第5章 蛋白质翻译
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关键aa的codon usage 低 相应tRNA量少
进化中形成的蛋白质翻译调控机制 （modulator ）
（2） codon 与anti-codon间的作用强度 codon usage
Phe (UUC) > (UUU) Tyr (UAC) > (UAU)
Anti-codon
AAG1
AUG1
13 / 1209 > 3 / 1209
● In Prok.
3’-end of 16S rRNA富含CCU保守序列 互补 mRNA 5’ 端的前导序列 SD序列富含(AGG)
In Euk.
3’-end of 18s rRNA 与原核生物高度相似,
但无与 S.D.seq.互补的保守序列 细菌 16S
AMEAMECCUGCGGUUGGAUGACCUCCUU
(氨酰tRNA合成酶，AARS)
● tRNA recognition codon by anti-codon（反密码
子）
● codon： universal triplex codon 三联体密码子 two of three reading codon 三中读二 codon in codon 广义密码子 ● codon degeneracy：wobble hypothesis 摇摆假 说 isoacceptor 同工受体 ● codon usage (codon bias) 密码子的利用（偏爱） ● mechanism of exactly translation initiation, loading, elongation, proofreading
密码子的简并性
b) 简并现象的机理；
●
●
Isoacceptor tRNA; 负载同一氨基酸，但识别不同密 码子的tRNA Wobble hypothesis; 反密码子 : 密码子 1th-Nt : 3 rd-Nt 在一定范围内的可选择配对现象
mRNA5’---CGU---CGC---CGA---CGG---AGA---AGG---3’ wobble GCG GCU UCU tRNA 5’ 5’ 5’ 3’A A 3’ 3’A
But
poly(UCUCUC…)
UCU/CUC
Ser/Leu ?
M. Nirenberg & P. Leder (1964. Science 145;1399) In vitro UCU (tri-nucleotide) Ser-C14, Leu, Lys, Arg,… Ser, Leu-C14, Lys, Arg,… Ser, Leu, Lys-C14, Arg,… ……
23 / 1209 > 10 / 1209
5.3.4. 遗传密码的变异性
a) 线粒体中具有与通用密码不同的编码信息
●
线粒体codon较为整齐（均为2/4/6）
●
In mt 22 tRNA only (32 tRNA in universal code) 线粒体“三中读二”方式可减少tRNA
Codons Comparing between in usual and in mt
●
tRNA的”L”三维结构与功能 “L”构型的结构力 ---二级结构中双链区的碱基堆积力和氢键 ---二级结构中非双链区在“L”结构中，形成氢键结 合
--- TΨ C loop & DHU loop 位于“L”两臂的交界处， 利于“L”结构的稳定 ---“L”结构中碱基堆积力大 使其拓扑结构趋于稳定
a) 简并现象的概念； ---一种氨基酸有2个或2个以上codon编码的遗传现象 ---编码一种aa的4个codon间, 仅3rd Nt 不同, 称为codon family 例；Ser (6 codons) 1 codon family & 2 extra codons CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG
G2661 C , aa-tRNAaa into A site go down ---G2252, G2253双突变为C, 将对转肽酶的活性产生抑制
5.2.3. mRNA
mRNA具有两个必需的特征： 可翻译的密码序列（开放阅读框架，ORF）
核糖体结合位点（RBS）
● In Prokaryote
--- 34th摇摆位点被修饰的频率高
选择配对的关系发生变化 尤以A34 I I=A/ I= C / I=U
--- 34th几乎无 A
--- 线粒体中 U34 = N
when U U* = A/G only
5.3.3. codon usage (codon bias)
生物GC%不等 各种codon的频率不等 进化过程
● In Eukaryote
leading seq.
mono-cistron
5’ m7Gppp--------CCACC-----A/G-3---A1U2G3G4—
核糖体小亚基扫描AUG 的信号序列
至关准确翻译起始
Kozak序列
But mRNA of chloroplast shows similarities to prokaryote.
不
密码子的破译 (1968. nobel prize)
Marshall Nirenberg (1961) In vitro Poly(U) Poly(C) poly(Phe) peptide poly(Pro) peptide
Poly(A)
Poly(G)
poly(Lys) peptide
poly(Gly) peptide poly(Ser-Leu-Ser-Leu…)
5.3. Genetic Code
5.3.1. Universal triplet codon
codon的特征
●
codon是mRNA 上连续排列的三个核苷酸序列， 并编码一个氨基酸信息的遗传单位 codon具有通用性与保守性（除mt）
●
●
在一个基因序列中 codon具有5’→3’方向编码、
重叠性和无标点性
tRNAaa Ribosome Nitrocellulose filter
Ser-C14….
