遺傳信息結構PPT學習教案

1、會計學12 一、遺傳的分子基礎(二) DNA結構 (一) DNA是遺傳物質 (三) 人類基因組 (四) 基因結構 (五) 基因功能 第1頁/共224頁3 1868年，F(xiàn). Miesher從外科繃帶上的膿細胞中分離提取出一種富含磷的有機物，稱為核素。后來證實核素是由一種酸性物質和蛋白組成，因其來源于細胞核，稱為核酸。之后，人們認識到所有生物細胞內都有核酸，并發(fā)現(xiàn)核酸可分為脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA) 和核糖核酸(ribonucleic acid, RNA) ，DNA主要存在于細胞核內，少量存在與線粒體中。RNA主要存在于細胞質中。(一) DNA是遺傳物質

2、第2頁/共224頁4 1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎球菌轉化現(xiàn)象，1944年，Avery等用實驗證實引起肺炎球菌轉化的物質是DNA。1952年，Hershey研究噬菌體感染大腸桿菌再次證明DNA是遺傳物質。1953年，Waston和Crick提出了DNA雙螺旋結構模型，闡明了DNA作為遺傳物質的結構基礎。第3頁/共224頁5 普遍存在 DNA普遍存在于自然界除RNA病毒以外的各種生物細胞中。 RNA病毒中的RNA起到DNA類似的作用。 DNA特征 結構穩(wěn)定 同一物種各組織的DNA結構相對穩(wěn)定，能改變DNA結構的因素可引起遺傳性狀的相應改變。第4頁/共224頁6 數(shù)量恒定 同一物種各組織細

3、胞中，DNA數(shù)量基本一致。數(shù)量變化也表現(xiàn)出恒定規(guī)律。細胞有絲分裂前DNA含量加倍，分裂后又恢復到原來水平。生殖細胞經(jīng)過減數(shù)分裂形成配子，DNA含量為體細胞一半，雌雄配子結合后DNA數(shù)量又恢復到原來水平。第5頁/共224頁71944年， Avery等人用實驗證明DNA是遺傳物質活肺炎球菌S型 感染小鼠 小鼠死亡活肺炎球菌R型 感染小鼠 小鼠正常高溫殺死S型 感染小鼠 小鼠正常高溫殺死S型+ R型 感染小鼠 小鼠死亡 將致病菌的DNA、蛋白質、莢膜多糖提取出來，分別與非致病菌混合，只有DNA具有轉化作用，使非致病菌變成致病菌。轉化效率與DNA純度正相關。若事先用DNA酶處理提取物，則不能實現(xiàn)轉化。

4、第6頁/共224頁81、化學組成 DNA結構的基本單位是核苷酸(nucleic acid)，每個核苷酸由1個磷酸、1個五碳糖(戊糖)和1個堿基3部分組成。DNA分子中的核苷酸所含五碳糖為2-脫氧-D-核糖(2-deoxy-D-ribose)，稱為脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)。而核苷酸所含五碳糖為非脫氧的D-核糖(D-ribose)構成的核苷酸鏈，稱為核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)。(二) DNA結構 第7頁/共224頁9 戊糖C-1所連的羥基是與堿基形成糖苷鍵的基團，糖苷鍵的連接都是型。 這種結構上的微小差異使DNA和RNA的理化

5、性質出現(xiàn)很大差異，DNA更加堅硬，在堿性條件下不易水解。 戊糖兩種戊糖結構示意圖第8頁/共224頁10 堿基(base) 構成核苷酸的堿基分為嘌呤(purine) 和嘧啶(pyrimidine)二類。 堿基(含氮有機堿) 嘌呤有腺嘌呤(adenine，A)和鳥嘌呤(guanine, G)，DNA和RNA中均含有這二種堿基。 嘧啶有胞嘧啶(cytosine, C)，胸腺嘧啶(thymine, T) 和尿嘧啶(uracil, U)。胞嘧啶存在于DNA和RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶則只存在于RNA中。第9頁/共224頁11五種堿基的結構示意圖 嘌呤環(huán)上的N-9或嘧啶環(huán)上的N-1是構成核

