第8章(十一)核糖体

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1、第十一章 核糖体 ribosome,细胞生物学,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,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mRN

2、A， 从核转运到细胞质开始翻译,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。,大肠杆菌16SrRNA的二级结构,16S rRNA的折叠结构,三、核糖

3、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(fMet-tRNAf)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) 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 3 蛋白质合成方向从氨基 羧基,一、原核生物蛋白质合成的三个

4、过程 起始、延伸、终止 1. 起始：起始因子IF1、IF2和IF3 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,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

5、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,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,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 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

6、始 相关),eIF-3 eIF-2(GTP)+Met-tRNAi 40S 40SeIF-3 40S预起始复合物 40SeIF-3eIF-2(GTP) Met-tRNAi mRNA eIF-4A eIF-4B ATP eIF-4F Pi+ADP eIF-1 40S起始复合物 40SmRNAeIF-4AeIF-4BeIF-4FeIF-1,GTP eIF-5 GDP+Pi 60SeIF-6 eIF-6 eIF-2(GDP)、eIF-3 eIF-4A 、eIF-4B eIF-4F、eIF-1 80S起始复合物 40S60SmRNAMet-tRNAi,延伸 延伸因子 eEF-1 eEF-1 eEF-1和

7、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,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 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

8、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 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

9、,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,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

10、成今天的细胞。,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。,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）:

11、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-cylin-D1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）

12、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,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 。,P53：肿瘤抑制子p53可以通过直接干扰一种蛋白

13、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。,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5SrRNA，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TF-IIIB直接的、失活的相互作

14、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。,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。

15、这说明此种蛋白质功能在进化过程中是保守的。,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。,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。,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