密码遗传.docx

1、密码遗传8.2 染色体遗传学说（一）中心法则 基因是能够自我复制，永远保存的单位，它的生理功能是以蛋白质的形式表达出来的。所以DNA核苷酸序列是遗传信息的储存者，它通过自主复制得以永存，通过转录生成信使RNA，进而翻译成蛋白质的过程来控制生命现象，即贮存在核酸中的遗传信息通过转录，翻译成为蛋白质，体现为丰富多彩的生物界，这就是生物学中的中心法则(central dogma)。该法则表明信息流的方向是有DNARNA蛋白质。在该信息流中，RNA病毒及某些动物细胞可以RNA为模板复制出RNA，然后再由RNA直接合成出蛋白质；同时某些病毒，某些癌细胞及动物胚胎细胞可以由RNA转录出DNA，即发生反转录

2、(reverse transcription)。 图8-3-7 遗传信息流 由中心法则可知DNA（基因）控制着蛋白质的合成。蛋白质的生物合成比DNA复制复杂，该过程包括转录、翻译、蛋白质合成因子和其他条件。 （二）遗传密码 DNA的核苷酸序列是遗传信息的贮存形式，通过转录的方式合成信使RNA。通常把与mRNA序列互补的那条DNA链称为编码链(coding strand)或有意义链，另一条不被转录只能通过碱基互补合成新的DNA，称为反义链(anticoding strand)或无意义链。只有mRNA携带的遗传信息才被用于指导蛋白质的生物合成，即决定蛋白质中氨基酸排列顺序。故一般用U、C、A、G四

3、种核苷酸不用T、C、A、G的组合来表示遗传信息。 由上述可知DNA的编码链核苷酸序列决定mRNA中的核苷酸序列，rnRNA的核苷酸序列又决定着蛋白质中的氨基酸序列。实验证明mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质链上的一个氨基酸，把这3个核苷酸称作遗传密码，也叫三联体密码。 1 遗传密码的提出 1954年物理学家George Gamow研究组成蛋白质的20种氨基酸核rnRNA4个核苷酸之间的关系，即四种不同的核苷酸如何为20种氨基酸编码？如果3种核苷酸为一个氨基酸编码，可组合为：64种氨基酸，满足20种氨基酸的编码还有剩余，于是就把3个核苷酸组合在一起的方式称为三联体密码。 2 遗传密码的破译 遗传

4、密码的破译就是确定每种氨基酸的具体密码。详见 通用遗传密码及相应的氨基酸表格。 图8-3-8 遗传密码表 3 遗传密码的性质（1） 密码的简并性：64种密码决定20种氨基酸，必然同一个氨基酸有多个密码。把由一种以上密码编码同一种氨基酸的现象称为简并性(degeneracy)，对应于同一氨基酸的密码称为同义密码(synonymous codon)。（2） 密码的普遍性与特殊性：遗传密码不论在体外还是在体内，对绝大多数病毒、原核生物、真菌、植物和动物都是适用的。科学家在比较了大量的核酸和蛋白质序列后发现，密码具有普遍性。据现有生物资料，只有极个别的例外。在蛋白质生物合成过程中，tRNA的反密码子在

5、核糖体蛋白体内是通过碱基的反向（互补）配对的rnRNA的密码相互作用。1966年Crick根据立体化学原理提出了摆动假说，解释了反密码中的某些稀有碱基成分的配对，以及许多氨基酸有2个以上密码问题。据摆动学说，在密码与反密码配对中，前两对碱基严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以“摆动”，因而使某些tRNA可以识别1个以上的密码，究竟能识别多少个密码是由反密码的第一个碱基的性质决定的。第一位碱基为A或C者，只能识别1种密码；第一位碱基为G或U者可以识别两种密码；第一位碱基为 I 者可识别三种密码。对于某些个别密码，反密码的第一个碱基可识别4种密码，表明3对碱基中的第三位使无关紧要的

