第16章 遗传的分子基础.docx

1、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 R、R光滑型(S) 有荚膜、光滑菌落、有毒 S、S、S Griffith(1928)：

2、肺炎双球菌转化试验： R 小鼠成活 S 小鼠死亡 S 65杀死 小鼠成活 R+ S(65) 小鼠死亡 重现S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：S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：R细菌发生了突变。但是R只能突变成S，而不能突变成S。 第三种可能：R细菌被S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

3、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 TMV RNA 烟草 发病，分离到新的

4、TMV TMV RNA + RNA酶 烟草 不发病2）重组TMV的感染A=SB=HRRNA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。

5、B-DNA：右手螺旋，大小沟，10.4 nt/圈，生理状态DNA。Z-DNA：左手螺旋，单沟，12 nt/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

6、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“Johns brown dog ran away from home”，传到最后就可能变成“JoeBrown has a pig living under his porch”。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

7、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53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

8、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

9、起点，而真核生物有多个复制起点。1）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（）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 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。

10、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

11、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）

12、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

13、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： Pol起始核DNA的复制 Pol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。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聚合酶复合物（引发酶）又包含2个DNA聚合酶的复合物，这两个DNA聚合酶复合物以大肠杆菌复制体中DNA聚合酶的相同方式运转，一个合成先导

14、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DNA pol 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

15、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、

16、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个亚基、1个亚基、1个亚基和1个亚基。这种形式称为全酶。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 (consensus sequence)-35区：TTGACA (识别序列)-10区：TATAAT (酶结合区：Pribnow box) 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，解离后，核心酶与-30区接触，随后可以沿着DNA链移动，进行

17、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。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

18、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(

19、RNA聚合酶、)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

20、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（T

21、BP）。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聚合酶需要类似于因子的终止因子来终止转录，与因子不同的是，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聚合酶通过转录出一串U残基来终止转录，类似于不依赖的终止机制，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

22、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（RNA splicing

23、）：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

24、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：类内含子和类内含子。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，内含子中有中部核心结构和内部引导序列。类内含子的二级结构包含个环状的茎

25、。类内含子的二级结构类内含子的剪接过程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GUGCGYNAG，符合GUAG法则。其二级结构具有个茎环结构。 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3CCA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

26、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18S rRNA、28S rRNA和5.8S rRNA，另一种编码5S rRNA。原核生物只有一种rRNA基因，编码23S rRNA、16S rRNA和5S rRNA。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

27、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。141=4种：缺16种氨基酸；242=16种：比现存的20种氨基酸还缺4种；343=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

28、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