第16章 遗传的分子基础.docx
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第16章遗传的分子基础
第十六章遗传的分子基础
重点:
DNA作为主要遗传物质的直
接证据,DNA的复制、RNA的
转录和加工、蛋白质的翻译。
难点:
DNA的复制、RNA的转录和
加工。
第一节遗传物质是DNA(RNA)
一、遗传物质
二、DNA是遗传物质的证据
一、遗传物质
遗传物质:
亲代与子代之间传递遗传信
息的物质。
遗传物质的基本特性:
必须含有丰富的信息;
必须能精确复制;
必须能决定表型。
二、DNA是遗传物质的证据
1.细菌的转化实验:
肺炎双球菌特征抗原型(稳定)
粗糙型(R)无荚膜、粗糙菌落、无毒RⅠ、RⅡ
光滑型(S)有荚膜、光滑菌落、有毒SⅠ、SⅡ、SⅢ
Griffith(1928):
肺炎双球菌转化试验:
RⅡ小鼠成活
SⅢ小鼠死亡
SⅢ65℃杀死小鼠成活
RⅡ+SⅢ(65℃)小鼠死亡重现SⅢ型
Griffith的肺炎双球菌转化试验
讨论:
Griffith的结果该如何解释?
●第一种可能:
SⅢ细菌并未全部被杀死,
●活下来的细菌注射到小鼠体内后可以繁殖并造成小鼠的死亡。
●第二种可能:
RⅡ细菌发生了突变。
但是RⅡ只能突变成SⅡ,而不能突变成SⅢ。
●第三种可能:
RⅡ细菌被SⅢ细菌转化了。
Question:
转化物质的化学本质是什么?
由于Griffith没有做单因子转化实验,所以当时还不知道转化物质的化学本质。
直到1944年,微生物学家Avery用生化方法对S型细菌提取液的所有成分分离后,进行了单因子转化实验,证明遗传物质是DNA,而不是多糖荚膜、蛋白质或RNA。
Avery的单因子转化实验
2.噬菌体的侵染实验
1952年,Hershey-Chase的实验
同位素:
32P-DNA*
35S-蛋白质*
头部(蛋白质和DNA)
尾部(蛋白质)
图T2噬菌体的结构
Question:
噬菌体的哪个部分(DNA或蛋白质)作为遗传物质并传递给子代噬菌体?
结论:
在噬菌体繁殖过程中,DNA而不是蛋白质进入细菌细胞,而且只有DNA传递给子代噬菌体。
3.烟草花叶病毒(TMV)的重建实验
1)TMV的蛋白质外壳和单链RNA接种:
TMV蛋白质烟草不发病,分离不到TMV颗粒
TMVRNA烟草发病,分离到新的TMV
TMVRNA+RNA酶烟草不发病
2)重组TMV的感染
A=S
B=HR
RNA决定:
a.TMV的毒性b.子代TMV的RNA和蛋白质
幻灯片14
第二节DNA的分子结构
一、DNA的一级结构
二、DNA的二级结构
三、DNA的三级结构
一、DNA的一级结构
一级结构:
核苷酸在DNA分子中的排列顺
序。
戊糖+碱基=核苷
核苷+磷酸=核苷酸
磷酸二酯键
核酸
核苷酸含有核糖(RNA)或脱氧核糖(DNA)。
核糖
脱氧核糖
核苷酸含有嘌呤或嘧啶。
DNA核苷酸有如下四种类型。
二、DNA的二级结构
DNA二级结构:
双螺旋结构。
A-DNA:
右手螺旋,大小沟,11nt/圈,高盐,DNA-RNA,
RNA-RNA。
B-DNA:
右手螺旋,大小沟,10.4nt/圈,生理状态DNA。
Z-DNA:
左手螺旋,单沟,12nt/圈。
可能与基因转录有关。
三、DNA的三级结构
DNA的三级结构:
超螺旋结构。
超螺旋是DNA双螺旋的螺旋轴盘绕而形成的螺旋。
生物体中绝大多数DNA以超螺旋的形式存在。
超螺旋具有方向性,可分为正超螺旋和负超螺旋。
双螺旋DNA松开导致形成负超螺旋,而DNA的旋紧则导致形成正超螺旋。
DNA复制和转录等过程都涉及超螺旋的变化。
第三节DNA的复制
一、复制的核心问题
二、复制的基本原则
三、DNA的半保留复制
四、原核生物DNA复制
五、真核生物DNA复制
一、复制的核心问题
有这样一个儿童游戏:
第一个小孩先把一句话悄悄传给第二个小孩,第二个小孩把听到的再悄悄传给下一个小孩。
这句话一直传下去,直到传回到第一个小孩那里。
如果这句话是“John’sbrowndogranawayfromhome”,传到最后就可能变成“Joe
Brownhasapiglivingunderhisporch”。
参与这个游戏的小孩越多,这句话的信息到最后改变得越厉害。
这个游戏说明信息在复制时很容易产生错误,复制次数越多,产生的错误就会越多。
复杂的多细胞生物面临着类似的问题:
如何让遗传信息在细胞分裂时真实地传递下去?
