第8章(十一)核糖体

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细胞生物学
第十一章
核糖体 ribosome
第一节 一、核糖体的基本类型与成分
核糖核蛋白体,简称核糖体(ribosome) 基本类型 多聚核糖体 游离核糖体 70S的核糖体 80S的核糖体 主要成分 r蛋白质:40%,核糖体表面 rRNA:60%,,核糖体内部
原核生物核糖体组成
真核生物核糖体组成
核糖体上Kinetic Proofreading校阅示意图
三、真核生物翻译的控制
一个蛋白质激酶的调控:Heme Controlled Inhibitor(HCI)是一个蛋白 质激酶,它使起始因子(eIF-2)磷酸化,从而不能起始蛋白质合成 干扰素诱导产生两种酶:蛋白质激酶和2’-5’-寡腺苷酸合成酶
真核40s核糖体亚基结合在mRNA的5’-帽子区,沿mRNA扫描直至
找到合适的AUG
真核生物使用更为复杂起始因子系统(至少有九种起始因子与起始 相关)
eIF-3
eIF-2(GTP)+Met-tRNAi
40S
40S· eIF-3
40S预起始复合物
[40S· eIF-3· eIF-2(GTP)· Met-tRNAi ]
延伸因子Tu(EF-Tu)的循环
肽键的形成
大肠杆菌核糖体上蛋白质合成延伸阶段
3. 终止
没有tRNA形式可以正常识别终止密码子
三种释放因子 RF1 RF2 RF3
RF1识别UAA、UAG RF2识别UAA、UGA
大肠杆菌核糖体上蛋白质合成的终止过程
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二、真核生物的蛋白质生物合成
真核生物与原核生物蛋白质合成许多不同机制主要发生在起始阶段 真核起始tRNA不需甲酰化
蛋白质激酶磷酸化eIF-2,阻断蛋白质合成
2’-5’-寡腺苷酸合成酶催化形成2’-5’-An,后者激活一个内切酶 RNaseL,导致mRNA和rRNA的降解
真核生物蛋白质起始被eIF2磷酸化阻断
干扰素处理细胞后引起翻译起始抑制和mRNA降解
四、新生蛋白质的修饰与加工(翻译后修饰)
氨基末端和羧基末端的修饰 信号肽酶从新生蛋白质除去信号肽 蛋白酶水解 二硫键形成
起始、延伸、终止
mRNA上的核糖体结合位点(RBS)也称Shine-Dalgarno顺序 (S.D顺序)使核糖体与mRNA在特定位点结合,形成30s起始 复合物
70s起始复合物的形成
一些细菌和病毒mRNA中S.D顺序比较
16SrRNA与蛋白质起始区S.D位点的碱基配对
大肠杆菌核糖体上蛋白质合成的起始
p53和RB家族成员也表现为对pol III的控制 。Pol III负责合成各种各样小的稳态的RNAs,其中包括一 些核糖体的组分,例如5’SrRNA,还有一些tRNA。 与野生型细胞相比,p53和RB裸细胞中的Pol III转 录活性是提高的。认为上述两种肿瘤抑制子通过与TFIIIB直接的、失活的相互作用而负性调节pol III介导 的转录。(TF-IIIB为一共活化子复合物,负责pol III介导的转录)。因此,肿瘤细胞中p53和RB的丢 失可能是通过异常上调蛋白质合成机器中必要组分而致 细胞增殖提高。
P53:肿瘤抑制子p53可以通过直接干扰一种蛋白质 复合物(这种蛋白质复合物为rRNA启动子的转录起始 所必需)的装配来抑制pol I转录。 在共转染分析中野生型p53能够抑制pol I转录活性; 而与野生型相比p53裸细胞pol I转录活性提高。 肿瘤细胞中RB失活突变通常伴随着p53突变,两种突 变对于pol I活性在肿瘤发生中也许具有协同作用。
Brat-突变肿瘤可以使rRNA合成提高。但是哪一个 brat蛋白调节了polI转录活性的精确机制还不清楚。 brat突变细胞比野生型细胞更大,他们有增大的细胞 核,这与总rRNA产物增加有关。这些结果说明brat 突变肿瘤表型将能够引起细胞过渡生长和核糖体合成增 加。细胞生长和核糖体功能提高之间的关系通常与转录 机器的过渡产生有关。但是是否这是唯一的一种联系还 需要进一步确认,因为产生更多核糖体的细胞可以提供 更大的空间通载过量蛋白质,或者是否细胞提及的增大 真正启动了肿瘤的发展。