Leu-C14 ….
Lys-C14 ….
Gly-C14 ….
61个codons被破译，仅剩UAA,UAG,UGA (Stop codon).
Genetic codon字典
5.3.2. Degeneracy of codon (密码子的简并现象)
“L”结构域的功能
aa’tRNAaa
5.2.2. rRNA
Ribosomal genes (rDNA) are different
in several ways from other nuclear gene • have GC content of 60% & Rich methylation • each cell contains from several hundred to over 20,000 copies of rDNA gene • rRNA synthesized in nucleolus
poly-cistron
5’-end; 300±Nt leading seq. (A/G------------AUG) Shine-Dalgarno seq. (S.D): 富含嘌呤 S.D seq---------------------AUG 9Nt better rich A,U, → G mut. translation go down
仅起将codon隔开的作用
● Codon-reading
其余的密码子由tRNA识别第三位为A、 G或U、C的密码子。
wobble base G C/U
wobble base U* G/A
5.3.5 codon in codon or general genetic codon (广义密码)
1209 codons
Codon usage in the genes of Animals
2244 codons
（1）codon usage ~ 正相关 ~ tRNA abundance
需要量多的蛋白质（除mRNA转录速率高外）
有关aa的codon usage 高 相应tRNA量多
需要量少的蛋白质（除mRNA转录速率低外）
--- wobble base （摇摆碱基）
位于“L”结构末端 堆积力小 自由度大 使碱基配对摇摆
---aa accept arm 位于“L”的一端，契合于核糖体的肽 基 转移酶结合位点 P A, 以利肽键的形成 ---anti-codon loop 位于” L”另一端，与结合在核糖 体 小亚基上的codon of mRNA配对
哺乳动物 18S rRNA AMEAMECCUGCGGAAGGAUGAUUA 高度相似
● 23s rRNA
--- 6 domains
---有的与对抗生素的抗性有关
---2660±Nt region α -I loop (alpha Sarcin)
binding with complex of aa-tRNAaa~(EF)-Tu~GTP (引起核糖体变构！！)
tRNA拷贝数与codon使用频率对应
--- 识别同一氨基酸的不同tRNA(isoacceptor)量不等
--- 不同生物间同一isoacceptor的量不等
tRNA abundance与 codon usage (codon bias)协调性 是进化中形成的基因表达调控机制之一
Codon usage Observed for E.coli Ribosome Protein
●
Prokaryote 23S, 16S, 5S / Eukaryote 28S-5.8S, 18S, 5S
●百度文库
Rich methylation (m2U, m3A, m3U, m26A(二甲基)…)
细菌核糖体70S
真核生物核糖体80S
●
5s rRNA 与TΨ C loop of tRNA部分同源，并可配对
生物体除具有标准的通用密码保证蛋白质的准确翻译外 同时存在codon in codon 减少有害突变 生物的适应性
2edNt of codon对氨基酸的编码特征 即为GGC or codon in codon
3 isoacceptors
1 codon family
2 extra codons
● Wobble base的摇摆配对原则
1 3
由于变偶性的存在， 细胞内只需要32种 tRNA就可以识别61个 编码氨基酸的密码子。
●
Wobble base摇摆配对的机理
--- tRNA的拓扑空间结构 34th摇摆位点位于拓扑结构的末端， 碱基堆积力小， 选择性配对的自由度大
5.2. 基 本 元 件
5.1.1. tRNA
● mini RNA, 4S, (74-94 Nt)
● tRNA phe, 77Nt cloverleaf form (1964 Holly R.) ● Nt more modified by methylation
● 4 arms & 4 loops
蛋 白 质 翻 译
第 五 章
5.1. 基本概念 5.2. 基本元件 5.3. Genetic Code 5.4. peptide synthesize 5.5. 保证peptide准确翻译的机制
5.1.基 本 概 念
● the second step of gene expression
● tRNA as a adapter (转接器) for codon & amino acid ● tRNA loading aa by aa-tRNAaa 合成酶
密码子 AGA AUA
UGA
通常含义 Arg Ile
终止密码子
线粒体 终止密码子 Met
Trp
● Codon-reading
“三中读二”方式（密码子家族中）
codon anti-codon UCU-----UCA-----UCG-----UCC AGU
UC Ser codon
N 3rd (U) A/U/C/G
---aa 接受臂 ;
loading aa at 3’ end ---TΨ C loop; contact with 5s rRNA
---DHU loop;
contact with AARS ---anti-codon loop;
34
---extra loop;
分类标准
tRNACys表示转运半胱氨酸的tRNA Cys-tRNACys表示携带了半胱氨酸的 tRNACys
进化中形成的蛋白质翻译调控机制 （modulator ）
（2） codon 与anti-codon间的作用强度 codon usage
Phe (UUC) > (UUU) Tyr (UAC) > (UAU)
Anti-codon
AAG1
AUG1
13 / 1209 > 3 / 1209
● In Prok.
