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1、分子生物学朱玉贤笔记第二章 染色体与DNA染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chromatin)的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位核小体(nucleosome)成串排列而成的。原核生物(prokaryote) ：DNA形成一系列的环状附着在非组蛋白上形成类核。染色体由DNA和蛋白质组成。蛋白质由非组蛋白和组蛋白（H1,H2A,H2B,H3,H4）DNA和组蛋白构成核小体。组蛋白的一般特性：P24进化上的保守性无组织特异性肽链氨基

2、酸分布的不对称性：碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。组蛋白的可修饰性:甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。 H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）(鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5)组蛋白的可修饰性 在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。2、DNA1) DNA的变性和复性

3、变性（Denaturation) DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。 增色效应(Hyperchromatic effect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应。融解温度（Melting temperature ，Tm ) 变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。 生理条件下为85-95影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲酰胺等复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。 减色效应（Hypochromatic effect) 随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。 2

4、) C值反常现象（C-value paradox) C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。 真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象”。 （四）核小体(nucleosome)：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核（H2A、H2B、H3、H4)*2的八聚体】构成的。 1、原核生物基因组结构特点 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon)多顺反子(polycistron)重叠基因由基因基因、部分重叠基因、一个碱基重叠组成。2、

5、真核生物基因组结构特点真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜单顺反子基因不连续性 断裂基因（interrupted gene）、含子(intron)、 外显子(exon)非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列 不重复序列/单一序列：在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等 功能：主要是编码蛋白质。 中度重复序列：在基因组中的拷贝数为101104。如：rRNA、tRNA 一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用 高度重复序列：拷贝数达到几百个到几百万个。卫星DNA：AT 含量很高的简单高度重复序列。1、

6、DNA的一级结构：指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序， DNA序列是这一概念的简称。碱基序列2）特征：双链反向平行配对而成脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在侧侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）。2、DNA 的二级结构：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。 2）分类：右手螺旋：A-DNA，B-DNA左手螺旋：Z-DNA3、DNA的高级结构：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。2）主要形式：超螺旋结构（正超螺旋和负超螺旋）（一）DNA的半保留复制（semi-nservative replication）1、定义：

7、由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。3、DNA半保留复制的生物学意义：DNA的半保留复制表明DNA在代上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。（二）与DNA复制有关的物质1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物4、引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。5、 DNA聚合酶:

8、以DNA为模板的DNA合成酶以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物反应需要有模板的指导反应需要有3 -OH存在DNA链的合成方向为5 3 性质 聚合酶聚合酶聚合酶3 5 外切活性+5 3 外切活性+- 5 3聚合活性+ 中+ 很低+ 很高新生链合成-+聚合酶主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。聚合酶修复紫外光引起的DNA损伤聚合酶 DNA 复制的主要聚合酶，还具有35外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性6、DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一条链有切口，一端是3-OH，另一端是5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。 但是它不

9、能将两条游离的DNA单链连接起来 DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用7、DNA 拓扑异构酶(DNA Topisomerase)：拓扑异构酶：使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同转录有关。例：大肠杆菌中的蛋白拓扑异构酶：该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。例：大肠杆菌中的DNA旋转酶8、DNA 解螺旋酶 /解链酶（DNA helicase)：通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。 E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。rep蛋白沿3 5移动，而解螺旋酶

10、I、II、III沿5 3移动。9、单链结合蛋白(SSBP-single-strand binding protein)：稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。（三）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）双链的解开 RNA引物的合成 DNA链的延伸 切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段1、双链的解开- ftju制有特定的起始位点，叫做复制原点。 ori(或o）、富含A、T的区段。从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉双链解开、复制起始P44大约20个DnaA蛋白在ATP的

11、作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链2、RNA引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成。引物长度约为几个至10个核苷酸，3、DNA链的延伸DNA的半不连续复制（semi-discontinuous replication)：DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；合成方向与复制叉移动的方向相

