遺傳密碼和遺傳信息的翻譯系統(tǒng)

1、第十四章 遺傳密碼和遺傳信息的翻譯系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 遺傳密碼的破譯遺傳密碼的破譯 一一. 遺傳密碼的試拼遺傳密碼的試拼1954年G.Gamov對破譯密碼首先提出了設(shè)想 若一種堿基對應(yīng)與一種氨基酸，那么只可能產(chǎn)生4種氨基酸; 若2 個(gè)堿基編碼一種氨基酸的話，4種堿基共有42=16種不同的排列組合; 3個(gè)堿基編碼一種氨基酸，經(jīng)排列組合可產(chǎn)生43=64種不同形式 若是四聯(lián)密碼，就會(huì)產(chǎn)生44=256種排列組合。三聯(lián)密碼的證實(shí)。三聯(lián)密碼的證實(shí)。 1961年Crick和Brenner.S等證實(shí)了三聯(lián)密碼的真實(shí)性。 他們用T4染色體上的一個(gè)基因（r位點(diǎn)）通過用原黃素（proflavin）處理，可以使DNA

2、脫落或插入單個(gè)堿基，插入叫“ 加字加字”突變突變，脫落叫“ 減字減字”突變突變.無論加字和減字都可以引起移碼突變。 Crick小組用這種方法獲得一系列的T4“加字”和“減字”突變，再進(jìn)行雜交來獲得加入或減少一個(gè)，二個(gè)，三個(gè)的不同堿基數(shù)的系列突變。 插入 ATCTAGTCT TAGATCAGAATC TGTCTTAGACAGA A CTGTCT 缺失 T GACAGA 圖 141 “加字”和“減字”突變 它們只能在B菌株上生長形成噬菌斑 開始用原黃素誘導(dǎo)的突變稱FCO， 他們再用原黃素誘導(dǎo)產(chǎn)生回復(fù)突變，在E.coli K（）菌株中出現(xiàn)了噬菌斑。 用遺傳學(xué)的方法和野生型雜交發(fā)現(xiàn)它們并不是真正的野生

3、型。 校正突變校正突變（A suppressor mutation）抵消或抑制了前一次突變的效應(yīng)， r 回復(fù)突變 r r 野生型 FCO sup 表 型 突變型 表型 sun 圖 142 抑制基因所產(chǎn)生的回復(fù)突變型和野生型雜交后，經(jīng)交換可產(chǎn)生原有的突變型(仿 Griffiths A.J.F.et al： An Introduction to Genetic Analysis 校正突變的特點(diǎn)如下：校正突變的特點(diǎn)如下： (1) 校正突變是在第一次突變不同位點(diǎn)將它抵消的。因此原來的突變可以通過野生型和回復(fù)突變型之間的雜交又恢復(fù)為突變型； (2) 校正突變可能發(fā)生相同的基因中，抑制原來的突變（如剛舉的

4、例子），稱基因內(nèi)抑制基因內(nèi)抑制，或發(fā)生在不同的基因中稱基因外抑制基因外抑制。 (3) 不同的抑制可能作用的方式不同。如有的抑制是在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平，有的可能是通過細(xì)胞生理功能來實(shí)現(xiàn)。 圖 14- 基因內(nèi)抑制 鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶(OTC) CO2 氨甲酰磷酸 瓜氨酸 精氨酸 (在線粒體中) + b (su-) NH4 天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶 ATP 氨甲酰磷酸 氨甲酰天冬氨酸 嘧啶(在核中) a (m-) ATC(1) 以是否合成嘧啶為表型的標(biāo)準(zhǔn);(2) OTC 突變?nèi)杂?23 %的活性. 圖 14- 代謝抵償效應(yīng)產(chǎn)生的基因外抑制 三.利用突變來解讀密碼 1960 A. Tsugita,H.Fraenk