6、苷酸時與核糖(或脫氧核糖)形成糖苷鍵的位置。第10頁/共224頁12 此外，核酸分子中還發(fā)現(xiàn)數(shù)十種修飾堿基(themodified component)，又稱稀有堿基(unusual component)。它是上述五種堿基環(huán)上的某一位置被一些化學基團(如甲基化、甲硫基化等)修飾后的衍生物。一般這些堿基在核酸中的含量稀少，在各種類型核酸中分布不均一，如DNA中的修飾堿基主要見于噬菌體DNA，RNA中以tRNA含修飾堿基最多。第11頁/共224頁13 核苷(nucleoside) 由D-核糖或D-脫氧核糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。核酸中的主要核苷有八種。 核苷第12頁/共224頁14

7、 核苷酸(nucleotide) 是核苷與磷酸殘基構成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的結構單元。核酸分子中的磷酸酯鍵是在戊糖C-5和C-3所連的羥基上形成的，故構成核酸的核苷酸可視為5-核苷酸或3-核苷酸。DNA分子中含有A, G, C, T四種堿基的脫氧核苷酸；RNA分子中含A, G, C, U四種堿基的核苷酸。不同核苷酸的主要差別在于堿基。 核苷酸第13頁/共224頁155核苷酸結構模式圖第14頁/共224頁165-磷酸脫氧腺苷的結構式第15頁/共224頁17 磷酸二酯鍵 核酸是由眾多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸(polynucleotide)鏈式線性分子，相鄰二個核苷酸之間的連

8、接鍵即3, 5-磷酸二酯鍵。2. 分子結構一級結構第16頁/共224頁18 這種連接可理解為核苷酸糖基上3位羥基與下游相鄰核苷酸5 位磷酸殘基之間，以及核苷酸糖基上的5位磷酸殘基與上游相鄰核苷酸的3 羥基之間形成的兩個酯鍵。多個核苷酸殘基以這種方式連接而成的鏈式分子就是核酸。無論是DNA還是RNA，其基本結構都是如此，故又稱DNA鏈或RNA鏈。分子鏈是有方向的，5末端為磷酸，3末端為羥基。第17頁/共224頁19磷酸二酯鍵 第18頁/共224頁20 寡核苷酸(oligonucleotide) 一般是指二至幾十個核苷酸殘基以磷酸二酯鍵連接而成的線性多核苷酸片段。這是與核酸有關的文獻中經(jīng)常出現(xiàn)的一

9、個術語，在使用這一術語時，對核苷酸殘基的數(shù)目并無嚴格規(guī)定，在不少文獻中，把含有三十甚至更多個核苷酸殘基的多核苷酸分子也稱作寡核苷酸。寡核苷酸可由儀器自動合成，它可作為DNA合成的引物(primer)、基因探針(probe)等，在分子生物學研究中具有廣泛的用途。第19頁/共224頁21 DNA和RNA單鏈都是由一個一個的核苷酸頭尾相連而形成的。 RNA 多聚核苷酸鏈一般以單鏈形式存在，而DNA多聚核苷酸鏈則一般以雙鏈形式存在。RNA平均長度大約為2000個核苷酸，而人的DNA卻是很長的，人DNA全長約有3X109個核苷酸對，每條染色體含一個DNA分子鏈，含5千萬致5億不等的核苷酸對。第20頁/共

10、224頁22 DNA分子是由2條平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸構成的右手雙螺旋結構(B型)。鏈的骨架由糖-磷酸重復單位構成，堿基向螺旋內部延伸，位于螺旋內部。多核苷酸的方向由磷酸二酯健的走向決定，一條從53，另一條從35 ，兩條鏈呈反向平行排列(antiparallel)。平行鏈上伸向內部的堿基彼此形成氫鍵相連，堿基間嚴格遵循G 與C配對(GC)，A與T配對(A=T)的原則。二級結構第21頁/共224頁23DNA雙螺旋結構示意圖第22頁/共224頁24DNA雙螺旋結構示意圖第23頁/共224頁25堿基配對及氫鍵第24頁/共224頁26 DNA鏈上不同核苷酸分子差異部位是堿基，不同堿基的排列組合