12、反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链。 在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成5 3 的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（复制终止）当复制叉遇到约22个碱基的重复性终止子序列（Ter）时，Ter-Tus蛋白复合物能使DnaB不再将DNA解链，阻挡复制叉继续前移。P47在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链（四）复制的几种主要方式 P421、双链环状、型复制、双向等速2、滚环型：（1）模板链和新合成

13、的链分开;（2）不需RNA引物，在正链3OH上延伸（3）只有一个复制叉;3、D环复制-单向复制的特殊方式如：动物线粒体DNA（五）真核生物中DNA的复制特点1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子（约150bp左右）；2、复制叉移动的速度较慢（约50bp秒），仅为原核生物的110。3、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制；真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。4、真核生物有多种DNA聚合酶。5、真核生物DNA复制过程中的引物及冈崎片段的长度均小于原核生物。（真核冈崎片段长约100-200bp，原核冈崎片段长约1000-2000bp。）（六）原核和真核生

14、物DNA的复制特点比较1复制起点（ori）：原核一个，真核多个；2复制子 ：原核一个，真核多个；3复制子长度：原核长；真核短；4复制叉：原核多个；真核多个；5复制移动速度：原核较快；真核较慢；6真核生物染色体在全部完成复制前，各起始点的DNA 复制不能再开始。而在 快速生长的原核生物中，复制起点上可以连续开始新的DNA复制。7原核生物染色体的复制与细胞分裂同步，可以多次复制；真核生物染色体的复制发生在S期，是细胞分类的特定时期，而且仅此一次。四、DNA的修复DNA修复系统功能错配修复恢复错配碱基切除修复切除突变的碱基核甘酸切除修复修复被破坏的DNADNA直接修复SOS系统修复嘧啶二体或甲基化D

15、NADNA的修复，导致变异1、错配修复 （mismatch repair）Dam甲基化酶使母链位于5GATC序列中腺甘酸甲基化甲基化紧随在DNA复制之后进行（几秒种后至几分钟）根据复制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基2、碱基切除修复 excision repair 所有细胞中都带有不同类型、能识别受损核苷酸位点的糖苷水解酶，它能特意切除受损核苷酸上的N-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。一些碱基在自发或诱变下会发生脱酰胺，然后改变配对性质，造成氨基转换突变*腺嘌呤变为次黄嘌呤与胞嘧啶配对*鸟嘌呤变为黄嘌呤与胞嘧啶配对*胞嘧啶变为尿嘧啶与腺嘌呤配对

16、3、核苷酸切除修复1）通过特异的核酸切酶识别损伤部位2）由酶的复合物在损伤的两边切除几个核苷酸3） DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链4）DNA连接酶将切口补平4 、DNA的直接修复在DNA光解酶的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和6-4光化物还原成为单体甲基转移酶使O6-甲基鸟嘌呤脱甲基生成鸟嘌呤，防止G-T配对SOS反应 (SOS response)：是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的 一种应急措施。*包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等。细胞癌变也与SOS反应有关。两个作用（1）DNA的修复；（2）产生变异五、

17、DNA的转座DNA的转座或叫移位（transposition)：由可移位因子(transposable element) 介导的遗传物质重排现象。转座子（transposon Tn）：存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。已经发现“转座”这一命名并不十分准确，因为在转座过程中，可移位因子的一个拷贝常常留在原来位置上，在新位点上出现的仅仅是它的拷贝。因此，转座有别于同源重组，它依赖于DNA复制。原核生物转座子的类型：1、插入序列(IS)IS是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。 2、复合转座子(composite transposon) 复合

18、转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列 3、TnA家族TnA家族没有IS序列、体积庞大 (5000bp以上)、带有3个基因，其中一个编码-酰胺酶(AmpR)，另两个则是转座作用所必须的。(三）转座作用的机制转座时发生的插入作用的普遍特征，是受体分子中有一段很短的(3l2bp)、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。对于一个特定的转座子来说，它所复制的靶序列长度是一样的，如IS1两翼总有9个碱基对的靶序列，而Tn3两端总有5bp的靶序列。靶序列的复制可能起源于特定切酶所造成的黏性DNA末端。（三）转座作用