这是复制的核心问题。
除此之外,复制时还要保证非常快的速度。
也就是说,如何来保证DNA复制的精确度和快速?
二、复制的基本规则
DNA复制是半保留的;
复制起始出现在称为原点(Origin)的特定序列上;
复制叉(Fork)的移动是单向或双向;
链的延伸方向是5’→3’方向;
大多数情况下DNA复制是半不连续的;在存在模板的条件下,DNA聚合酶以短的RNA片段作为引物开始合成DNA的短片段;
终止也是在复制过程中的某个固定点。
三、DNA的半保留复制
1、三种复制模型
1958年,Meselson和Stahl为了确定大肠杆菌采取的是哪一种复制模型,用同位素14N和15N来区分老链和新链。
他们先将大肠杆菌培养在15N作为唯一氮源的培养基上,培养几代之后,DNA的嘌呤和嘧啶碱基携带了15N。
接着将标记了15N的细菌细胞一部分用14N作为唯一氮源的培养基进行培养,另一部分接着培养在15N作为唯一氮源的培养基上。
最后用密度梯度离心的方法区分14N标记的DNA(轻链)和15N标记的DNA(重链)。
结论:
DNA复制是半保留复制:
每一条DNA链都是新的DNA合成的模板。
自从Meselson和Stahl发现大肠杆菌DNA是半保留复制之后,研究者发现其它生物也是采取这种机制。
2、复制的方式
半保留复制又因模板DNA的不同和复制叉的数量不同而有几种不同的复制方式。
复制子:
是指单个的复制单元。
复制起点:
DNA复制的开始位点称为复制起点,每个复制子都有一个复制起点。
原核生物的染色体只有一个复制起点,而真核生物有多个复制起点。
1)θ复制
是环状DNA的复制方式,因为复制时产生的结构像希腊字母(θ)而得名。
2)滚环复制
是一些病毒和F因子的复制方式。
3)线状DNA的复制(多个复制起点)
一轮复制后形成的DNA分子数
θ复制:
形成两个环状DNA分子;
滚环复制:
形成一个环状DNA分子和一个可成环的线状DNA分子;
多复制起点复制:
形成两个线状DNA分子。
3、复制的条件
复制所需条件主要包括以下三点:
1)模板:
单链DNA。
2)底物:
脱氧核苷三磷酸。
3)酶和其它蛋白质:
参与识别模板和复制。
4、复制的方向
DNA聚合酶只能将核苷酸添加到合成的DNA链的3’端,所以DNA复制的方向是从5’端向3’端。
因为DNA双链中的两条单链DNA模板是反向平行的,而子链的延伸方向总是5’向3’,如果其中一条模板链是从左向右复制,则另一条模板链应该是从右向左复制,那么在复制叉处的两条链是如何同时复制的?