11、包含了相應的遺傳信息，堿基位于骨架雙鏈的內部，使遺傳信息免受各種理化因素的影響。3. 雙鏈互補結構的意義第25頁/共224頁27 雙鏈結構本身較好地保障了遺傳信息的穩(wěn)定儲存和傳遞。雙鏈中的每一條鏈都可以用對方或自身作為膜板，按照堿基互補原則合成一條與自身相同或互補的新鏈。互補的雙鏈分別含有一套完整的遺傳信息。第26頁/共224頁28 雙鏈互補是許多DNA分析技術的理論基礎，如探針雜交，聚合酶鏈反應等。 當知道一條DNA鏈的堿基排列順序后，可推測出它的互補鏈的堿基排列順序(序列)。第27頁/共224頁29 核酸呈酸性，粘度大，能吸收紫外光，最大吸收峰為260nm。4. 分子特性第28頁/共224

12、頁30 具有變性復性能力，DNA雙鏈分子堿基間的氫鍵結合是可逆結合。堿基間氫鍵被解開，互補DNA雙鏈變?yōu)閮蓷l單鏈的過程稱為變性。解鏈后的DNA單鏈與互補序列通過堿基間氫鍵形成互補雙鏈的過程稱為復性。DNA分子上的磷酸二酯鍵斷裂，使DNA鏈斷裂，DNA被降解。第29頁/共224頁31 引起DNA變性的因素主要有高溫、強酸強堿、有機溶劑等。DNA變性后，性質發(fā)生改變，如電泳行為改變，對260nm紫外光的吸收度增加(增色效應)，旋光性下降，粘度降低，生物學功能喪失或改變等。第30頁/共224頁32 對DNA溶液進行加熱， DNA溶液對260nm波長光的吸收度隨溫度升高而變化，在低溫區(qū)和高溫區(qū)變化都慢

13、。使DNA溶液吸光度達到最大值一半時的溫度，稱為DNA的變性溫度或融解溫度(Tm)。第31頁/共224頁33 Tm的高低與DNA分子中G+C的含量有關，G+C的含量越高，則Tm越高。第32頁/共224頁34 兩條來源不同的單鏈核酸(DNA或RNA)， 當它們的堿基序列互補或接近互補時，在一定條件下可互補結合成雙鏈，形成新的雜種雙螺旋，這一現(xiàn)象稱為核酸的分子雜交。核酸分子雜交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA雜交。不同來源的，具有互補堿基順序的核酸片段稱為同源序列。利用核酸的分子雜交，可以用已知序列的寡核苷酸確定或尋找不同物種中具有同源順序的DNA或RNA片段。所用的已知序列寡核苷酸一

14、般要標記上示蹤物，稱為探針。第33頁/共224頁35 生物單個成熟生殖細胞(單倍體細胞)DNA分子上的全部基因總和稱為基因組(geneome)，人類DNA分為核內DNA和線粒體DNA，人類基因組包含核基因組和線粒體基因組。人單個體細胞含有來自父源和母源的兩個基因組。(三) 人類基因組 第34頁/共224頁36 人類核基因組由約30億個堿基對按一定排列方式構成。DNA分子中的堿基排列順序稱DNA序列，人基因組中約有60%-70是單拷貝或低拷貝序列，30%-40%是中度或高度重復的序列。編碼蛋白的序列主要是單拷貝或低拷貝序列。 根據(jù)DNA序列的功能、在基因組中的拷貝數(shù)、堿基排列特點等可將基因組DN

15、A序列進行人為分類。第35頁/共224頁371. 核基因組 單一序列(unique sequence) 在基因組中僅有一個或少數(shù)幾個拷貝。大多數(shù)編碼蛋白質(酶)的結構基因屬這種結構形式，但只占單一序列中的很少部分。 重復序列(repetitive sequence) 在基因組中有許多拷貝數(shù)?？砂阉毞譃楦叨戎貜托蛄小⒅卸戎貜托蛄?、基因家族、基因簇。第36頁/共224頁38 單一序列中，含有編碼蛋白質氨基酸序列遺傳密碼的DNA序列稱結構基因，對編碼序列的編碼蛋白質活動進行調節(jié)和控制的序列稱為調控基因?；蛐蛄锌砷L可短，可單拷貝或多拷貝存在于基因組中。當在基因組中出現(xiàn)很多個序列結構與功能相同或相近