19、的遗传学效应 p63（1）转座引起插入突变（2）转座产生新的基因（3）转座产生的染色体畸变（4）转座引起的 生物进化反转录转座子（retrotransposon）：指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。第三章 生物信息的传递（上） 从DNA到RNA转录(transcription) ：生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。参与转录的物质原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板:DNA酶: RNA聚合酶其他蛋白质因子RNA合成方向：5 到 3转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA的二条链中仅有一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性。与mRNA序列相

20、同的那条DNA链称为编码链；将另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成的DNA链称为模板链。DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因。转录单元（transcription unit）一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列。二、参与转录起始的关键酶与元件（一） RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶（大肠杆菌为例）-全酶=核心酶+ 因子亚基基因相对分子量亚基数组分功能rpoA365002核心酶核心酶组装，启动子识别rpoB1510001核心酶和共同形成RNA合成的活性中心rpoC1550001核心酶？11000（需查）1核心酶？rpoD700001因子存在多种因子，用于识别不同的启动子真核细胞的三

21、种RNA聚合酶特征比较酶位置转录产物相对活性对-鹅膏蕈碱的敏感性RNA聚合酶核仁rRNA50-70%不敏感RNA聚合酶核质hnRNA20-40%敏感RNA聚合酶核质tRNA约10%存在物种特异性RNA聚合酶与DNA聚合酶的区别RNA聚合酶DNA聚合酶大小(M)大，4.8105dol小，1.09105dol引物无有产物较短，游离较长，与模板以氢键相连作用方式一条链的某一段两条链同时进行外切酶活性无5 3，3 5校对合成能力无有修复能力无有（二） 启动子(promoter)启动子定义：指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 TATA区：酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链

22、打开） TTGACA区：提供了RNA聚合酶全酶识别的信号 转录起点-与新生RNA链第一个核甘酸相对应DNA链上的碱基。真核生物启动子的结构核心启动子（core promoter）定义：指保证RNA聚合酶转录正常起始所必需的、最少的DNA序列，包括转录起始位点及转录起始位点上游TATA区作用：选择正确的转录起始位点，保证精确起始2、上游启动子元件包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等作用：控制转录起始频率。（三） 转录起始复合物-二元闭合复合物、二元开链复合物、三元复合物。（原核）三、转录的基本过程1、起始位点的识别：RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程。 R

23、NA聚合酶全酶( 2 )与模板结合 2、转录起始RNA聚合酶全酶( 2 )与模板结合DNA双链解开在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物 5 -pppG -OH + NTP 5 -pppGpN - OH 3 + ppi转录起始复合物: RNApol ( 2 ) - DNA - pppGpN- OH 3 3、RNA链的延伸 亚基脱落，RNApol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。注意：9个核苷酸以前还在启动子区，容易脱落，一旦形成9个以上的核苷酸并离开启动子区，转录正式进入眼神阶段。4、转录终止 终止子（t

24、erminator）：位于基因的末端，在转录终止点之前有一段回文序列（反向重复序列）约6-20bp。 真核生物终止: 由一段特定序列5AATAAA3和回文序列（反向重复序列）组成。 分为两类： 强终止子部终止子：不依赖Rho ()因子的终止。 弱终止子 需要因子（rho factor），又称为依赖性终止子（ Rho-dependent terminator）不依赖 因子的终止当RNA链延伸到转录终止位点时，RNA聚合酶不再形成新的磷酸二酯键，RNA-DNA杂合物分离，转录泡瓦解，DNA恢复成双链状态，而RNA聚合酶和RNA链都被从模板上释放出来，这就是转录的终止。终止位点上游一般存在一个富含G

