docs.net/doc/ed3978033.html, .cn 。 摘 要 RNA 转录组学和功能组学的研究是目前生命科学领域的重要研究方向。生命的中心法则(由DNA 转录RNA,再由后者翻译成行使各种功能的蛋白质)因调控RNA 分子的发现而进一步得到扩展。最近的大量研究发现,自基因组中非蛋白质编码区转录的RNA 分子具有重要的调控功能,即转录后的调控功能。在这些RNA 分子中,内源性小干扰RNA 分子、m icroRNA 及pi w i RNA 等的功能逐渐被揭示。本文对目前有关RNA 转录组学研究进展做一简要综述。 关键词:RNA 转录组 小RNA si R NA m i R NA pi R NA 中图分类号:Q7 文献标识码:A 文章编号:1009 2412(2009)06 0015 05 一、引 言 生物物种遗传物质的组成随着物种进化程度的 提高而逐渐趋于复杂。然而随着大规模基因组测序的完成,人们发现很多生物(包括小鼠和人)遗传物质组成的主要差异不是在蛋白质编码区而是在基因组中的非编码(non cod i ng )区。生物物种的种源进化程度越高,其基因组中非蛋白质编码序列的组成比例越高[1],如人类基因组中编码蛋白质的DNA 只占基因组的2%左右。长期以来,对基因组序列的研究多集中在对编码区的分析上(如基因的序列组成,编码蛋白质的表达、功能及调控规律等)。由于非编码区的序列多含有一些假基因(ps eudo genes)、转座 子(trans poson 或trans posab le ele m ents)及大量的内含子和重复序列,其潜在的功能一直为研究者们所忽视。多年来人们一直将基因组中非编码序列认为是生物进化过程中形成的垃圾成分(junk DNA )[2]。然而,随着大规模转录组学(transcripto m ics)研究的进行,发现基因组中绝大部分DNA 在细胞活动过程中都是被转录成RNA 的[3],如人类基因组DNA 有93%以上都被转录成RNA,小鼠基因组的转录部分也达到63%以上[3]。这些RNA 有的呈单链存在,有的以双链形式存在。对RNA 转录组的研究经历了小RNA 的发现、大规模RNA 转录组的测定到目前的RNA 调控功能的分析和确定等阶段[3 8] 。RNA 转录 组学和功能组学的研究是目前生命科学领域的重要 研究方向。 二、基因组中非编码区转录产生的 RNA 分子种类及功能 根据RNA 片段长度的不同,自基因组中转录的 RNA 分子包括短片段RNA (s hort RNA )和长片段RNA (l ong RNA )[1,7,9,10]。短片段RNA 分子主要包括反式剪切引导RNA (trans splicing leader RNA,S L RNA )、m i cro RNA (m i R NA )、内源性小干扰RNA (en dogenous s m all i nterferi ng RNA,si R NA )、p i w i 蛋白质 结合RNA (p i w i RNA, pi RNA )和一些编码寡肽的小 mRNA 分子[11]。内源性小RNA (endogenous s m all non cod i ng RNA, s n RNA)是一类从基因组中非蛋白 质编码区转录而来的小RNA 分子。目前对内源性s nRNA 的研究主要集中在对S L RNA 、si R NA 和m i R NA 等的发现及功能分析方面。这些小RNA 主要通过影响mRNA 的成熟过程及稳定性进而调节转录因子或其它功能蛋白质的表达和发挥转录后的基因调控功能(post transcri pt i ona l gene regulat i on ,PTGR )。long RNA 主要指mRNA 前体(hnRNA )、mRNA 和一些不编码任何蛋白质的长的单链或双链RNA 片段。

基因组学与蛋白质组学

《基因组学与蛋白质组学》课程教学大纲 学时: 40 学分:2.5 理论学时: 40 实验学时:0 面向专业:生物科学、生物技 术课程代码:B7700005先开课程:生物化学、分子生物 学课程性质:必修/选修执笔人:朱新 产审定人: 第一部分:理论教学部分 一、课程的性质、目的和任务 《基因组学与蛋白质组学》是随着生物化学、分子生物学、结构生物学、晶体学和计算机技术等的迅猛发展而诞生的,是融合了生物信息学、计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。是当今生命科学研究的热点与前沿领域。由于基因组学与蛋白质组学学科的边缘性,所以本课程在介绍基因组学与蛋白质组学基本基本技术和原理的同时,兼顾学科发展动向,讲授基因组与蛋白组学中的热点和最新进展,旨在使学生了解现代基因组学与蛋白质组学理论的新进展并为相关学科提供知识和技术。 二、课程的目的与教学要求 通过本课程的学习,使学生掌握基因组学与蛋白质组学的基本理论、基础知识、主要研究方法和技术以及生物信息学和现代生物技术在基因组学与蛋白质组学上的应用及典型研究实例,熟悉从事基因组学与蛋白质组学的重要方法和途