5、el-Connrat小組和H.G. Wittmann小組試圖通過用亞硝酸來對TMV進(jìn)行誘變。 當(dāng)時(shí)根據(jù)亞硝酸誘變的原理，mRNA中的AG或CU的緣故。 當(dāng)時(shí)已搞清了TMV肽鏈的一級結(jié)構(gòu)由158個(gè)氨基酸組成， 將突變型和野生型進(jìn)行比較就能確定肽鏈上氨基酸取代的位點(diǎn)和類型。四四.無細(xì)胞系統(tǒng)的建立無細(xì)胞系統(tǒng)的建立 1961年Nirenberg建立了無細(xì)胞系統(tǒng) 這一新技術(shù)又是在多核苷酸磷酸化酶發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上建立起來的。 1955 S.Ocha在細(xì)菌中分離了多核苷酸磷酸化酶（polynucleotide phosphorylase）,它催化核糖核苷二磷酸的聚合， 它不需要任何DNA模板就可合成. 他們的方

6、法是: (1) 去模板：用DNAase處理E.coli抽提物，使DNA降解，除去原有的細(xì)菌模板。 (2) 加入pol U：合成了多聚苯丙氨酸， 這一結(jié)果不僅證實(shí)了無細(xì)胞系統(tǒng)的成功，同時(shí)還表明UUU是苯丙氨酸的密碼子。 分別加入polyA，polyC 和polyG 結(jié)果相應(yīng)地獲得了多聚賴氨酸，多聚脯氨酸和多聚甘氨酸。 (3) 按比例加入種核苷混合的多聚物 由于當(dāng)時(shí)還未分離RNA pol酶，無法按設(shè)計(jì)的模板來合成RNA，Nirenberg又想出了一種新的方法，就是按一定的堿基比例來合成RNA。 比如在底物中加5份的UDP和1份的GDP， 堿基比為U：G5：1， 它們能組成8種三聯(lián)體： UUU，UU

7、G，UGU，GUU， GGG，GGU，GUG，UGG。 U和G將隨機(jī)地加入到三聯(lián)體中，這樣按比例各個(gè)位于上進(jìn)入U(xiǎn)和G 的概率不同，。如氨基酸測定結(jié)果： 如UUU：UGG（555）:（511） 25 ： 1 同理UUU：UUG 5 ：1， 根據(jù)檢測結(jié)果推測: 苯丙氨酸（UUU）：半胱氨酸（UGU） 5 ： 1 苯丙氨酸（UUU）：纈氨酸（GUU） 5 ： 5 苯丙氨酸（UUU）：甘氨酸（GUU） 24 ： 1五.三聯(lián)體結(jié)合實(shí)驗(yàn) 1964年Nirenberg又采用三聯(lián)體結(jié)合實(shí)驗(yàn) (1) tRNA和氨基酸及三聯(lián)體的結(jié)合是特異的； (2) 上述結(jié)合的復(fù)合體大分子是不能通過硝酸纖維濾膜的微孔，而tRNA

8、- 氨基酸的復(fù)合體是可以通過的。 A C A U G U A G A Ser A C A Thr A G A A C A A C A U G U Ser Thr NC Ser U C U U C U U G U U C U A G A Thr U C U U G U A G A Thr Ser NC Thr 圖 14-3 三聯(lián)體結(jié)合實(shí)驗(yàn)。(上)輸入翻譯系統(tǒng)的 RNA 和標(biāo)記的氨基酸(以灰色表示)不符。(下) 輸入翻譯系統(tǒng)的 RNA 和標(biāo)記的氨基酸(以灰色表示)相符。六. 利用重復(fù)共聚物破譯密碼Khorara 采用了有機(jī)合成一條短的單鏈DNA重復(fù)順序， 然后用DNA pol 1合成其互補(bǔ)鏈， 再

9、用RNA pol及不同的底物合成兩條重復(fù)的RNA共聚物（圖143），作為翻譯的mRNA ，加入到體外表達(dá)系統(tǒng)中， 5T A C T A C T A C T A C3 3 AT G A T G A T G A T G 5 RNA Pol +GTP +CTP +UTP +UTP +ATP +ATP 5 GUAGUAGUAGUA 3 5UACUACUACUAC 3圖 14-4 重復(fù)共聚體 RNA 的合成途徑。(仿 Watson,J.D.et alMolecular Biology of the Gene4th Ed.1987,Fig.15.4)表 14-1 用二個(gè)或三個(gè)、四個(gè)核苷酸構(gòu)造重復(fù)共聚體來確

