【文章內(nèi)容簡介】 eomics 蛋白質(zhì)的氨基酸排列是由其基因的 單核苷酸序列所決定 Genome Transcriptome Proteome DNA RNA Protein 復(fù)制 Replication 轉(zhuǎn)錄 Transcription 翻譯 Translation 逆轉(zhuǎn)錄 Reverse Transcription Genotypes to Phenotypes 核糖體 蛋白質(zhì)的生物合成 ? Gene: continuous stretch of DNA, from which a particular type of proteins can be made ? 轉(zhuǎn)錄 (transcription)是以DNA中的一條單鏈為模板，以四種三磷酸核苷（ NTP）為原料，在DNA依賴的 RNA聚合酶催化下合成 RNA鏈的過程。 ?1. Transcription 2. Splicing premRNA 內(nèi)含子 外顯子 RNA剪接 (RNA splicing): 將轉(zhuǎn)錄形成的 mRNA前體 (premRNA) 中的內(nèi)含子剪除，將外顯子連接起來形成一個連續(xù)的 RNA分子的 加工過程。 生物的基因序列中，包含了內(nèi)含子（ intron）與外顯子（ exon），兩者交互穿插，組成基因。其中內(nèi)含子并不表現(xiàn)，外顯子才是能夠轉(zhuǎn)錄成 mRNA的片段。 3. Translation 將 mRNA上的核苷酸序列轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)上的氨基酸序列的過程。 The Biosynthesis of protein 蛋白質(zhì)的生物合成：將核酸中由 4 種 核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺 傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級 結(jié)構(gòu)中 20種氨基酸的排列順序。 核蛋白體 ribosome mRNA 多肽 polypeptide The Next Revolution in Bioscience is PROTEOMICS GENOMICS PROTEOMICS DNA RNA Protein Active Cellular Protein Enzymes Environment Ribosomes Understanding the structure and function of proteins encoded by a particular genome, tissue, or anelle. Ⅳ 、蛋白質(zhì)組與基因組的差別 Genomics vs. Proteomics “A butterfly and a caterpillar have the same genome but different proteomes.” Ron Orlando 一種生物有一個基因組， 但有許多蛋白質(zhì)組 ? 任何蛋白質(zhì)，即使只是同一個基因的產(chǎn)物，也可能存在多種形式。 ? 在一個特定的細胞內(nèi)或在不同的細胞之間，蛋白質(zhì)的存在形式可能不同，大多數(shù)蛋白質(zhì)都以幾種不同的修飾形式存在。 ? 這些修飾影響著蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、定位、功能和轉(zhuǎn)換。 ? 在不了解基因組序列的情況下，人們曾經(jīng)推測，生命的復(fù)雜程度是由基因組的基因數(shù)量來決定的。也就是說，生命的復(fù)雜程度越高，其基因組擁有的基因數(shù)目越大。 ? 但隨著各種生物的基因組全序列的測定，科學(xué)家們認識到情況并非如此。 ? 線蟲基因組 基因數(shù)為 。 ? 人基因組 基因總數(shù)僅僅比線蟲多 ，遠不是預(yù)期的 10萬到 15萬。 ? 水稻基因組 基因總數(shù)為 ，比人的基因還要多。 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 原核生物 Procaryotes 真核生物 Eucaryotes 病毒 細菌 真菌 酵母 植物 豆科植物 果蠅 昆蟲 軟體動物 鯊魚 軟骨魚 多骨魚 兩棲動物 蟾蜍 爬蟲類 鳥類 哺乳動物 人類 基因數(shù) 蛋白質(zhì)組與基因組的重要差別之一：蛋白質(zhì)組具有多樣性 ? 蛋白質(zhì)組中蛋白質(zhì)的數(shù)目超過基因組的數(shù)目，呈現(xiàn)出豐富多彩的表型。 ? 這一事實被許多研究證實與以下兩種因素有關(guān)： ? 在轉(zhuǎn)錄時，一個基因可以剪接為多種mRNA形式， 即可變剪接 （ Alternate splicing） 。 ? 同一蛋白可能以許多形式進行翻譯后的修飾 (Posttranslational Modifications， PTM ) 。 A few numbers to realize the plexity of the task ? Cell proteome: 5 103 proteins ? Proteome from an individual: 1 106 proteins ? Proteome of an individual(all life): 1 107 proteins ? Proteome of a species: 1 108 proteins RNA的可變剪接 (選擇性剪接 ) (Alternate splicing) ? 可變剪接是指同一基因轉(zhuǎn)錄形成的 RNA前體可經(jīng)過一種以上剪接方式產(chǎn)生多種不同的 mRNA的過程。 ? 可變剪接將同一基因中的外顯子以不同的組合方式來表現(xiàn)，使一個基因在不同時間、不同環(huán)境中能夠制造出不同的蛋白質(zhì)。 ? 可變剪接作用使蛋白質(zhì)組的復(fù)雜性遠遠高于基因組。 