6、，这就是所谓的“三中配二”原则。（3） 密码无逗号及不重叠性：密码与密码之间没有逗号，即密码与密码间没有任何不编码的核苷酸。翻译从起始密码开始然后按连续的码组沿rnRNA多核苷酸链由5至3方向进行，直到终止密码处，翻译自然停止。在多核苷酸链上任何两个相邻的密码不共用任何核苷酸。（4） 密码的使用规律：原核生物中大部分以AUG为起始密码，少数使用GUG,，真核生物全部使用AUG为起始密码，终止密码 UAA、UAG、UGA全部被使用，有时连续用两个终止密码，以保证肽链合成的终止。 转录起始 转录过程 转录终止 （三）mRNA的转录与加工 1、转录(transcription) 活细胞内蛋白质氨基酸

7、排列顺序由DNA所带的遗传信息控制，DNA中遗传信息的表达必须经过中介产物，即转移到信使RNA上，这个过程叫转录 。由mRNA再将这些信息转移到蛋白质合成系统中，合成蛋白质的过程称为翻译（translation）。 图8-3-9 蛋白质合成过程 mRNA合成过程 和DNA复制一样，需要多种酶催化，从DNA合成RNA的酶称RNA聚合酶(RNA polymerase)。真核细胞rnRNA转录需要RNA聚合酶 II 。DNA双链分子转录成RNA的过程是全保留式的，即转录的结果产生一条单链RNA，DNA仍保留原来的双链结构。转录的第一步是RNA聚合酶 II 和启动子(promotor)结合。启动子是D

8、NA链上的一段特定的核苷酸序列，转录起点即位于其中。然而RNA聚合酶 II 本身不能和启动子结合，只有在另一种称为转录因子的蛋白质与启动子结合后，RNA聚合酶才能识别并结合到启动子上，使DNA分子的双链解开，转录就从此起点开始。解开的DNA双链中只有一条链可以充当转录模板的任务，RNA聚合酶 II 沿着这一条模板链由3端向5端移行，一方面使DNA链陆续解开，同时将和模板DNA上的核苷酸互补的核苷酸序列连接起来形成53的RNA，RNA聚合酶只能在DNA的3连接新的核苷酸，即mRNA分子按53方向延长，这就说明了为什么DNA两条链中只有一条可作为模板。当RNA聚和酶沿模板链移行到DNA上的终点序列

9、后，RNA聚合酶即停止工作，新合成的RNA陆续脱离模板DNA游离于细胞核中。 图8-3-10 转录过程 2、加工 转录出来的RNA必须经过加工方能变为成熟的mRNA。mRNA的前体是分子较大的hnRNA（heterogeneous nuclear RNA，核内不均一RNA）。真核细胞中的hnRNA5端要连上一个甲基化的鸟嘌呤，这就是mRNA的5端帽子。 该帽子由下述功能：使mRNA免遭核酸酶的破坏；使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质； 被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质合成。在mRNA3端需要加上poly(A)序列的尾巴，其长度因mRNA种类不同而不同，一般为40200个

10、左右的碱基，有两个功能：它是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的；提高mRNA在细胞质中的稳定性。HnRNA链上还含有不编码氨基酸的内含子和编码氨基酸的外显子。mRNA戴上甲基鸟苷“帽子”，加上poly(A)“尾巴”，并且在切除内含子后把所有外显子连接起来才能成为成熟的mRNA。 蛋白质合成 （四）翻译 将mRNA的碱基顺序依次翻译成特定的肽链，这一过程即为翻译。 1 蛋白质合成起始物的形成和氨基酸活化。 mRNA从细胞核进入细胞质后，附在rRNA上并开始形成起始物。起始物包括核糖体的大小亚基，起始tRNA和几十个蛋白合成因子，在mRNA编码区5端形成核糖体mRNA起始tRNA复合物。原核生物和