2. 延伸
延伸因子 EF-Tu EF-Ts EF-G
延伸的三个步骤
结合 氨酰-tRNA与A位点的结合
延伸因子(EF-Tu和EF-Ts)参与结合反应的循环过程 转肽 肽键的形成(23s rRNA催化) 移位 肽基-tRNA从A位转移到P位 无负载tRNA释放
mRNA上下一个密码子进入A位
EF-G因子参与
DNA代替了RNA的遗传信息功能
DNA双链比RNA单链稳定; DNA 链中胸腺嘧啶代替了 RNA 链中的尿嘧啶,使之 易于修复。
蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能
蛋白质化学结构的多样性与构象的多变性; 与RNA相比,蛋白质能更为有效地催化多种生化反应, 并提供更为复杂的细胞结构成分,逐渐演化成今天的细 胞。
多核糖体
多核糖体电镜图
二、核糖体的结构
蛋白质合成过程中很多重 要步骤与50S核糖体大亚单位相关
涉及的多数因子为G蛋白(具有GTPase活性),核糖体上 与之相关位点称为GTPase相关位点。 最近人们成功地制备L11-rRNA复合物的晶体,获得了 其空间结构高分辨率的三维图象。 这一结果证实了前人用各种实验技术所获得的种种结论 提出直观、可靠且比人们的预料更为精巧复杂和可能的 作用机制,从而为揭开核糖体这一具有30多亿年历史的 古老的高度复杂的分子机器的运转奥秘迈出了极重要的 一步。
mRNA
eIF-4A eIF-4B ATP Pi+ADP eIF-4F eIF-1
40S起始复合物 [40S· mRNA· eIF-4A· eIF-4B· eIF-4F· eIF-1]
GTP eIF-5 GDP+Pi 60S· eIF-6
eIF-6 eIF-2(GDP)、eIF-3
eIF-4A 、eIF-4B
核糖体蛋白和肿瘤发生
在核糖体中,r-pr的作用最初是认为其作为分子伴侣 稳定rRNA结构,保证rRNA的正确折叠。 近年来利用X-射线晶体学和低温电子显微镜方法对核 糖体结构研究得出的结论使我们对rRNA不同区域的特 殊作用有了新的认识,包括在蛋白质合成的不同阶段核 糖体蛋白质的功能。如核糖体蛋白质能调整核糖体与 mRNA之间相互作用,包括起始和延长因子。
生命是自我复制的体系
DNA代替了RNA的遗传信息功能
蛋白质取代了绝大部分RNA酶的功能
生命是自我复制的体系
三种生物大分子,只有RNA既具有信息载体 功能又具有酶的催化功能。因此,推测RNA 可能是生命起源中最早的生物大分子。 核酶(ribosome):具有催化作用的RNA。 由RNA催化产生了蛋白质
rRNA合成途径
核仁 Pol I 细胞周期:S期和G2期rRNA合成达到高峰,分 裂期受到抑制,G1期又开始恢复
原癌基因/肿瘤抑制子
转录因子UBF(可结合于rRNA启动子 UCE(上游控制元件)和核心 )
Pol I
rRNA合成
调节UBF活性的蛋白质
CKII(酪蛋白激酶II): 可以使UBF C-末端磷酸化,并以此调解rDNA转 录。 复合物G1期特异的细胞周期蛋白依赖的激酶和细胞周期素—CDK4-cylinD1和CDK2-cyclin-E:可直接磷酸化UBF 484和388位丝氨酸,以利于 UBF和polI之间相互作用,并在细胞周期调节中控制rRNA合成。 特异生长因子 :表皮生长因子(EGF)通过细胞外信号调节激酶(ERK)活 化来传递信号能够直接调节UBF活性 . 磷酸酶 :有丝分裂期和G1早期rRNA合成终止是由于UBF去磷酸化失活造成 的,这是磷酸酶作用的结果。因此上调rRNA合成的激酶的能力将受限于细 胞周期的特殊时期。 蛋白磷酸酶:肿瘤抑制子蛋白磷酸酶(PP2A)介导了UBF的去磷酸化 。 转录起始因子TIF-IA :rRNA合成的波动(发生于影响细胞生长的各种条 件下)也与转录起始因子TIF-IA的活性相关。哺乳动物TIF-IA在polI和 rDNA启动子的前启动复合物之间起到一个桥梁的作用