径。努力培养学生具有科学思维方式、启发学生科学思维能力和勇于探索,善于思考、分析问题的能力,激发学生的学习热情,并通过学习提高自学能力、独立思考能力以及科研实践能力,为将来从事蛋白质的研究奠定坚实的理论和实践基础。 三、教学内容与课时分配 第一篇基因组学

第一章绪论(1学时) 第一节基因组学的研究对象与任务; 第二节基因组学发展的历程; 第三节基因组学的分子基础; 第四节基因组学的应用前景。 本章重点: 1. 基因组学的概念及主要任务; 2. 基因组学的研究对象。 本章难点: 1.基因组学的应用及发展趋势; 2.基因组学与生物的遗传改良、人类健康及生物进化。建议教学方法:课堂讲授和讨论 思考题: 查阅有关资料,了解基因组学的应用发展。 第二章人类基因组计划(1学时) 第一节人类基因组计划的诞生; 第二节人类基因组研究的竞赛; 第三节人类基因组测序存在的缺口; 第四节人类基因组中的非编码成分; 第五节人类基因组的概观; 第六节人类基因组多样性计划。 本章重点: 1. 人类基因组的研究; 2. 人类基因组多样性。 本章难点: 人类基因组序列的诠释。 建议教学方法:课堂讲授和讨论 思考题:

基因的转录和翻译真题练习

基因的表达真题演练 J 1.(2012年课标全国卷,1,6分)同一物种的两类细胞各产生一种分泌蛋白,组成这两种蛋白质的各种氨基酸含量相同,但排列顺序不同。其原因是参与这两种蛋白质合成的() A. tRNA种类不同 B mRNA碱基序列不同 C. 核糖体成分不同 D. 同一密码子所决定的氨基酸不同 2. (2012年安徽理综卷,5,6分)图示细胞内某些重要物质的合成过程。该过程发生在() A. 真核细胞内,一个mRNA分子上结合多个核糖体同时合成多条肽链 B. 原核细胞内,转录促使mRNA在核糖体上移动以便合成肽链

C原核细胞内,转录还未结束便启动遗传信息的翻译 D.真核细胞内,转录的同时核糖体进入细胞核启动遗传信息的翻译 3. (2011年海南卷)野生型大肠杆菌能在基本培养基上生长,用射线照射野生型大肠杆菌得到 一突变株,该突变株在基本培养基上培养时必须添加氨基酸甲后才能生长。对这一实验结果的解释,不合理的是() A. 野生型大肠杆菌可以合成氨基酸甲 B野生型大肠杆菌代谢可能不需要氨基酸甲 C. 该突变株可能无法产生氨基酸甲合成所需的酶 D. 该突变株中合成氨基酸甲所需酶的功能可能丧失 4. (2011年海南卷)关于RNA的叙述,错误的是() A. 少数RNA具有生物催化作用 B真核细胞内mRNA和tRNA都是在细胞质中合成的 C. mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基称为密码子 D. 细胞中有多种tRNA,一种tRNA只能转运一种氨基酸 5. (2011年安徽理综卷)甲、乙图示真核细胞内两种物质的合成过程,下列叙述正确的是() A. 甲、乙所示过程通过半保留方式进行 B. 甲所示过程在细胞核内进行,乙在细胞质基质中进行 C. DNA分子解旋时,甲所示过程不需要解旋酶,乙需要解旋酶 D 一个细胞周期中,甲所示过程在每个起点只起始一次,乙可起始多次 ,合成的产物是双链核酸分子 甲 6.(2011年江苏卷)下列物质合成时,需要模板的是()

第十三章-基因表达的调控讲课教案

第十三章基因表达的调控 一、基因表达调控基本概念与原理: 1.基因表达的概念:基因表达(gene expression)就是指在一定调节因素的作用下,DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA,或由此引起特异性蛋白质合成的过程。 2.基因表达的时间性及空间性: ⑴时间特异性:基因表达的时间特异性(temporal specificity)是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生,以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。 ⑵空间特异性:基因表达的空间特异性(spatial specificity)是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段,同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同,从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。 3.基因表达的方式: ⑴组成性表达:组成性基因表达(constitutive gene expression)是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的,且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。 ⑵诱导和阻遏表达:诱导表达(induction)是指在特定环境因素刺激下,基因被激活,从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达(repression)是指在特定环境因素刺激下,基因被抑制,从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。 4.基因表达的生物学意义:①适应环境、维持生长和增殖。②维持个体发育与分化。 5.基因表达调控的基本原理: ⑴基因表达的多级调控:基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段,因此基因表达的调控可分为转录水平(基因激活及转录起始),转录后水平(加工及转运),翻译水平及翻译后水平,但以转录水平的基因表达调控最重要。 ⑵基因转录激活调节基本要素:①顺式作用元件:顺式作用元件(cis-acting element)又称分子内作用元件,指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。②反式作用因子:反式作用因子(trans-acting factor)又称为分子间作用因子,指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用,才能够达到对特定基因进行调控的目的。③顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用:大多数调节蛋白在与DNA结合之前,需先通过蛋白质-蛋白质相互作用,形成二聚体或多聚体,然后再通过识别特定的顺式作用元件,而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。 二、操纵子的结构与功能: 在原核生物中,若干结构基因可串联在一起,其表达受到同一调控系统的调控,这种基因的组