11、真核生物的起始物略有不同。原核生物的起始tRNA是fMettRNA，(fMet, formy lmethionine,甲酰甲硫氨酸)真核生物的起始tRNA是MettRNA。原核生物种30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMettRNA相结合，最后与50S大亚基结合；在真核生物中，40S小亚基首先与MettRNA相结合，再与模板mRNA结合,最后与60S大亚基结合生成80SmRNAMettRNA起始复合物。起始物生成除需要GTP提供能量外，还需要Mg2+、NH4+及三个起始因子(IF1、IF2、IF3)在起始tRNA中，无论是fMet还是Met（甲硫氨酸）均是第一个参与蛋白质合成的氨基酸，

12、它们和所有参与蛋白质合成的氨基酸一样首先必须被活化，所以在起始复合物形成前氨基酸先需活化。氨基酸活化后才能形成AAtRNA。 图8-3-11 氨基酸活化 在翻译过程中，是由氨酰tRNA将氨基酸携带到核糖体。 2 肽链的起始 原核生物和真核生物肽链的起始及延伸基本相似。 图8-3-12 肽链合成过程 3 肽链的延伸和终止 30S起始复合物形成之后在形成70S复合物过程中第一个fMettRNAfMet，放在大亚基的P位点，70S复合物形成之后，第二个AAtRNA在延伸因子EFTU及GTP的存在下，生成AAtRNA、EFTUGTP复合物，结合到大亚基的A位点上。此时GTP被水解，EFTUGTP被释放

13、，通过延伸因子EFTS和GTP获得再生，形成EFTUGTP复合物。落在A位上的第二个氨基酸是通过核糖体沿mRNA53移动即阅读，读出第二个遗传密码，据该密码第二个氨基酸方可上到A位上，即A位上就被带有和该密码子互补的反密码子的tRNA所占据，该AAtRNA以它的反密码子和mRNA的密码子以氢键连接起来，它所带的氨基酸就是即将生成肽链的第二个氨基酸。至于fMettRNAfMet为什么不能首先到第A位上，这是因为EFTU只能和fMettRNA以外的其他AAtRNA起反应，所以起始tRNA不能落在A位上，这也是mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中也不会出现甲酰甲硫氨酸的原因。（1） 肽

14、链的生成和移位 经上述作用后在该核糖体mRNAAAtRNA复合物中的AAtRNA占据着A位，fMettRNAfMet占据着P位。在肽转移酶的作用下，P位上的甲酰甲硫氨酸脱离tRNAfMet，而与A位上的tRNA所带的氨基酸的3方向移动（阅读）一个密码的距离，结果P位上的tRNAfMet脱离P位，成为自由的tRNA，A位上的二肽转移到P位上，A位空出，A位面对mRNA的一个新密码子，于是带有与该密码子互补的反密码子的氨酰tRNA进入A位。核糖体继续“阅读”，P位上的二肽脱离tRNA而连到A位的tRNA所带的氨基酸上，此时就有了三肽链，核糖体继续“阅读”下去，循环不止。（2）肽链的终止 肽链延伸过

15、程中，当终止密码子UUA、UAG或UGA出现在核糖体A位时，没有相应的AAtRNA能与之结合，而释放因子能识别这些密码子并与之结合，激活肽基转移酶，水解P位上的多肽链与tRNA之间的链，新生的肽链和tRNA从核糖体上释放，完成多肽链的合成。 （五）蛋白质的加工 新生的多肽链大多数是没有功能的，必须加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。首先要切除N端的fMet或Met，还要形成二硫链，进行磷酸化、糖基化等修饰并切除新生肽链非功能所需片段，然后经过剪接成为有功能的蛋白质，从细胞质中转运到需要该蛋白质的场所。从DNA到蛋白质的过程叫基因表达(gene expression)，对这个过程的调节即为基因表达

16、调控(regulation of gene expression or gene control)。基因调控是现代分子生物学研究的中心课题之一。因为要了解动植物生长发育规律。形态结构特征及生物学功能，就必须搞清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因调控机制，就等于掌握了一把揭示生物学奥秘的钥匙。基因表达调控主要表现在以下几个方面： 转录水平上的调控； mRNA加工、成熟水平上的调控； 翻译水平上的调控； 基因表达调控的指挥系统有很多种，不同生物使用不同的信号来指挥基因调控。原核生物和真核生物之间存在着相当大差异。原核生物中，营养状况、环境因素对基因表达起着十分重要的作用；而真核生物尤其是高