25、C碱基的二重对称区，RNA形成发夹结构；在终止位点前面有一段由4-8个A组成的序列，RNA的3端为寡聚U发夹式结构和寡聚U的共同作用使RNA从三元复合物中解离出来。依赖 因子的终止 因子：六聚体蛋白、水解各种核甘三磷酸促使新生RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。（二）、真核生物的转录过程1. 转录起始真核生物的转录起始上游区段比原核生物多样化，转录起始时，RNA-pol不直接结合模板，其起始过程比原核生物复杂。（1）. 转录起始前的上游区段 顺式作用元件(cis-acting element)：影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。 例： 启动子、增强子、弱化子等增强子：在启动

26、区存在的能增强或促进转录的起始的DNA序列。但不是启动子的一部分。特点：1.远距离效应；2.无方向性；3.顺式调节；4.无物种和基因的特异性；5.具有组织特异性；6.有相位性；7.有的增强子可以对外部信号产生反应。（2）. 转录因子：能直接、间接辨认和结合转录上游区段DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为反式作用因子(trans-acting factors)。 反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子(transcriptional factors, TF)。 参与RNA-pol转录的TF -TFD、 TFA、TFB、TFF、TFE、TFH（3）转录起始前复合物(pre-

27、initiation complex, PIC) 真核生物RNA-pol不与DNA分子直接结合，而需依靠众多的转录因子。 （4）模板理论(piecing theory) 一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子。转录因子之间互相结合，生成有活性、有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结合、转录相应的基因。 2. 转录延伸真核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的现象。 RNA-pol前移处处都遇上核小体。 转录延长过程中可以观察到核小体移位和解聚现象。 3. 转录终止 和转录后修饰密切相关。四、转录后加工5端加帽、3端加尾、RNA的剪接、RNA的

28、编辑1、在5端加帽 5端的一个核苷酸总是7-甲基鸟核苷三磷酸（m7Gppp）。mRNA5端的这种结构称为帽子（cap）。帽子结构功能： 能被核糖体小亚基识别，促使mRNA和核糖体的结合； m7Gppp结构能有效地封闭mRNA 5末端，以保护mRNA免受5核酸外切酶的降解，增强mRNA的稳定。2、3端加尾-多聚腺苷酸尾巴-AAUAAA：准确切割。加poly（A）多聚腺苷酸尾巴功能：提高了mRNA在细胞质中的稳定性。3、RNA的剪接生物体含子的主要类型：U-AG、AU-AC、类含子、类含子类含子参与RNA剪接的物质： snRNA（核小分子RNA）、snRNP（与snRNA结合的核蛋白） 、核RNA

29、（U1、U2、 U4、U5、U6）4、RNA的编辑*编辑（editing）是指转录后的RNA在编码区发生碱基的突变、加入或丢失等现象。五、原核生物与真核生物mRNA的特征比较1、原核生物mRNA的特征 半衰期短 多以多顺反子的形式存在 单顺反子mRNA：只编码一个蛋白质的mRNA。多顺反子mRNA：编码多个蛋白质的mRNA。Z： -半乳糖苷酶Y： 透过酶A：乙酰基转移酶ZYA为结构基因 5 端无“帽子”结构， 3 端没有或只有较短的poly（A ）结构。 SD序列：原核生物起始密码子AUG上游7-12个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区。mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。P85 2、真核生物mRNA的特征“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核甘酸序列。 5 端存在“帽子”结构多数mRNA 3 端具有poly（A ）尾巴（组蛋白除外）以单顺反子的形式存在六、RNA合成与DNA合成异同点相同点：1、都以DNA链作为模板2、合成的方向均为53 3、聚合反应均是通过核苷酸之间形成的3,5-磷酸二酯键，使核苷酸链延长。不同点：复制转录模板两条链均复制模板链转录（不对称转录）原料dNTPNTP酶DNA聚合酶RNA聚合酶产物子代双链