10、 定密碼子重復(fù)順序可組成的三聯(lián)密碼多肽的氨基酸組成(UC)nUCU-CUCSer-Leu(UUC)n(UUC); (UCU); (CUU)poly Phe, poly Ser,poly Leu(UUAC)n(UUA-CUU-ACU-UAC)Leu-Leu-Thr-Tye第二節(jié) 遺傳密碼的證實(shí)和特點(diǎn) 一一. 遺傳密碼的證實(shí)遺傳密碼的證實(shí) 1966年Sterisinger等用噬菌體T4證實(shí)了遺傳密碼是完全正確的。 他們采用的方法跟Crick的原黃素誘發(fā)移碼突變的方法相同，使T4溶菌酶產(chǎn)生了移碼突變，根據(jù)突變后的蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)和野生型溶菌酶氨基酸順序進(jìn)行了比較， N Thr Lys Ser Pro

11、Ser LeuAsn Ala C 5 AC AA AGU CCA UCA CUU AAU GC 3 野生型 5 AC AAA GUC CAU CAC UUA AUG GC 3 突變型 N Thr Lys Val His His LeuMet Ala C A (缺失) G(插入插入) 圖 14 9 T4 溶菌酶基因經(jīng)原黃素誘發(fā)的插入突變和缺失突二遺傳密碼在纖毛蟲和線粒體中的改變 表 14-3 密碼子在原核生物和真核生物線粒體及原生動(dòng)物中的改變生物AUAAUGUGAUGUUAAUAGCUACAAUAGAGAAGGAAA一般生物IleMet(起始)終止Trp終止終止ArgGlnGlnArgArgLy

12、s枝原體TrpTrp纖毛蟲GluGlu四膜蟲GluGluGluGlu游仆蟲Cys哺乳動(dòng)物(線粒體)Trp終止終止Asp果蠅(線粒體)SerAsp酵母(線粒體)Thr一. 遺傳密碼的特點(diǎn) (1) 遺傳密碼是三聯(lián)體三聯(lián)體密碼密碼。 (2)遺傳密碼無逗號無逗號。 (3)遺傳密碼是不重迭不重迭的。 (4)遺傳密碼具有通用性通用性。 (5)遺傳密碼具有簡并性簡并性(degeneracy (synonyms)。 (6) 密碼子有起始密碼子起始密碼子和終止密碼子終止密碼子。 (7) 反密碼子中的“ 擺動(dòng)擺動(dòng)”（wobble）表示第三個(gè)堿基擺動(dòng)的模式。在八成員組成的密碼子家族中，每個(gè)成員的四個(gè)密碼子意思相同，

13、那么第三個(gè)堿基U、C、A、G對氨基酸起不到特異的作用。在七個(gè)成員組成的密碼子的意思相同。第三個(gè)堿基都是Py，含U或C。在五個(gè)成員組成的密碼子家族中，每個(gè)成員的二個(gè)密碼子都是相同的，第三堿基都是Pu，含A或G 。由一個(gè)成員組成的密碼子家族中，有3個(gè)密碼子的意思相同，第三個(gè)堿基含有U、C和A。 擺動(dòng)假說(wobble hypothesis)是由Crick.F（1966年）提出的。即當(dāng)tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子配對時(shí)前兩對嚴(yán)格遵守堿基互補(bǔ)配對法則，但第三對堿基有一定的自由度可以“擺動(dòng)”。擺動(dòng)假說也稱為三中讀二三中讀二（2 out of 3 reading）。 表 144 遺傳密碼中的擺動(dòng)反