两条DNA模板链同时复制但是方向相反。
前导链和后随链的复制
前导链:
连续复制形成的新链。
其复制起始于复制起点。
后随链:
不连续复制形成的新链。
每一次的复制都开始于复制叉。
因为每次DNA仅解开一小段,所以解开的模板很快被用完。
接着DNA继续解旋,DNA必须在新的复制叉处重新起始复制,复制方向与复制叉移动方向相反,直到碰到之前合成的DNA片段才停止复制。
此过程不断重复,合成一个个不连续的冈崎片段。
小结:
各种复制方式的DNA合成方向
滞后链的DNA合成不连续,与解旋方向相反;
前导链的DNA合成连续,与解旋方向相同。
从断裂链的3’端起始的DNA的合成是连续的,随着DNA的解旋,逐渐取代外面的这条链。
(c)线状DNA的复制
滞后链的DNA合成不连续,与解旋方向相反;
前导链的DNA合成连续,与解旋方向相同。
四、原核生物DNA复制
1、原核生物DNA复制过程
复制可以分为起始、解旋、延伸和终止四个阶段。
1)起始:
原核生物只有一个复制起点(oriC),oriC至少需要含有245个碱基对才能发挥功能。
起始蛋白结合到oriC,并造成一个小的DNA片段解旋。
解旋后的单链DNA为解旋酶和一些单链结合蛋白提供了结合位点。
2)解旋
因为DNA合成需要单链作为模板,所以DNA合成前DNA双螺旋必须解旋。
DNA解旋需要解旋酶、单链结合蛋白和旋转酶这3种酶的参与。
解旋酶和单链结合蛋白的作用
3)延伸
DNA解旋后,一小段RNA引物与模板结合,DNA聚合酶才开始链的延伸。
所有的DNA聚合酶都需要有一个含有3’羟基的核苷酸才能开始新链的合成。
引物酶(primase)能合成短片段的RNA引物(primers)来起始DNA的复制。
前导链上只有一个引物,而后随链上的每个冈崎片段的前端都有一个引物。
这些引物最后会被切除并被DNA链取代。
DNA聚合酶的种类
后随链必须成环才能保证两条链同时合成。
4)复制的终止:
有些DNA分子在复制叉相遇时自然终止,另外一些DNA需要特定的终止序列阻止进一步的复制。
E.coli的终止蛋白称为Tus,能与终止序列结合,阻止解旋酶的移动,从而终止复制。
五、真核生物DNA复制
●真核生物DNA复制
●真核生物与原核生物复制的大的差异在于DNA聚合酶的数量和功能。
真核生物中与复制有关的DNA聚合酶有以下两种:
●Polα-起始核DNA的复制
●Polδ-负责核DNA的前导链和后随链
●的合成
主要的复制酶是DNA聚合酶δ。
有关真核生物复制体的模型认为:
在一个复制叉上既包含一个DNA聚合酶α复合物(引发酶)又包含2个DNA聚合酶δ的复合物,这两个DNA聚合酶δ复合物以大肠杆菌复制体中DNA聚合酶Ⅲ的相同方式运转,一个合成先导链,另一个合成随后链上的岗崎片段。
真核生物DNA复制的特点:
1)DNA复制时,同时有很多复制起点;
2)真核生物DNA链延伸速度比原核生物慢,因为DNApol活性低和核小体结构的影响。
但多个起始部位、双向复制、多个复制子,总速度仍很快。
3)在染色体全部复制完成之前,不可能由起点再开始复制。
4)合成新的组蛋白、装配新的核小体,但组蛋白八聚体是以全保守分离的方式传给子代分子的。
老的组蛋白八聚体结合在复制叉的先导链的模板DNA上,
新的组蛋白八聚体结合在复制叉的随后链的模板链上。
5)真核生物染色体末端DNA的复制是在特定的端粒酶的作用下完成的。
第四节RNA的转录及加工
一、转录
二、原核生物RNA的合成
三、真核生物RNA的合成
四、RNA的加工
一、转录
转录:
以DNA为模板,通过RNA聚合酶
合成RNA的过程称为转录。
有义链(+):