3’-end of 16S rRNA富含CCU保守序列 互补 mRNA 5’ 端的前导序列 SD序列富含(AGG)
In Euk.
3’-end of 18s rRNA 与原核生物高度相似,
但无与 S.D.seq.互补的保守序列 细菌 16S
AMEAMECCUGCGGUUGGAUGACCUCCUU
(氨酰tRNA合成酶，AARS)
● tRNA recognition codon by anti-codon（反密码
子）
● codon： universal triplex codon 三联体密码子 two of three reading codon 三中读二 codon in codon 广义密码子 ● codon degeneracy：wobble hypothesis 摇摆假 说 isoacceptor 同工受体 ● codon usage (codon bias) 密码子的利用（偏爱） ● mechanism of exactly translation initiation, loading, elongation, proofreading
密码子的简并性
b) 简并现象的机理；
●
●
Isoacceptor tRNA; 负载同一氨基酸，但识别不同密 码子的tRNA Wobble hypothesis; 反密码子 : 密码子 1th-Nt : 3 rd-Nt 在一定范围内的可选择配对现象
mRNA5’---CGU---CGC---CGA---CGG---AGA---AGG---3’ wobble GCG GCU UCU tRNA 5’ 5’ 5’ 3’A A 3’ 3’A
But
poly(UCUCUC…)
UCU/CUC
Ser/Leu ?
M. Nirenberg & P. Leder (1964. Science 145;1399) In vitro UCU (tri-nucleotide) Ser-C14, Leu, Lys, Arg,… Ser, Leu-C14, Lys, Arg,… Ser, Leu, Lys-C14, Arg,… ……
23 / 1209 > 10 / 1209
5.3.4. 遗传密码的变异性
a) 线粒体中具有与通用密码不同的编码信息
●
线粒体codon较为整齐（均为2/4/6）
●
In mt 22 tRNA only (32 tRNA in universal code) 线粒体“三中读二”方式可减少tRNA
Codons Comparing between in usual and in mt
●
tRNA的”L”三维结构与功能 “L”构型的结构力 ---二级结构中双链区的碱基堆积力和氢键 ---二级结构中非双链区在“L”结构中，形成氢键结 合
--- TΨ C loop & DHU loop 位于“L”两臂的交界处， 利于“L”结构的稳定 ---“L”结构中碱基堆积力大 使其拓扑结构趋于稳定
a) 简并现象的概念； ---一种氨基酸有2个或2个以上codon编码的遗传现象 ---编码一种aa的4个codon间, 仅3rd Nt 不同, 称为codon family 例；Ser (6 codons) 1 codon family & 2 extra codons CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG
G2661 C , aa-tRNAaa into A site go down ---G2252, G2253双突变为C, 将对转肽酶的活性产生抑制
5.2.3. mRNA
mRNA具有两个必需的特征： 可翻译的密码序列（开放阅读框架，ORF）
核糖体结合位点（RBS）
● In Prokaryote
--- 34th摇摆位点被修饰的频率高
选择配对的关系发生变化 尤以A34 I I=A/ I= C / I=U
--- 34th几乎无 A
--- 线粒体中 U34 = N
when U U* = A/G only
5.3.3. codon usage (codon bias)
生物GC%不等 各种codon的频率不等 进化过程
● In Eukaryote
leading seq.
mono-cistron
5’ m7Gppp--------CCACC-----A/G-3---A1U2G3G4—
核糖体小亚基扫描AUG 的信号序列
至关准确翻译起始
Kozak序列
But mRNA of chloroplast shows similarities to prokaryote.
不
密码子的破译 (1968. nobel prize)
Marshall Nirenberg (1961) In vitro Poly(U) Poly(C) poly(Phe) peptide poly(Pro) peptide
Poly(A)
Poly(G)
poly(Lys) peptide
poly(Gly) peptide poly(Ser-Leu-Ser-Leu…)
5.3. Genetic Code
5.3.1. Universal triplet codon
codon的特征
●
codon是mRNA 上连续排列的三个核苷酸序列， 并编码一个氨基酸信息的遗传单位 codon具有通用性与保守性（除mt）
●
●
在一个基因序列中 codon具有5’→3’方向编码、
重叠性和无标点性
tRNAaa Ribosome Nitrocellulose filter
Ser-C14….