Alternate splicing ? Alternate splicing can be regulated differential splicing can occur at different times during development and in different cell types 1 2 3 4 GENE (hnRNA) 1 1 2 3 3 4 4 2 Different mRNA products 蛋白質(zhì)組與基因組的重要差別之一 :蛋白質(zhì)的多樣性 stop codon I stop codon II start codon DNA premRNA stop codon I stop codon II start codon stop codon II start codon stop codon I stop codon II start codon AAAAA AAAAA intron exon mRNA II COOH COOH H2N H2N membranebound antibody secreted antibody Hydrophobic peptide Hydrophylic peptide plasma membrane RNA splicing IgG heavy chain encoding gene mRNA I I II translation transcription nucleus Alternative splicing: how one gene gives rise to different proteins B lymphocyte light chain heavy chain 蛋白質(zhì)翻譯后修飾 (Posttranslational Modifications， PTM ) ? 蛋白質(zhì)翻譯后修飾在生命體中具有十分重要的作用，它使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，功能更為完善，調(diào)節(jié)更為精細，作用更為專一。 ? 細胞內(nèi)的大部分蛋白質(zhì)通常都被進行過翻譯后修飾。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式已超過 200種，主要是磷酸化、糖基化、?；?、硝基化、磺基化、脂化、泛素化和水解修飾等。 ? 蛋白質(zhì)的翻譯后修飾使數(shù)量有限的編碼基因產(chǎn)生數(shù)量巨大的蛋白質(zhì)。 Posttranslational Modifications， PTM ? PTMs are found on all types of protein, from nuclear transcription factors to metabolic enzymes, structural proteins and plasmamembrane receptors. ? PTMs affect the physicochemical properties of proteins, which provides a mechanism for the dynamic regulation of molecular selfassembly and catalytic processes through the reversible molecular recognition of proteins, nucleic acids, metabolites, carbohydrates and phospholipids. General Characteristics ? Are 200 known types ? Present on at least 80% of eukaryotic proteins ? Found in all species ? Located at specific sequence motifs (sequons) ? Often transient ? Usually present at substoichiometric levels ? Often act together This schematic figure shows the location and role of a selection of some of the most important of more than 200 types of posttranslational modification (PTM). Phosphorylation cascades are involved in many signalling pathways Plasma membrane proteins can carry Nglycans The histone code controls many nuclear processes Nuclear and cytoplasmic proteins can carry Oglycans Various modification regulate microtubule function Plasma membrane proteins can be linked to the membrane by a GPI anchor Polyubiquitylation can induce protein degradation Ac, acetyl group。 GPI, glycosylphosphatidylinositol。 Me, methyl group。 P, phosphoryl group。 Ub, ubiquitin. 蛋白質(zhì)的糖基化是低聚糖以糖苷的形式與蛋白上特定的氨基酸殘基共價結(jié)合的過程。 Glycosylation： Carbohydrates added to basic protein structure Folded protein structure (schematic) 葡萄糖（ Glc） 甘露糖（ Man） 半乳糖（ Gal） N乙酰葡糖胺（ GlcNAC） 唾液酸，泛指的（ Sia） 泛素與泛素化 ? 以色列科學(xué)家阿龍 切哈諾沃 (Aaron Ciechanover, 1947) 、阿夫拉姆 赫什科（ Avram Hershko, 1937）和美國科學(xué)家歐文 羅斯（ Irwin Rose, 1926）因在“泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解”方面的出色研究而獲得 2022年諾貝爾化學(xué)獎。 ? 這三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種被稱為泛素的多肽在需要能量的蛋白質(zhì)降解過程中扮演著重要角色。這種多肽由 76個氨基酸組成，它最初是從小牛的胰臟中分離出來的。它就像標簽一樣，被貼上標簽的蛋白質(zhì)就會被運送到細胞內(nèi)的“垃圾處理廠”，在那里被降解。 泛素與泛素化 ? 泛素 : 泛素（ Ubiquitin）是由 76個氨基酸組成的高度保守的多肽鏈 ,因其廣泛分布于各類細胞而得名。 ? 泛素化 :泛素共價地結(jié)合于底物蛋白質(zhì)的賴