又称非模板链(即基因序
列)或编码链,对应密码子
反义链(-):
模板链
转录单元:
指的是被转录成单条RNA的
DNA序列,起于启动子,止于终止子。
一个转录单元包括启动子、RNA编码区和终止子。
RNA合成的底物是核糖核苷酸,转录的方向是5’向3’。
RNA的合成不需要引物。
转录发生在一个泡状区域内,在此区域内DNA短暂解旋,通过碱基配对的方式合成RNA。
泡状区域向前推进时,DNA双螺旋在其后重新形成,取代单链RNA。
二、原核生物RNA的合成
原核生物中转录可分为起始、延伸和终止三个阶段。
原核生物的RNA聚合酶是由多个多肽亚基组成的单一酶。
在大肠杆菌中,RNA聚合酶含有5个亚基:
2个α亚基、1个β亚基、1个β’亚基和1个σ亚基。
这种形式称为全酶。
σ亚基从全酶解离下来后,全酶变成核心酶。
全酶和核心酶在转录中起不同作用。
1、起始:
启动子:
RNA聚合酶起始转录时所结合的
DNA区域称为启动子。
共有序列(consensussequence)
-35区:
TTGACA(识别序列)
-10区:
TATAAT(酶结合区:
Pribnowbox)
σ亚基负责识别并结合启动子的-35区域。
RNA聚合酶最初覆盖-55至+20区域,σ解离后,核心酶与-30区接触,随后可以沿着DNA链移动,进行RNA的转录。
全酶结合在启动子上后,启动子最初形成封闭的启动子复合物,此时的启动子DNA仍然是双螺旋结构。
随后,-10区(富含弱的AT碱基对)的双螺旋部分解旋,形成开放的启动子复合物。
σ亚基接着从开放的启动子复合物上解离下来,使全酶变成核心酶。
同时头两个核糖核苷酸结合到DNA上,形成第一个磷酸二酯键,从而起始转录。
2、延伸
RNA聚合酶沿着DNA分子移动,造成双螺旋的溶解和解旋。
在此过程中,RNA聚合酶将核糖核苷酸添加到RNA分子的3’端。
3、终止
转录终止于编码序列末端之后的特定位点。
在大肠杆菌中,终止发生在回文序列处。
回文序列呈现中间对称的特点,两边序列能准确互补。
单链RNA上的回文序列常会形成发卡结构,这种结构看起来像是转录终止的信号。
1)Rho-不依赖终止子
有时DNA序列之后跟着一串5-10个A残基,与新合成的RNA形成弱的AU碱基对。
RNA聚合酶正好在茎环结构之后停止,同时弱的AU碱基对的断裂造成转录物从模板上掉下来。
2)Rho-依赖终止子
有时不存在一串A残基,当聚合酶在茎环结构后停止时,需要Rho蛋白的结合来破坏模板和转录物之间的碱基对。
当转录物从核心酶上释放后,核心酶又重新与σ亚基结合,开始下一轮的转录。
二、真核生物RNA的合成
真核生物的转录和原核生物的转录很相似,都包括起始、延伸和终止三个阶段。
不过,起始更为复杂,终止机制也不一样,而且转录是由三种RNA聚合酶(RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)来完成的。
这三种聚合酶转录不同的基因,识别的启动子也不一样。
1、起始
由于真核生物的DNA有组蛋白包裹,不利于RNA聚合酶和其它辅助因子与DNA的直接接触。
所以在转录起始前,染色质的结构要进行修饰,变成更加开放的构像,转录相关的蛋白质才能结合上来。
参与染色质修饰的蛋白质有如下几种:
一种是修饰组蛋白的酶如乙酰基转移酶,另外一种称为染色质重构蛋白,可以取代与启动子或其它重要的转录区相结合的核小体。
真核生物的转录起始更为复杂,这体现在起始序列的多样性和与起始序列结合的蛋白质的多样性。
真核生物的起始序列主要分为两种:
启动子和增强子。
启动子与基因相邻,位于转录起点上游;增强子可以与基因相距很远,并且相对转录起点的位置不固定。