真核生物基因表达调控

真核生物基因表达的调控远比原核生物复杂,可以发生在DNA水平、转录水平、转录后的修饰、翻译水平和翻译后的修饰等多种不同层次。但是,最经济、最主要的调控环节仍然是在转录水平上。 DNA水平的调控 DNA水平上的调控主要指通过染色体DNA的断裂,删除,扩增,重排,修饰(如甲基化与去甲基化,乙酰化与去乙酰化等)和染色质结构变化等改变基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达。 转录水平的调控 转录水平的调控包括染色质的活化和基因的活化。通过染色质改型,组蛋白乙酰化,染色质变得疏松化及DNA去甲基化以便被酶和调节蛋白作用,基因的表达受顺式作用元件包括启动子及应答元件,转座元件,增强子,抑制子的调控,同时受反式作用因子包括基本转录因子,上游转录因子和转录调节因子等的调控。 转录后调控 转录后调控包括hnRNA的选择性加工运输和RNA编辑 在真核生物中,蛋白质基因的转录产物统称为hn RNA,必须经过加工才能成为成熟的mRNA分子。加工过程包括三个方面:加帽、加尾和去掉内含子。同一初级转录产物在不同细胞中可以用不同方式剪接加工,形成不同的成熟mRNA分子,使翻译成的蛋白质都可能不同。转录后的RNA在编码区发生碱基插入,缺失或转换的现象。

翻译水平的调控 阻遏蛋白与mRNA结合,可以阻止蛋白质的翻译并使成熟的mRNA变为失活状态贮存起来。一些调控作用的micRNAh和siRNA 还可以与mRNA作用降解mRNA,阻止其翻译 此外,还可以控制mRNA的稳定性和有选择的进行翻译。 翻译后调控 直接来自核糖体的线状多肽链是没有功能的,必须经过加工才具有活性。在蛋白质翻译后的加工过程中,还有一系列的调控机制。 1.蛋白质折叠 线性多肽链必须折叠成一定的空间结构,才具有生物学功能。在细胞中,蛋白质的折叠必须有分子伴侣的作用下才能完成折叠。 2.蛋白酶切割 末端切割 有些膜蛋白、分泌蛋白,在氨基端具有一段疏水性强的氨基酸序列,称为信号肽,用于前体蛋白质在细胞中的定位。信号肽必须切除多肽链才具有功能。 多聚蛋白质的切割 有些新合成的多肽链含有几个蛋白质分子的序列,切割以后产生具有不同功能的蛋白质分子。

浅析功能基因组学和蛋白质组学的概念及应用

【摘要】基因组相对较稳定,而且各种细胞或生物体的基因组结构有许多基本相似的特征;蛋白质组是动态的,随内外界刺激而变化。对蛋白质组的研究可以使我们更容易接近对生命过程的认识。蛋白质组学是在细胞的整体蛋白质水平上进行研究、从蛋白质整体活动的角度来认识生命活动规律的一门新学科,简要介绍功能基因组学和蛋白质组学的科学背景、概念及其应用。 【关键词】基因组;功能基因组学;蛋白质组学; 一、基因组及基因组学的概念 基因组(genome)一词系由德国汉堡大学H.威克勒教授于1920年首创,用以表示真核生物从其亲代所继承的单套染色体,或称染色体组。更准确地说,基因组是指生物的整套染色体所含有的全部DNA序列。由于在真核细胞的线粒体和植物的叶绿体中也发现存在遗传物质,因此又将线粒体或叶绿体所携带的遗传物质称为线粒体基因组或叶绿体基因组。原核生物基因组则包括细胞内的染色体和质粒DNA。此外非独立生命形态的病毒颗粒也携带遗传物质,称为病毒基因组。所有生命都具有指令其生长与发育,维持其结构与功能所必需的遗传信息,本书中将生物所具有的携带遗传信息的遗传物质总和称为基因组。[1] 基因组学(genomic)一词系由T.罗德里克(T.Roderick)于1986年首创,用于概括涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学学科分支,并已用来命名一个学术刊物Genomics。基因组学是伴随人类基因组计划的实施而形成的一个全新的生命科学领域。[1] 基因组学与传统遗传学其他学科的差别在于,基因组学是在全基因组范围研究基因的结构、组成、功能及其进化,因而涉及大范围高通量收集和分析有关基因组DNA的序列组成,染色体分子水平的结构特征,全基因组的基因数目、功能和分类,基因组水平的基因表达与调控以及不同物种之间基因组的进化关系。基因组学的研究方法、技术和路线有许多不同于传统遗传学的特点,各相关领域的研究仍处于迅速发展和不断完善的过程中。 基因组学的主要工具和方法包括:生物信息学,遗传分析,基因表达测量和基因功能鉴定。 二、功能基因组学的概念及应用