17、等真核生物中，激素水平、发育阶段等是基因表达调控的主要手段，营养和环境因素的影响则为次要因素。 （一）原核生物的基因表达调控 原核生物的基因表达调控虽然比真核生物简单，然而也存在着复杂的调控系统，如在转录调控种就存在着许多问题：如何在复杂的基因组内确定正确的转录起始点？如何将DNA的核苷酸按着遗传密码的程序转录到新生的RNA链中？如何保证合成一条完整的RNA链？如何确定转录的终止？ 上述问题决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的互相作用，在转录调控中，现已搞清楚了细菌的几个操纵子模型，现以乳糖操纵子和色氨酸操纵子为例予以说明。 乳糖操纵子模型 1.乳糖操纵子 法国巴

18、斯德研究所著名的科学家Jacob和Monod在实验的基础上于1961年建立了乳糖操纵子学说，现在已成为原核生物基因调控的主要学说之一。 图8-3-13 乳糖操纵子 大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因：结构基因，能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白，这是与生物性状的发育和表型直接相关的基因。乳糖操纵子包含3个结构基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成半乳糖苷酶，lacY合成透过酶，lacA合成乙酰基转移酶。操纵基因O，控制结构基因的转录速度，位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。启动基因P，位于操纵基因的附近，它的作用是发出信号，mRNA合成开始，该基因也不能转录成mRN

19、A。调节基因i：可调节操纵基因的活动，调节基因能转录出mRNA，并合成一种蛋白，称阻遏蛋白。操纵基因、启动基因和结构基因共同组成一个单位操纵子（operon）。 调节乳糖催化酶产生的操纵子就称为乳糖操纵子。其调控机制简述如下： 抑制作用：调节基因转录出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其构象能够识别操纵基因并结合到操纵基因上，因此RNA聚合酶就不能与启动基因结合，结构基因也被抑制，结果结构基因不能转录出mRNA，不能翻译酶蛋白。 诱导作用：乳糖的存在情况下，乳糖代谢产生别乳糖（alloLactose），别乳糖能和调节基因产生的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白改变构象，不能在和操纵基因结合，

20、失去阻遏作用，结果RNA聚合酶便与启动基因结合，并使结构基因活化，转录出mRNA，翻译出酶蛋白。 负反馈：细胞质中有了半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖为半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白与操纵基因结合，使结构基因关闭。 2色氨酸操纵子 色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定。当培养基中有足够的色氨酸时，该操纵子自动关闭；缺乏色氨酸时，操纵子被打开。色氨酸在这里不是起诱导作用而是阻遏，因而被称作辅阻遏分子，意指能帮助阻遏蛋白发生作用。色氨酸操纵子恰和乳糖操纵子相反。 图8-3-14 色氨酸操纵子 （二）真核生物基因表达调控 真核生物基因表达调控与

21、原核生物有很大的差异。原核生物同一群体的每个细胞都和外界环境直接接触，它们主要通过转录调控，以开启或关闭某些基因的表达来适应环境条件（主要是营养水平的变化），故环境因子往往是调控的诱导物。而大多数真核生物，基因表达调控最明显的特征时能在特定时间和特定的细胞中激活特定的基因，从而实现“预定”的，有序的，不可逆的分化和发育过程，并使生物的组织和器官在一定的环境条件范围内保持正常的生理功能。真核生物基因表达调控据其性质可分为两大类：第一类是瞬时调控或叫可逆调控，相当于原核生物对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种代谢底物浓度或激素水平升降时及细胞周期在不同阶段中酶活性和浓度调节。第二类是发育调