Leu-C14 ….
Lys-C14 ….
Gly-C14 ….
61个codons被破译，仅剩UAA,UAG,UGA (Stop codon).
Genetic codon字典
5.3.2. Degeneracy of codon (密码子的简并现象)
“L”结构域的功能
aa’tRNAaa
5.2.2. rRNA
Ribosomal genes (rDNA) are different
in several ways from other nuclear gene • have GC content of 60% & Rich methylation • each cell contains from several hundred to over 20,000 copies of rDNA gene • rRNA synthesized in nucleolus
poly-cistron
5’-end; 300±Nt leading seq. (A/G------------AUG) Shine-Dalgarno seq. (S.D): 富含嘌呤 S.D seq---------------------AUG 9Nt better rich A,U, → G mut. translation go down
仅起将codon隔开的作用
● Codon-reading
其余的密码子由tRNA识别第三位为A、 G或U、C的密码子。
wobble base G C/U
wobble base U* G/A
5.3.5 codon in codon or general genetic codon (广义密码)
1209 codons
Codon usage in the genes of Animals
2244 codons
（1）codon usage ~ 正相关 ~ tRNA abundance
需要量多的蛋白质（除mRNA转录速率高外）
有关aa的codon usage 高 相应tRNA量多
需要量少的蛋白质（除mRNA转录速率低外）
--- wobble base （摇摆碱基）
位于“L”结构末端 堆积力小 自由度大 使碱基配对摇摆
---aa accept arm 位于“L”的一端，契合于核糖体的肽 基 转移酶结合位点 P A, 以利肽键的形成 ---anti-codon loop 位于” L”另一端，与结合在核糖 体 小亚基上的codon of mRNA配对
哺乳动物 18S rRNA AMEAMECCUGCGGAAGGAUGAUUA 高度相似
● 23s rRNA
--- 6 domains
---有的与对抗生素的抗性有关
---2660±Nt region α -I loop (alpha Sarcin)
binding with complex of aa-tRNAaa~(EF)-Tu~GTP (引起核糖体变构！！)
tRNA拷贝数与codon使用频率对应
--- 识别同一氨基酸的不同tRNA(isoacceptor)量不等
--- 不同生物间同一isoacceptor的量不等
tRNA abundance与 codon usage (codon bias)协调性 是进化中形成的基因表达调控机制之一
Codon usage Observed for E.coli Ribosome Protein
●
Prokaryote 23S, 16S, 5S / Eukaryote 28S-5.8S, 18S, 5S
●百度文库
Rich methylation (m2U, m3A, m3U, m26A(二甲基)…)
细菌核糖体70S
真核生物核糖体80S
●
5s rRNA 与TΨ C loop of tRNA部分同源，并可配对
生物体除具有标准的通用密码保证蛋白质的准确翻译外 同时存在codon in codon 减少有害突变 生物的适应性
2edNt of codon对氨基酸的编码特征 即为GGC or codon in codon
3 isoacceptors
1 codon family
2 extra codons
● Wobble base的摇摆配对原则
1 3
由于变偶性的存在， 细胞内只需要32种 tRNA就可以识别61个 编码氨基酸的密码子。
●
Wobble base摇摆配对的机理
--- tRNA的拓扑空间结构 34th摇摆位点位于拓扑结构的末端， 碱基堆积力小， 选择性配对的自由度大
5.2. 基 本 元 件
5.1.1. tRNA
● mini RNA, 4S, (74-94 Nt)
● tRNA phe, 77Nt cloverleaf form (1964 Holly R.) ● Nt more modified by methylation
● 4 arms & 4 loops
蛋 白 质 翻 译
第 五 章
5.1. 基本概念 5.2. 基本元件 5.3. Genetic Code 5.4. peptide synthesize 5.5. 保证peptide准确翻译的机制
5.1.基 本 概 念
● the second step of gene expression
● tRNA as a adapter (转接器) for codon & amino acid ● tRNA loading aa by aa-tRNAaa 合成酶
密码子 AGA AUA
UGA
通常含义 Arg Ile
终止密码子
线粒体 终止密码子 Met
Trp
● Codon-reading
“三中读二”方式（密码子家族中）
codon anti-codon UCU-----UCA-----UCG-----UCC AGU
UC Ser codon
N 3rd (U) A/U/C/G
---aa 接受臂 ;
loading aa at 3’ end ---TΨ C loop; contact with 5s rRNA
---DHU loop;
contact with AARS ---anti-codon loop;
34
---extra loop;
分类标准
tRNACys表示转运半胱氨酸的tRNA Cys-tRNACys表示携带了半胱氨酸的 tRNACys