16、的拷貝時，把這些序列稱為多基因家族(基因簇)或基因超家族(基因家族) ?；蚣易逡话闶怯梢粋€共同的祖先基因經(jīng)過重復和變異而形成。第37頁/共224頁39 重復序列的基因家族中，一種類型是一個基因的多個拷貝成簇地排列在同一染色體上，形成一個基因簇，多個拷貝的序列幾乎相同。它們同時發(fā)揮作用合成某些蛋白質。如珠蛋白基因簇有5個相關基因，排列在16號染色體短臂上，珠蛋白基因簇有6個相關基因，排列在11號染色體短臂上。兩種珠蛋白基因序列高度一致，由一個祖先基因經(jīng)過重復而來。合成的肽鏈共同構成血紅蛋白。第38頁/共224頁40 另一類是多個拷貝成簇地分布在不同的染色體上，這些成員的序列可有些不同，它們編碼

17、一組相關的蛋白。如微管蛋白基因家族中，微管蛋白2、微管蛋白T1、微管蛋白T2 的基因分別位于2、17和6號等不同染色體上，功能都是編碼微管相關蛋白。第39頁/共224頁41 假基因(pseudogene) 多基因家族中，一些拷貝不產(chǎn)生蛋白質，但其序列與產(chǎn)生蛋白質的基因非常相似。相當于基因的無功能拷貝，稱為假基因。它們與有功能的基因有同源性，起初可能是有功能的基因，以后由于發(fā)生突變喪失了活性。 如珠蛋白基因簇的假基因與基因相比，只是失去了內含子。其可能是由于活性基因的mRNA經(jīng)過逆轉錄成為cDNA，再整合到基因組而形成。假基因可與功能基因連鎖或通過染色體易位或作為轉座子的一部分，從一個部位轉移到

18、另一部位。第40頁/共224頁42 串聯(lián)重復序列 基因組中局限性或分散存在的由一定DNA序列串聯(lián)重復排列的重復結構。串聯(lián)重復序列不編碼蛋白質。串聯(lián)重復序列的重復次數(shù)個體差異大，遺傳多樣性研究與應用中，較多選擇測定這類DNA結構。 衛(wèi)星DNA 長度可達幾百kb的串聯(lián)重復序列，密度梯度離心基因組DNA時，DNA主帶旁出現(xiàn)的“衛(wèi)星”DNA，分布在染色體的著絲粒等。在著絲粒起結構性作用。第41頁/共224頁43 小衛(wèi)星DNA 長度20kb左右的一類串聯(lián)重復序列。端粒就是由幾百個5-TTAGGG-3首尾相連的重復序列構成。在DNA復制中起作用。 微衛(wèi)星DNA 由1至幾個bp重復數(shù)十次形成的重復序列。功能

19、尚不清楚?；蚪M作圖中被用來作為遺傳和物理標記。每個個體有自己獨特的微衛(wèi)星DNA “遺傳圖像”，可用來作為識別個體的DNA標記。第42頁/共224頁44 分散重復序列 相同的DNA序列分散大量存在于基因組中。其中長度在幾百幾千bp，基因組中拷貝數(shù)為幾十上百萬。其中有一類稱為短分散核元件(short interspersed nuclear element, SINE)，如Alu序列，300bp長，人基因組中約有50萬個拷貝，約隔5kb有一個，其功能與基因表達的調控有關。另一類稱為長分散核元件(long interspersed nuclear element, LINE)，長度在5000-70

20、00bp，基因組中拷貝數(shù)幾百致幾萬個，如LINE-1序列(Kpn重復序列)，6000bp長，編碼一個逆轉錄酶。第43頁/共224頁45 反向重復序列(inverted repeat sequence) 也稱倒位重復序列。是兩個順序相同的互補拷貝在同一條鏈上反向排列而成，兩個互補拷貝共價相連。當兩個互補序列之間有間隔序列時，可以形成鏈內堿基配對，產(chǎn)生十字形結構。如兩個互補序列之間沒有間隔序列而直接相串聯(lián)，稱為回文結構(palindrme)。反向重復序列單獨或與其它重復序列一起分散在基因組中。每個反向重復序列長約300bp?；蚪M中約相隔12Kb出現(xiàn)一個。其功能可能與終止子的形成有關。第44頁/共