四、 原核生物种的转录后调控

四、原核生物种的转录后调控 1.稀有密码子对翻译的影响 已知dnaG和rpoD(编码RNA聚合酶亚基)及rpsU(30S核糖体上的S21б蛋白)属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子,而这3个基因产物在数量上却大不相同,每个细胞内仅有dnaG产物50拷贝,而rpoD为2800拷贝,rpsU则高达40 000拷贝之多。细胞通过翻译调控,解决了这个问题。 研究dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子,也就是说这些密码子在其他基因中利用频率很低,而在dnaG中却很高。 许多调控蛋白如LacI、AraC、TrpR等在细胞内含量也很低,编码这些蛋白的基因中密码子的使用频率和dnaG相似,而明显不同于非调节蛋白。高频率使用这些密码子的基因翻译过程极容易受阻,影响了蛋白质合成的总量。 2. 重叠基因对翻译的影响 重叠基因最早在大肠杆菌噬菌体ΦX174中发现,用不同的阅读方式得到不同的蛋白质,丝状RNA噬菌体、线粒体DNA和细菌染色体上都有重叠基因存在。 Trp操纵子由5个基因(trpE、D、C、B、A)组成,在正常情况下,操纵子中5个基因产物是等量的,但trpE突变后,其邻近的trpD产量比下游的trpBA产量要低得多。这种与ρ蛋白无关的表达调控,已被证实是在翻译水平上的调控。研究trpE和trpD以及trpB和trpA两对基因中核苷酸序列与翻译耦联的关系,发现trpE基因的终止密码子和trpD基因的起始密码子共用一个核苷酸。

由于trpE的终止密码子与trpD的起始密码重叠,trpE翻译终止时核糖体立即处在起始环境中,这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。 3. RNA高级结构对翻译的影响 以RNA噬菌体f2的RNA作为模板,在大肠杆菌无细胞系统中进行蛋白质合成时,大部分合成外壳蛋白,RNA聚合酶只占外壳蛋白的1/3。用同位素标记分析RNA噬菌体几种蛋白质的起译过程,发现外壳蛋白起译频率比合成酶至少要高3倍。 研究发现f2外壳蛋白基因的琥珀突变也影响了RNA聚合酶合成的起始。但若该突变不是发生在外壳蛋白接近翻译起始区,而是较靠后的位点,对RNA聚合酶的起译就没有影响。现在一般认为,聚合酶的翻译起始区被RNA的高级结构所掩盖,外壳蛋白的起始翻译破坏了RNA的立体构象,使核糖体有可能与翻译起始区结合,导致聚合酶的起译。用甲醛处理RNA可以增加聚合酶的产量,这说明RNA 的高级结构对基因表达调控的可能性。 4. 魔斑核苷酸水平对翻译的影响 科学上,把培养基中营养缺乏,蛋白质合成停止后,RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制(rel+);反之则称为松散控制(rel-)。研究发现,在氨基

基于基因组学与转录组学的胡桃科植物系统进化及群体遗传学研究

基于基因组学与转录组学的胡桃科植物系统进化及群体遗传学 研究 胡桃科(Juglandaceae)隶属于壳斗目(Fagales),是世界重要的经济树种,具有重要的材用、食用、药用、生态和艺术价值。本研究以胡桃科植物为研究对象,采用高通量测序技术结合生物信息学、进化生物学及群体遗传学等方法,对胡桃科物种进行如下分析:首先,利用群体基因组学数据对该科中最重要的经济树种胡桃属(Juglans)植物进行研究,从多角度揭示胡桃属系统发育关系、物种形成机制以及该属物种复杂的群体动态历史。 其次,本研究利用叶绿体基因组数据阐明胡桃科的系统发育关系、揭示其进化起源中心以及多样化历史,结合化石证据进一步确定胡桃科的在时间尺度上的进化历程。主要结果如下:(1)中国胡桃属植物包括以下5个物种:核桃、铁核桃、野核桃、麻核桃和核桃楸。 首先,基于IlluminaMiseq测序平台首次对胡桃科中核桃的叶绿体DNA进行高通量测序。利用生物信息学方法获得了完整的核桃叶绿体参考基因组序列(160,367 bp)。 对参考基因组序列进行注释,发现其共有137个基因,包括86个蛋白编码基因,3个假基因(2个ycf15和1个infA),40个tRNA基因,8个rRNA基因。其次,由于缺乏丰富的分子标记,中国胡桃属植物5个物种间系统发育关系仍然没有彻底被解决。 本研究利用高通量测序平台Illumina Hiseq对中国5个胡桃属的叶绿体DNA 进行测序,通过上述部分构建的参考叶绿体基因组,进行5个胡桃属叶绿体基因组比较研究。基于比较结果,共鉴定了胡桃属植物叶绿体序列中大量的SNPs和