在真核细胞中,启动子的识别是通过与启动子结合的辅助蛋白来完成,这些蛋白可以招募RNA聚合酶到启动子上。
一类辅助蛋白称为通用转录因子,其作用是与RNA聚合酶结合构成基础转录装置,起始最低水平的转录。
另一类辅助蛋白称为转录激活蛋白,可结合到特定的DNA序列上。
其作用是促进转录起始位点基础转录装置的装配,从而提高转录水平。
基础转录装置的装配
通用转录因子包括TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH,其中TFII代表RNA聚合酶Ⅱ的转录因子。
TFIID是定位启动子的转录因子,由9种多肽构成,其中一种是TATA结合蛋白(TBP)。
TFIID结合到TATA序列上后,RNA聚合酶、其它的转录因子以及中介蛋白预先组装成的全酶再与TFIID结合,形成基础转录装置。
2、终止
真核生物的三种RNA聚合酶的终止机制不同。
RNA聚合酶Ⅰ需要类似于ρ因子的终止因子来终止转录,与ρ因子不同的是,这种终止因子并不与新转录的RNA结合,而是与终止位点下游的DNA序列结合。
RNA聚合酶Ⅲ通过转录出一串U残基来终止转录,类似于不依赖ρ的终止机制,不同的是在U残基前面没有茎环结构。
RNA聚合酶Ⅱ转录的终止伴随着前体mRNA的3’端的剪切。
当剪切序列转录出来后,剪切复合物就可终止转录。
四、RNA的加工
1、前体mRNA的加工
原核生物的转录和翻译是耦联的,所以原核生物的mRNA是不经修饰的。
真核生物的转录和翻译在时间和空间上都不同:
转录在细胞核中进行,而翻译在细胞质中进行,这就为真核生物的前体mRNA提供了修饰的机会。
这些修饰主要针对前体mRNA的5’端、3’端和蛋白质编码区域。
1)5’端加帽
转录起始不久,7-甲基鸟嘌呤就添加到前体mRNA的5’端。
添加过程为首先将5’端去掉一个磷酸,接着鸟苷转移酶将鸟苷酸添加到5’端,形成5’-5’磷酸二酯键,然后在5’鸟苷酸的7位氮原子加上甲基。
2)3’端加尾
RNA聚合酶Ⅱ转录出编码序列后还要向前转录一段序列,这段序列接着会被切除,然后再加上一段多聚A的尾巴。
3)RNA的剪接
RNA剪接(RNAsplicing):
从DNA模板链转录出的前体mRNA中除去内含子,并将外显子连接起来形成一个连续的RNA分子的过程。
A)保守序列和剪接体
内含子含有与剪接相关的三种序列:
5’剪接位点、3’剪接位点和分支位点。
3’保守序列
5’保守序列
剪接发生在剪接体中。
剪接体由几种小的核RNA分子(snRNA)和多种蛋白质构成。
一条snRNA与多种蛋白质结合形成一个小的核糖核蛋白颗粒(snRNP)。
剪接体由五种snRNP(称为U1、U2、U4、U5和U6)和一些位于snRNA结合的蛋白质组成。
B)核基因前体mRNA剪接的过程
核基因的前体mRNA的剪接发生在剪接体中。
其剪接分两步进行:
第一步在5’剪接位点剪接,内含子的5’端与分支位点相连,形成一个套索状结构。
第二步在3’剪接位点剪接,同时外显子1的3’与外显子2的5’共价连接。
U1:
与内含子的5’剪接位点结合;
U2:
与分支位点结合,使内含子的5’端靠近分支位点。
U4:
引导U5和U6靠近
套索状内含子。
U2和U6维持内含子的5’端与分支位点的结合。
U5:
拉拢两个相邻的外显子,完成剪接。
C)自剪接的内含子
还有一些内含子可以完成自身的剪接,称为自剪接内含子。
这些内含子可以分为两大类:
Ⅰ类内含子和Ⅱ类内含子。
Ⅰ类内含子存在于原生生物的rRNA基因、真菌的线粒体基因和植物的叶绿体基因的前体RNA当中。