22、节或称不可逆调控，这是真核生物基因表达调控的精髓，因为它决定了真核生物细胞分化，生长，和发育的全过程。据基因调控在同一时间中发生的先后次序，又可将其分为转录水平调控，转录后的水平调控，翻译水平调控及蛋白质加工水平的调控，研究基因调控应回答下面三个主要问题：什么是诱发基因转录的信号？ 基因调控主要是在那个环节（模板DNA转录，mRNA的成熟或蛋白质合成）实现的？不同水平基因调控的分子机制是什么？ 回答上述这三个问题是相当困难的，这是因为真核细胞基因组DNA含量比原核细胞多，而且在染色体上除DNA外还含有蛋白质,RNA等，在真核细胞中，转录和翻译两个过程分别是在两个彼此分开的区域：细胞核和细胞质中

23、进行。 一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链；真核细胞DNA与组蛋白及大量非组蛋白相结合，只有小部分DNA是裸露的；而且高等真核细胞内DNA中很大部分是不转录的；真核生物能够有序的根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，并能根据需要增加细胞内某些基因的拷贝数等。尽管难度很大，科学家们还是建立起多个调控模型。 1 转录水平的调控 Britten和Davidson于1969年提出的真核生物单拷贝基因转录调控的模型BrittenDavidson模型。该模型认为在整合基因的5端连接着一段具有高度专一性的DNA序列，称之为传感基因。在传感基因上有该基因编码的传感蛋白。外来信号分子和传感蛋白结合相互

24、作用形成复合物。该复合物作用于和它相邻的综合基因组，亦称受体基因，而转录产生mRNA，后者翻译成激活蛋白。这些激活蛋白能识别位于结构基因（SG） 前面的受体序列并作用于受体序列，从而使结构基因转录翻译。 图8-3-18 BrittenDavidson模型 若许多结构基因的临近位置上同时具有相同的受体基因，那么这些基因就会受某种激活因子的控制而表达，这些基因即属于一个组（set），如果有几个不同的受体基因与一个结构基因相邻接，他们能被不同的因子所激活，那么该结构基因就会在不同的情况下表达，若一个传感基因可以控制几个整合基因，那么一种信号分子即可通过一个相应的传感基因激活几组的基因。故可把一个传感

25、基因所控制的全部基因归属为一套。如果一种整合基因重复出现在不同的套中，那么同一组基因也可以属于不同套。虽然目前验证该模型的正确性困难很多，但真核生物基因组中等重复DNA序列和单拷贝DNA序列的排布形式，说明该模型有其合理型。 2.染色质结构对转录调控的影响 真核细胞中染色质分为两部分，一部分为固缩状态，如间期细胞着丝粒区、端粒、次溢痕，染色体臂的某些节段部分的重复序列和巴氏小体均不能表达，通常把该部分称为异染色质。与异染色质相反的是活化的常染色质。真核基因的活跃转录是在常染色质进行的。转录发生之前，常染色质往往在特定区域被解旋或松弛，形成自由DNA，这种变化可能包括核小体结构的消除或改变，DN

26、A本身局部结构的变化，如双螺旋的局部去超螺旋或松弛、DNA从右旋变为左旋，这些变化可导致结构基因暴露，RNA聚合酶能够发生作用，促进了这些转录因子与启动区DNA的结合，导致基因转录，实验证明，这些活跃的DNA首先释放出两种非组蛋白，（这两种非组蛋白与染色质结合较松弛），非组蛋白是造成活跃表达基因对核算酶高度敏感的因素之一。 目前更多的科学家已经认识到，转录水平调控是大多数功能蛋白编码基因表达调控的主要步骤。关于这一调控机制，现有两种假说。一种假说认为，真核基因与原核基因相同，均拥有直接作用在RNA聚合酶上或聚合酶竞争DNA结合区的转录因子，第二种假说认为，转录调控是通过各种转录因子及反式作用蛋

27、白对特定DNA位点的结合与脱离引起染色质构象的变化来实现的。真核生物DNA严密的染色质结构及其在核小体上的超螺旋结构，决定了真核基因表达与DNA高级结构变化之间的必然联系。DNA链的松弛和解旋是真核基因起始MRNA合成的先决条件。 3转录后水平的调控 真核生物基因转录在细胞核内进行，而翻译则在细胞质中进行。在转录过程中真核基因有插入序列，结构基因被分割成不同的片段，因此转录后的基因调控是真核生物基因表达调控的一个重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各种基因转录产物RNA，无论rRNA、tRNA还是mRNA，必须经过转录后的加工才能成为有活性的分子。 4翻译水平上的调控 蛋白质合成翻译阶段的基