Indels变异位点,以及简单重复序列和大片段重复序列。 同时,利用叶绿体基因组、蛋白编码基因和非编码区序列三组数据对5个胡桃属进行系统发育分析,结果与形态学的分组高度一致,分为核桃组和核桃楸组。本研究中开展的胡桃属植物叶绿体基因组测序分析将为进一步研究胡桃属的种间杂交、系统进化和群体历史提供可用的遗传资源。 (2)胡桃属植物比较转录组学以及跨物种EST-SSRs分子标记开发可以为后续研究该属物种群体适应性分化研究提供有效的基因组资源。利用Illumina Hiseq测序平台分别对中国5个胡桃属植物,即核桃、野核桃、核桃楸、麻核桃和铁核桃的不同组织(叶片、幼果、雌花、雄花)RNA等量混合后进行转录组测序。 本研究共产生16,811,432-49,929,297 个高质量的 reads,通过 de novo 组装得到 83,112-103,167 个unigenes序列,鉴定出9,216-9,389个核心单拷贝直系同源基因。同时,随机选择96对EST-SSRs分子标记在5个胡桃属物种中进行通用性和多态性检测。 此外,基于467个单拷贝直系同源基因对7个胡桃属植物(核桃、铁核桃、野核桃、核桃楸、麻核桃、美国白核桃和黑核桃)和3个外类群(山核桃、板栗和夏栎)进行系统发育分析,结果表明基因树和物种树系统发育关系一致。基于胡桃属的叶绿体基因组和单拷贝直系同源基因序列分别构建系统发育树的结果表明,美国白核桃和中国特有种麻核桃的系统位置存在分歧,近缘种种间杂交和叶绿体捕获可能是导致胡桃属物种核基因组与叶绿体基因组系统发育关系分歧的原因。 (3)由于胡桃属植物的天然分布是典型的北半球间断分布,而成为东亚-北美生物地理分布模式的研究热点。有限的分子标记不能很好的解决胡桃属的系统发育关系和生物地理分布模式。

蛋白质组与转录组比较关联分析方案

蛋白质组与转录组比较关联分析方案一.概述 1.研究背景 生命体是一个多层次,多功能的复杂结构体系,高通量技术的发展积累了大量的组学数据,这使得由精细的分解研究转向系统的整体研究成为可能,整合多组学数据能够实现对生物系统的全面了解。当部分层面上的研究都逐渐走向完善的时候,从部分到整体就是一种必然发展趋势。 相关研究表明,基因表达不仅仅是从转录组到蛋白质组的单向流动,而是两者的相互连接。对这种功能调控的了解通常只限于特殊的信号途径,要了解转录组和蛋白质组之间的相互调控作用,就需要对RNA和蛋白质的表达进行同步监测。 正如RNA可作为部分生物学功能的酶反应的效益物一样,蛋白质也是大多数生物学功能的效益物。因此,蛋白质水平广泛的基因组分析是基因表达更直接的反映。质谱技术的发展,使得定量的蛋白组学研究成为可能。然而,当细胞适应了转录水平、转录后(如mRNA的剪接)、翻译后(蛋白降解和输出)的精细调控机制后,转录物和蛋白质丰度测量结果可能会不一致。因此,定量的转录物和蛋白质丰度测量可作为相互的标准,为高通量分析得出的基因表达数据做出合理的解释。正如蛋白质和RNA之间类似点可以增加我们对新的生物标记的信任度一样,差异也能暗示我们“其他的转录后调控结合点可作为重要的调控研究靶点”。 在蛋白组学分析过程中,一些研究选择了双向凝胶电泳(2一DE)分析蛋白质混合物。要么是对不同的凝胶染色,要么是让不同的细胞与不同的染料相结合,通过斑点染色亮度可以看到蛋白质的亮度。随后用质谱仪对分离出的定量凝较斑点进行鉴定,与转录组学分析不同的是,双向凝胶电泳分析的鉴定结果与定量分析是散耦合(de一coupled)。 液相色谱法(LC)是作为一种替代2一DE的蛋白质分析方法而出现的。LC一MS分析是典型的“自下而上(Bottom一up)”分析方法,通常要用特异的蛋白酶(如胰蛋白酶)将蛋白质消化为肽段。与2一DE不同,LC一MS对肽的定量和鉴定是同时进行的,可以选择定量的MS峰(m/z)用于鉴定,通过肽段的信息推测对应蛋白质的定量信息。 虽然采用的技术不同,迄今为止公开发表的整合分析文章中,都指出了转录组学和蛋白组学的重要性。转录组学或蛋白组学通常只考虑调节系统和分解作用平衡态的净效应,实际上,出现的不一致性只是合成与降解两种替换过程中的一种反映。科学家可能对变化过程中的机制更感兴趣。 正如中心法则预测的那样,在转录物和蛋白质水平,如果只能通过严格的转录调控去控制蛋白质的合成,细胞是不太可能选择精细调节机制的。当点对点进行比较时,蛋白质和转录物之间的一致性通常很弱,这些观察说明了“从个体基