14、密碼子 5端堿基密碼子 3端可配對堿基GU 或 CCGAUUA 或 GI（次黃嘌呤）A、U 或 C 三中讀二一般可分為三種情況： (1) 第,兩個(gè)堿基形成個(gè)氫鍵時(shí)，可三中讀二。 如，和。 (2) 第1 ,2兩個(gè)堿基形成4個(gè)氫鍵時(shí),不可三中讀二。 如AAX，X 和。 (3) 第，兩個(gè)堿基形成個(gè)氫鍵時(shí), 當(dāng)?shù)诙€(gè)堿基為嘧啶時(shí)，可三中讀二； 如，和。 當(dāng)?shù)诙€(gè)堿基為嘌呤時(shí)則不能三中讀二， 如， ，和X。第三節(jié) tRNA的結(jié)構(gòu)和功能 一一. tRNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) （一）三葉草型的二維結(jié)構(gòu) (1)各種tRNA均含有7080個(gè)堿基，其 中22個(gè)堿基是恒定的。 (2) 5端和3端配對（常為7bp）形成莖區(qū)，

15、稱為受體臂受體臂（acceptor arm）或稱氨基酸臂氨基酸臂 。在3端永遠(yuǎn)是4個(gè)堿基（XCCA）的單鏈區(qū)，在其末端有2-OH或3-OH，是被氨基酰化位點(diǎn)。此臂負(fù)責(zé)攜帶特異的氨基酸。 （3）TC常由5bp的莖和7Nt和環(huán)組成。此臂負(fù)責(zé)和核糖體上的rRNA 識別結(jié)合； (4)反密碼子臂(anticodon arm)常由5bp的莖區(qū)和7Nt的環(huán)區(qū)組成，它負(fù)責(zé)對密碼子的識別與配對。 (5)D環(huán) (D arm)的莖區(qū)長度常為4bp，也稱雙氫尿嘧啶環(huán)。負(fù)責(zé)和氨基酰tRNA聚合酶結(jié)合; (6)額外環(huán)(extra arm)可變性大，從4 Nt到21 Nt不等，其功能是在tRNA的L型三維結(jié)構(gòu)中負(fù)責(zé)連接兩個(gè)

16、區(qū)域（D環(huán)反密碼子環(huán)和TC-受體臂）。 胰腺癌護(hù)理： （二） tRNA的三維結(jié)構(gòu)三葉草二級結(jié)構(gòu)具有四個(gè)臂 L 型三 維結(jié)構(gòu)兩個(gè)雙螺旋區(qū)相互垂直3 TC 環(huán) 氨基酸莖 3 5 氨基酸莖 5 D 環(huán)D 環(huán) TC 環(huán) 可變環(huán)可變環(huán)反密碼子環(huán) 反密碼子環(huán) 圖 14-15 tRNA 由三葉草型折疊成 L 型三維結(jié)構(gòu) 酵母苯丙氨酸t(yī)RNA的三級氫鍵tRNA 的堿基 堆積L型結(jié)構(gòu) (2)D環(huán)和TC環(huán)形成了“ L” 的轉(zhuǎn)角。 (1)氨基酸受體臂位于L型的一側(cè)，距反密碼子環(huán)約70 A (3)在一些保守和半保守的堿基之間形成很多的三級氫鍵,使分子形成L形b,并使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 (4)使得三維結(jié)構(gòu)得以形成的這些堿基配對

17、涉及到與磷酸核糖主鏈相互作用的三級結(jié)構(gòu)的磷酸二酯鍵分布在核糖的2-OH上。 (5)幾乎所有的堿基平面之間產(chǎn)生堆積的作用。 (6)在反密碼子莖中僅有很少的三級氫鍵。二.校正tRNA抑制基因抑制基因（suppressor）或稱校正基因校正基因 （一）無義抑制（nonsense suppressor） 1. tRNA反密碼子的突變 2. tRNA其它結(jié)構(gòu)的改變無義突變使 UUG 變?yōu)?UAG Tyr-tRNA 閱讀 UAG 密碼子AUG UUG UAA AUG UAG UAA AUG UAG UAA UACAAC AUC AUG 釋放因子 抑制突變 Leu Tyr Tyr圖 1417 帶有突變反密碼