单一蛋白质突变控制核糖体生物合成
低等生物 L16:在酵母菌中进行的基因靶向试验表明单一一种蛋白质的去 除如L16,导致60s核糖体大单位减少,这直接与多核糖体减少 和细胞增殖缺陷相关。因此仅一种核糖体蛋白质的表达被破坏就 能够引起核糖体产生的减少。 其它的蛋白质:在果蝇中,单一的核糖体蛋白质突变就可以导致 一组综合性突变,被称为minute。 Mintue 苍蝇是以体积减少 为特征,失去生育能力和隐性的致死性。许多直接和间接的证据 已经证实minute细胞核糖体含量降低,因此蛋白质合成能力降低。 蛋白质合成的减少导致了细胞生长和增殖的降低。
氨基酸残基修饰
前胰岛素原的加工 前胶原的加工
前胰岛素原的加工
前胶原加工(前肽切除)
前胶原加工(氨基酸修饰)
蛋白质生物合成的抑制剂
抗生素(四环素、氯霉素、链霉素等)
嘌呤霉素
白喉毒素
嘌呤霉素的结构
ADP-核糖从NAD+转移到白喉酰胺
白喉毒素作用机制
第三节、RNA在生命起源中的地位及其演化过程
甲酰甲硫氨酰-tRNA的形成
tRNAfMet接受臂茎部与反密码环结构特点可能决定对起始AUG 和链内AUG的识别
甲酰甲硫氨酰-tRNA的形成
大肠杆菌tRNAfMet三叶草结构中的核苷酸顺序
第二节 蛋白质合成 核糖体在mRNA上阅读方向5’ 蛋白质合成方向从氨基 羧基 3’
一、原核生物蛋白质合成的三个过程 1. 起始:起始因子IF1、IF2和IF3
第四节、核糖体与癌症
蛋白质是生命活动的最终执行者,核糖体担负 着细胞中蛋白质的合成,因此核糖体在整个生 命过程中发挥重要功能。 核糖体的生物合成和转录控制在细胞处理过程 中多个水平进行。 目前已经发现一些肿瘤抑制子和前癌基因可以 影响核糖体成熟,通过改变蛋白质合成机器中 的某些组分而诱导肿瘤的发生。
多核糖体(Polyribosome)
数个或数十个核糖体同时在一条mRNA上进行翻译而联系
在一起的结构
细胞通过多核糖体的方式合成蛋白质,大大提高了mRNA的效率 原核生物中转录和翻译是紧密偶联的。在转录完成之前, 核糖体就从mRNA5’末端开始翻译。
真核生物转录的mRNA加工为成熟mRNA, 从核转运到细胞质开始翻译
eIF-4F、eIF-1
80S起始复合物 [40S· 60S· mRNA· Met-tRNAi]
延伸
延伸因子 eEF-1 eEF-1 eEF-1和eEF-2
终止
只有一种释放因子eRF识别所有三种终止密码子
两种校阅机制提高蛋白质合成的精确性
氨酰tRNA合成酶的水解作用除去错误氨基酸
Kinetic proofreading机制用于提高密码子与反密码子配对的精确性
RB和p53对蛋白质合成的调节
RB UBF rRNA RB是视网膜神经胶质瘤蛋白 ,为肿瘤抑制子 具有调节细胞周期的能力 ,RB基因在人类肿 瘤中经常是遭到破坏的。 p130属RB家族,与RB一样可以通过抑制 UBF活性影响蛋白质合成。 因为UBF与RB/ p130结合阻止了UBF招募 pol I活化所必需的其它共因子 。
大肠杆菌16SrRNA的二级结构
16S rRNA的折叠结构
三、核糖体蛋白质与rRNA的功能分析
核糖体上具有一系列与蛋白质 合成有关的结合位点与催化位点
在蛋白质合成中肽酰转移酶的活性研究
原核生物蛋白质合成通过甲酰甲硫氨酰-tRNA(fMettRNAf)起始
tRNAfMet识别肽链起始密码子AUG tRNAmMet识别肽链内部AUG(Met的密码子)
由于核糖体合成的提高而产生的效应结果来源于对果蝇 肿瘤抑制子突变体brat(脑肿瘤)的研究。 brat基因 在苍蝇中编码可调节rRNA合成的一种蛋白质。纯合子 brat突变的苍蝇可因脑肿大死亡,脑体积可达到正常 苍蝇脑体积的8倍,如具有潜在转移能力的恶性视神经 瘤。 在C-线虫brat纯合子为ncl-1,其对polI/polIII具 有直接的负调节作用,并且苍蝇中的brat有能力挽救 线虫ncl-1突变表型。这说明此种蛋白质功能在进化过 程中是保守的。
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