转录的调节控制

(四)转录的调节控制 转录的调节是基因表达调节的重要环节,包括时序调节和适应调解。遗传信息的表达可按一定时间程序发生变化,而且随着细胞内外环境条件的改变而加以调整。 原核生物的操纵子:它既是表达单位,也是协同调节的单位。 操纵子是细菌基因表达和调控的单位,它包括结构基因、调节基因和由调节基因产物所识别的控制序列。 操纵子模型,见P561。 由于经济原则,细菌通常并不合成那些在代谢上无用的酶,因此一些分解代谢的酶类只在有关的底物或底物类似物存在时才被诱导合成。如E. coli利用外界乳糖时会需要三种有关的酶,一般情况下极少产生,只有当乳糖存在时,按乳糖操纵子模型这三种利用乳糖所必需的酶才大量产生。 一些合成代谢的酶类在产物或产物类似物足够量存在时,其合成则被阻遏。 P562 图39-21 说明酶诱导和阻遏的操纵子模型。 酶的诱导和阻遏是在调节基因产物—阻遏蛋白的作用下,通过操纵基因控制结构基因或基因组的转录而发生的。 A.酶的诱导:阻遏蛋白结合在操纵基因上,结构基因不表达;但当诱导物与阻遏蛋 白结合使阻遏蛋白不能结合在操纵基因上,结构基因可以表达。 B.酶的阻遏:阻遏蛋白不能与操纵基因结合,结构基因可表达;当代谢产物与阻遏 蛋白结合使阻遏蛋白能够结合在操纵基因上,结构基因不表达。 P563 图39-22 为E. coli中乳糖操纵子模型。 调节有正调节和负调节,原核生物以负调节为主。 阻遏蛋白的作用属于负调节,阻遏蛋白称为负调节因子。 正调节:调节蛋白(激活子)与DNA结合时,使转录发生。 真核生物的调节更为复杂,基因不组成操纵子,以正调节为主,并可在染色质结构水平上进行调节。 (五) RNA生物合成抑制剂 (1)碱基类似物:可作为核苷酸代谢拮抗物而抑制核酸前体的合成,直接抑制核苷酸生物合成有关的酶,或通过掺入到核酸分子中形成异常的DNA或RNA影响核 酸的功能并导致突变: 如6-巯基嘌呤,6-巯基鸟嘌呤,5-氟尿嘧啶等,结构式见P469。 (2)DNA模板功能抑制物:通过与DNA结合,使DNA失去模板功能从而抑制其复制和转录: 如临床上应用的氮芥类似物。(结构见P470)。 环磷酰胺:体外无活性,进入肿瘤细胞后受磷酰胺酶作用水解成活性氮芥,可治疗多种癌症。 苯丁酸氮芥:因含有酸性基团不易进入正常细胞,而癌细胞酵解作用旺盛,大量积累乳酸,pH较低,故容易进入癌细胞。 10-2 RNA的转录后加工 细胞中由RNA聚合酶合成的原初转录物往往需经过一系列变化,包括链的裂解,5‘端与3‘端的切除和特殊结构的形成,核苷的修饰和糖苷键的改变以及拼接和编辑,才能转变为成熟的RNA分子,此过程为转录后加工或称RNA的成熟。 (一)原核生物中RNA的加工 mRNA一般不进行转录后加工,一经转录通常立即进行翻译。