18、子的 tRNA 可抑制無義突變表 14-6 由反密碼子突變而產(chǎn)生的無義抑制基因 野生型 抑制基因基因tRNA識別的密碼子反密碼子反密碼子識別的密碼子SupD(su1)SerUCGCGACUAUAGSupE(su2)GlnCAGCUGCUAUAGSupF(su3)TyrUAC, UAUGUACUAUAGSupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAGSupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAGSupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG （二）錯(cuò)義抑制 錯(cuò)義突變 錯(cuò)義突變AUG AGA UAA AUG GGA UAA AUG AGA UAAUCU

19、CCU UCU 抑制突變 Arg Gly Gly圖 14-18 反密碼子發(fā)生突變可抑制錯(cuò)義突變抑制突變的特點(diǎn): 1.不是所有抑制基因都能產(chǎn)生有功能的蛋白質(zhì)，關(guān)鍵是要看氨基酸取代的情況。 2. 校正的作用不可能是完全的。 校正的tRNA分子是有限的而且還要和釋放 因子競爭； 若是錯(cuò)義抑制的話，由于氨基酸發(fā)生取 代,使得蛋白質(zhì)的活性有所降低。 3. 每種抑制tRNA一般都只識別UAG終止密碼子，而不再識別原來相應(yīng)的密碼子。 4.赭石突變抑制基因不僅可以識別赭石密碼子（UUA），也可以抑制琥珀突（Am）碼子UAG。但反過來Am抑制基因（CUA）就不能抑制赭石突變（UAA），這是由于擺動(dòng)緣故所造成。

20、5. 當(dāng)細(xì)胞中含有多個(gè)tRNA拷貝時(shí)，抑制才能發(fā)揮作用。 6. 有的抑制基因，不僅可以識別終止密碼子，而且還可以識別原來的密碼子。如野生型tRNATrp的反密碼子是CCA，它可以識別原來的密碼子UGG，而且還可以識別終止密碼子UGA。7.校正基因一般不會(huì)影響正常的終止(1)校正基因識別的終止密碼子不一定和正常終止的密碼子相同。有時(shí)正常終止位點(diǎn)有兩個(gè)連續(xù)的終止密碼子，而且結(jié)構(gòu)不同，如UAG-UAA；(2)釋放因子將和抑制基因競爭和終止密碼子的結(jié)合；(3)抑制基因的效率很低，通常為15%，所以常不會(huì)抑制正常終止。三. tRNA對氨基酸的識別 （1） tRNA怎樣接受特定的氨基酸， 氨基酰 tRNA

21、合成酶怎樣識別tRNA； （2） tRNA中的哪些結(jié)構(gòu)和接受特定氨 基酸有關(guān)。 1988年Hou Ya-ming（候雅明）和Schimmel首先取得突破。他們采用的方法是： (1) 選用E.coli (trp-)來進(jìn)行研究； (2) tRNA，攜帶Ala，反密碼子突變成CUA，可以 和終止密碼子UAG相配對,可校正色氨酸的琥 珀突變. (3) 用點(diǎn)突變的方法來改變校正tRNA（Ala）上的 各個(gè)位點(diǎn)，觀察對識別Ala有何影響，他們證明 了Ala tRNA的G3:U70堿基對，僅一對堿基決定了 丙氨酰tRNA合成酶與tRNA的識別。 這種小元件稱為tRNA的“ identity”，或稱為副密副密

22、碼子碼子（paracodon）。表 14-5 每種合成酶通過幾個(gè)特殊堿基來識別其同質(zhì) tRNAtRNA合成酶識別的堿基一類氨基酰 tRNA 合成酶Val反密碼子上的三個(gè)堿基Met反密碼子上的三個(gè)堿基Ile反密碼子上的 C34 修飾堿基GlnU35（反密碼子）; U1-A72 和 G73（受體臂）二類氨基酰 tRNA 合成酶Phe（酵母）反密碼子上的三個(gè)堿基，G20(D 環(huán)); A73(末端)SerG1-C72; G2-C71; A3-U70(受體臂); C11-G24(D 環(huán))AlaG3-U70(受體臂) 表14-7 原核和真核生物核糖體的組成及功能核糖體亞基 rRNAs 蛋白 RNA的特異順序和功能 細(xì)菌 70S 50S 23S=2904b 31種(L1-L31）含CGAAC和GTCG互補(bǔ)2.5106