28、因调控有三个方面： 蛋白质合成起始速率的调控； MRNA的识别； 激素等外界因素的影响。蛋白质合成起始反应中要涉及到核糖体、mRNA蛋白质合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，这些结构和谐统一才能完成蛋白质的生物合成。mRNA则起着重要的调控功能。 真核生物mRNA的“扫描模式”与蛋白质合成的起始。真核生物蛋白合成起始时，40S核糖体亚基及有关合成起始因子首先与mRNA模板近5端处结合，然后向3方向移行，发现AUG起始密码时，与60S亚基形成80S起始复合物，即真核生物蛋白质合成的“扫描模式”。 mRNA5末端的帽子与蛋白质合成的关系。真核生物5末端可以有3种不同帽子：0型、I 型和 II 型。不

29、同生物的mRAN可有不同的帽子，其差异在于帽子的碱基甲基化程度不同。帽子的结构与mRNA的蛋白质合成速率之间关系密切： 帽子结构是mRNA前体在细胞核内的稳定因素，也是mRNA在细胞质内的稳定因素，没有帽子的转录产物会很快被核酸酶降解； 帽子可以促进蛋白质生物合成过程中起始复合物的形成，因此提高了翻译强度； 没有甲基化(m7G)的帽子(如GPPPN-)以及用化学或酶学方法脱去帽子的mRNA，其翻译活性明显下降。 mRNA的先导序列可能是翻译起始调控中的识别机制。可溶性蛋白因子的修饰对翻译也起着重要的调控作用。（一）基因重组的类型 基因重组是指一个基因的DNA序列是由两个或两个以上的亲本DNA组

30、合起来的。基因重组是遗传的基本现象，病毒、原核生物和真核生物都存在基因重组现象。减数分裂或体细胞有丝分裂均有可能发生基因重组。基因重组的特点是双DNA链间进行物质交换。真核生物，重组发生在减数分裂期同源染色体的非姊妹染色单体间，细菌可发生在转化或转导过程中，通常称这类重组为同源重组(homologous recombination)，即只要两条DNA序列相同或接近，重组可在此序列的任何一点发生。然而在原核生物中，有时基因重组依赖于小范围的同源序列的联会，重组只限于该小范围内，只涉及特定位点的同源区，把这类重组称作位点专一性重组(site-specific recombination)，此外还有

31、一种重组方式，完全不依赖于序列间的同源性，使一段DNA序列插入另一段中，在形成重组分子时依赖于DNA复制完成重组，称此类重组为异常重组(illegitimate recombination)，也称复制性重组(replicative recombination)。 （二）转座子(transposon, Tn) 1950年麦克林托克(McClintock)在对玉米籽粒颜色遗传进行观察时，认为存在着一种转座因子(transposable elements)控制着籽粒的颜色，这些因子可以在染色体上移动，它控制着某些基因表达。20世纪70年代夏皮罗(Shapiro)用E. coli乳糖操纵子突变株进行杂

32、交分析后，才确认转座子的存在。现在把存在于染色体DNA上可以自主复制和位移的基本单位称为转座子。转座子不同于质粒等一些可移动的因子，当质粒或某些病毒遗传物质成为宿主染色体一部分后，它们是随着染色体复制的，是被动的，转座子不但可以在一条染色体上移动，而且可以从一条染色体跳到另一条染色体上，从一个质粒跳到另一个质粒或染色体上，甚至可以从一个细胞跑到另一个细胞。转座子在移位过程中，导致DNA链的断裂/重接，或是某些基因启动/关闭。这样就会引起：a.插入突变；b.产生新的基因；c.染色体畸变；d.生物进化，遗传效应。转座子普遍存在于原核细胞和真核细胞中，与同源染色体重组相比，细胞中转座子作用的频率却要低