基因的转录、转录后调控

基因的转录、转录后 加工及逆转录 转录 (transcription)是以DNA单链为模板,NTP为原料,在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。与DNA的复制相比,有很多相同或相似之处,亦有其特点,它们之间的异同可简要示于表13-1 转录的模板是单链DNA,与复制的模板有较多的不同特点,引出了下列相关概念。转录过程只以基因组DNA中编码RNA(mRNA、tRNA、rRNA及小RNA)的区段为模板。把DNA分子中能转录出RNA的区段,称为结构基因(structure gene)。结构基因的双链中,仅有一股链作为模板转录成RNA,称为模板链(template strand),也称作Watson(W)链(Watson strand)、负(-)链(minus strand)或反意义链(antisense strand)。与模板链相对应的互补链,其编码区的碱基序列与mRNA的密码序列相同(仅T、U互换),称为编码链(coding strand),也称作Crick(C)链(Crick strand)、正(+)链(plus strand),或有意义链(sense strand)。不同基因的模板链与编码链,在DNA分子上并不是固定在某一股链,这种现象称为不对称转录(asymmetric transcription)。模板链在相同双链的不同单股时,由于转录方向都从5’→3’,表观上转录方向相反,如图13-1。 与DNA复制类似,转录过程在原核生物和真核生物中所需的酶和相关因子有所不同,转录过程及转录后的加工修饰亦有差异。下面的讨论中将分别叙述。 参与转录的酶 转录酶(transcriptase)是依赖DNA的RNA聚合酶(DNA dependent RNA polymerase,DDRP),亦称为DNA指导的RNA聚合酶(DNA directed RNA polymerase),简称为RNA聚合酶(RNA pol)。它以DNA为模板催化RNA的合成。 原核生物和真核生物的转录酶,均能在模板链的转录起始部位,催化2个游离的

(完整版)基因的转录与翻译真题练习

基因的表达真题演练遗传信息的转录和翻译 命 题 剖 析 考 向 扫 描 1 以示意图等形式考查DNA的结构、特点、转录过程及与DNA分子复制的区别, 考查学生对DNA分子复制与转录过程的理解能力及对二者区别的分析能力。 选择题是常见题型 2 以选择题或非选择题等形式考查转录、翻译过程及其调控机制,考查学生的 识图能力及理解、推理分析等综合思维能力 3 以选择题的形式考查中心法则相关内容及基因对性状的控制,考查学生获取 信息、分析问题的能力 命 题 动 向 遗传信息的转录和翻译部分是高考的重点,内容侧重转录与翻译的具体过程、条 件、特点及碱基数目的计算等,题型多样化,选择题、非选择题均有。对中心法 则和基因与性状的关系的考查以选择题为主,可能会结合具体实例分析基因控 制性状的模式或遗传信息传递的过程 1.(2012年课标全国卷,1,6分)同一物种的两类细胞各产生一种分泌蛋白,组成这两种蛋白质的各种氨基酸含量相同,但排列顺序不同。其原因是参与这两种蛋白质合成的( ) A.tRNA种类不同 B mRNA碱基序列不同 C.核糖体成分不同 D.同一密码子所决定的氨基酸不同 2.(2012年安徽理综卷,5,6分)图示细胞内某些重要物质的合成过程。该过程发生在( ) A.真核细胞内,一个mRNA分子上结合多个核糖体同时合成多条肽链 B.原核细胞内,转录促使mRNA在核糖体上移动以便合成肽链 C 原核细胞内,转录还未结束便启动遗传信息的翻译 D.真核细胞内,转录的同时核糖体进入细胞核启动遗传信息的翻译 3.(2011年海南卷)野生型大肠杆菌能在基本培养基上生长,用射线照射野生型大肠杆菌得到一突变株,该突变株在基本培养基上培养时必须添加氨基酸甲后才能生长。对这一实验结果的解释,不合理的是( ) A.野生型大肠杆菌可以合成氨基酸甲 B 野生型大肠杆菌代谢可能不需要氨基酸甲 C.该突变株可能无法产生氨基酸甲合成所需的酶 D.该突变株中合成氨基酸甲所需酶的功能可能丧失 4.(2011年海南卷)关于RNA的叙述,错误的是( ) A.少数RNA具有生物催化作用 B 真核细胞内mRNA和tRNA都是在细胞质中合成的 C.mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻碱基称为密码子 D.细胞中有多种tRNA,一种tRNA只能转运一种氨基酸 5.(2011年安徽理综卷)甲、乙图示真核细胞内两种物质的合成过程,下列叙述正确的是( )