其结构特点为边界序列为5’U…G3’,内含子中有中部核心结构和内部引导序列。
Ⅰ类内含子的二级结构包含9个环状的茎。
Ⅰ类内含子的二级结构
Ⅰ类内含子的剪接过程
Ⅱ类内含子主要分布在线粒体基因和tDNA的前体RNA当中。
其结构特点为边界序列为5’GUGCG…YNAG3’,符合GU-AG法则。
其二级结构具有6个茎环结构。
Ⅱ类内含子的剪接过程
2、tRNA的加工
tRNA基因常常成簇存在。
大肠杆菌的某些tRNA基因是单拷贝的,还有些是多拷贝的。
而真核生物的每一个tRNA基因都有多个拷贝。
大肠杆菌的几个tRNA一起转录成一个大的前体tRNA,然后再剪切成单个的tRNA。
大肠杆菌的前体tRNA的剪接包括5’和3’端核苷酸的切除(修剪)、碱基的修饰和碱基的添加(如3’CCA的添加)。
真核生物的tRNA的加工与原核生物的类似,只是一些真核tRNA含有内含子。
其内含子往往位于反密码子的3’端附近。
tRNA的剪接过程为:
内切核酸酶切割内含子的两端,释放出线状的内含子。
然后两个tRNA片段连接起来。
tRNA的剪接
3、rRNA的
1)原核生物和真核生物核糖体的成分
2)原核和真核rRNA基因的分布
在细菌当中,rRNA基因分散在基因组中。
而真核生物的rRNA基因成簇存在。
真核生物有两种rRNA基因,一种编码18SrRNA、28SrRNA和5.8SrRNA,另一种编码5SrRNA。
原核生物只有一种rRNA基因,编码23SrRNA、16SrRNA和5SrRNA。
3)原核和真核rRNA基因的加工
第五节遗传密码和蛋白质的翻译
一、遗传密码
二、蛋白质的合成
三、中心法则及其发展
一、遗传密码
密码子与氨基酸
DNA分子碱基只有4种,而蛋白质氨基酸有20种。
碱基与氨基酸之间不可能一一对应。
1.41=4种:
缺16种氨基酸;
2.42=16种:
比现存的20种氨基酸还缺4种;
3.43=64种:
由三个碱基一起组成的密码子能够形成64种组合,20种氨基酸多出44种。
简并:
一个氨基酸由二个或二个以上的
三联体密码所决定的现象。
三联体或密码子:
代表一个氨基酸的三
个一组的核苷酸。
遗传密码字典
从1961年开始,在大量试验的基础上,分别利用64个已知三联体密码,找到了相对应的氨基酸。
遗传密码的基本特征:
遗传密码为三联体:
三个碱基决定一种氨基酸;
61个为有意密码,起始密码为GUG、AUG(甲硫氨酸);
3个为无意密码,UAA、UAG、UGA为蛋白质合成终止信号。
遗传密码间不能重复:
在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子;均以3个一组形成氨基酸密码。
简并性:
色氨酸(UGG)和甲硫氨酸(AUG)例外,仅一个三联体密码;其余氨基酸都有一种以上的密码子。
遗传密码的有序性:
决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子中,第1个和第2个碱基的重要性大于第3个碱基,往往只是最后一个碱基发生变化。
例如:
脯氨酸(pro):
CCU、CCA、CCC、CCG。
二、蛋白质的合成
翻译发生在核糖体当中。
蛋白质的合成可以分为如下四步:
1)tRNA负载氨基酸
2)起始
3)延伸
4)终止
氨基酸结合到tRNA上
细菌的翻译起始
真核生物的翻译起始
延伸
翻译的终止
三、中心法则及其发展
中心法则:
从噬菌体到真核生物的整个
生物界共同遵循的规律。
遗传信息从DNA到mRNA到蛋白质的转录和翻译,以及遗传信息从DNA到DNA的复制过程。
中心法则的发展:
复制