转录调控

分子机制研究套路(五) 转录调控 课题:转录因子A对B基因的转录调控 1.概念介绍: 转录水平的调控是真核生物基因表达调控中重要环节。真核细胞RNA 聚合酶自身对启动子并无特殊亲和力,单独不能进行转录,也就是说基因是无活性的。因此,转录需要众多的转录因子和辅助转录因子形成复杂的转录装置。在基因转录起始阶段,通用转录因子协助RNA 聚合酶与启动子结合,但其作用很弱,不能高效率地启动转录。只有在反式作用因子(基因特异性转录因子)的协助下,RNA 聚合酶Ⅱ和TFⅡ才能有效地形成转录起始复合物。反式作用因子(trans acting factor)在转录调节中具有特殊的重要性。它是能直接或间接地识别或结合在顺式作用元件8~12bp 核心序列上,参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。这类DNA 结合蛋白有多种,能特异性识别这类蛋白的序列也有多种,正是不同的DNA 结合蛋白与不同的识别序列之间的空间结构上的相互作用,以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用构成了复杂的基因转录调控机制的基础。 在真核生物中转录因子的调控是最重要,也是研究得最多的。蛋白质相互作用在转录因子活性的调控方面具有重要的意义。细胞内的反式作用因子都是处于有活性和无活性两种状态,这两种状态是可以转换的。反式作用因子处于无活性状态时,与之相应的基因就不能表达;反式作用因子处于有活性状态、并与相应的顺式作用元件结合时,就可以促进RNA 聚合酶和通用转录因子与相应的启动子结合,形成转录起始复合物。所以,真核基因的表达调控主要是调节反式作用因子的活性,随后反式作用因子调控基因的转录起始。 转录因子被激活后,即可识别并结合上游启动子元件和增强子,对基因转录发挥调控作用。大部分转录因子在激活以后与顺式作用元件结合,但也可能有一些转录因子是先结合DNA,

原核生物和真核生物基因表达调控复制、转录、翻译特点的比较

1.相同点:转录起始是基因表达调控的关键环节 ①结构基因均有调控序列; ②表达过程都具有复杂性,表现为多环节; ③表达的时空性,表现为不同发育阶段和不同组织器官上的表达的复杂性; 2.不同点: ①原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平。真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次。 ②原核基因表达调控主要为负调控,真核主要为正调控。 ③原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性,真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子,依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活。 ④原核基因表达调控主要采用操纵子模型,转录出多顺反子RNA,实现协调调节;真核基因转录产物为单顺反子RNA,功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。 ⑤真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平,其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白、负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。 真核生物基因表达的调控环节较多: 在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改变影响基因表达。 在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。 在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。 在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性调节及小分子RNA。 真核基因调控中最重要的环节是基因转录,真核生物基因表达需要转录因子、启动子、沉默子和增强子。 真核生物和原核生物复制的不同点: ①真核生物DNA的合成只是在细胞周期的S期进行,而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成 ②原核生物DNA的复制是单起点的,而真核生物染色体的复制则为多起点的。真核生物中前导链的合成并不像原核生物那样是连续的,而是以半连续的方式,由一个复制起点控制一个复制子的合成,最后由连接酶将其连接成一条完整的新链。 ③真核生物DNA的合成所需的RNA引物及后随链上合成的冈崎片段的长度比原核生物要短。

真核基因转录水平的调控1-3

真核基因转录水平的调控 一、真核生物的RNA聚合酶 有三种RNA聚合酶:RNA聚合酶Ⅰ;RNA聚合酶Ⅱ;RNA聚合酶Ⅲ。 二、真核基因顺式作用元件 (一)、顺式作用元件概念 指DNA上对基因表达在调节活性的某些特定的调控序列,其活性仅影响其自身处于同一DNA分子上的基因。 (二)、种类 启动子、增强子、静止子 1、启动子的结构和功能 启动子与原核启动子的含义相同,是指RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列。 但真核同启动子间不像原核那样有明显共同一致的序列。而且单靠RNA聚合酶难以结合DNA而起动转录,而是需要多种蛋白质因子的相互协调作用。 RNA聚合酶Ⅱ启动子结构 1)TATA框(TATA frame):其一致顺序为TATAA(T)AA(T)。TATA框中心在-30附近,相当于原核的-10序列(pribnow box)。 对大多数真核生物来说,RNA聚合酶与TATA框牢固结合之后才能开始转录。TATA框的左右富含G┇C 序列,这就有利于该框与RNA聚合酶形成开放性启动子复合物。 2)CAAT框(CAAT frame):位置在-75附近,一致序列为GG C(T)CAATCT。CAAT框可能控制着转录起始的频率。 (3)GC框 在-90bp左右的GGGCGG序列称为GC框。 一个在-30—+15即核心启动子(core promoter element),另一为上游启动子区(upstream promoter element)在-150—-50,不同物种的启动子因子有显著差异,启动子区没有和mRNA的TATA和CAAT盒顺序,故物种间大前体-rRNA基因的转录起始是不同的。基因间间隔含一个或几个终止信号可终止其之前的基因的转录而其本身不转录,间隔区含多种反向顺序可作为增强子结合转录因子

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