21、224頁46反向重復序列示意圖第45頁/共224頁47 線粒體DNA為16569bp形成一環(huán)形結構，結構緊湊，編碼呼吸鏈中的蛋白質、酶、rRNA、tRNA等。2. 線粒體基因組第46頁/共224頁48 遺傳學角度，基因是遺傳信息攜帶者，是生物的遺傳物質，是遺傳的基本單位，即突變單位、重組單位和功能單位； 分子生物學角度，基因是負載特定遺傳信息的DNA分子片段，在一定條件下能夠表達這種遺傳信息，產(chǎn)生各種RNA和蛋白質，實現(xiàn)特定的生理功能。 (四) 基因結構 第47頁/共224頁49 1909年，Wilhelm Johansen使用基因來描述傳遞和表達特定生物性狀的可遺傳因子，未描述它的遺傳理論和

22、物質基礎。 20世紀上半葉，逐漸認識到，基因的功能是編碼酶，一個基因編碼一個酶；基因定位于染色體上并且在物理上連鎖；DNA是遺傳物質。第48頁/共224頁50 進一步的研究發(fā)現(xiàn)，不是所有的基因都編碼酶，一些基因編碼功能性肽鏈，有些基因編碼功能性RNA分子(如tRNA和rRNA)。 病毒中基因是RNA，不是DNA。 基因中的信息可被選擇性產(chǎn)生一種以上的產(chǎn)物和功能。一個基因可同時影響多個性狀(基因的多效性)，多個基因可相互合作控制同一個性狀。第49頁/共224頁51 基因決定性狀 基因通過轉錄和翻譯決定多肽鏈的氨基酸順序，從而決定某種酶或蛋白質的性質，最終表達為某一性狀。 基因可自體復制 基因通過

23、DNA半保留復制而產(chǎn)生與自身相同的基因。1. 基因的特性 第50頁/共224頁52 基因可突變 基因雖很穩(wěn)定，但也會發(fā)生突變。一般來說，新的突變等位基因一旦形成，就可通過自體復制，在隨后的細胞分裂中保留下來。 第51頁/共224頁532. 基因的類別與結構 調控基因(regulator and control gene) 是指可調節(jié)控制結構基因表達的基因。調控基因的突變可以影響一個或多個結構基因的功能，或導致一個或多個蛋白質(或酶)數(shù)量的改變。 結構基因(structural gene) 是指能決定多肽鏈(蛋白質)或酶分子氨基酸順序的基因。結構基因的突變可導致編碼蛋白質(或酶)一級結構的改變或

24、引起蛋白質(或酶)質量的改變。第52頁/共224頁54基因 人類基因包括4個區(qū)域 編碼區(qū) 包括外顯子與內含子。 前導區(qū) 位于編碼區(qū)上游，相當于RNA5末端非編碼區(qū)(非翻譯區(qū)) 。 尾部區(qū) 位于編碼區(qū)下游，相當于RNA3 末端非編碼區(qū) (非翻譯區(qū))。 調控區(qū) 包括啟動子、增強子、終止子等。 基因編碼區(qū)的兩側也稱為側翼序列。第53頁/共224頁55 外顯子和內含子 大多數(shù)真核生物的基因為不連續(xù)基因(interrupted/discontinuous gene)?；虻木幋a順序在DNA分子上被非編碼順序所隔開，形成嵌合排列的斷裂形式，也稱斷裂基因(splite gene)。編碼的順序稱為外顯子(ex

25、on)，是基因表達為多肽鏈的部分；非編碼順序稱為內含子(intron)，或稱插入順序(intervencing sequence, IVS)。第54頁/共224頁56 一般每個結構基因都由若干個外顯子和內含子組成，但外顯子和內含子的關系不是完全固定不變的。內含子可轉錄為RNA，在形成成熟mRNA過程中被剪切掉，不作為編碼蛋白質的序列，其所在位置也被稱為非翻譯區(qū)(untranslated region, UTR)。基因的內含子和外顯子數(shù)量可多可少，內含子的核苷酸數(shù)量可比外顯子多。如人血紅蛋白珠蛋白基因約1700bp，假性肥大型肌營養(yǎng)不良(DMD)的基因全長約230kd，含75個外顯子和74個內含

26、子。第55頁/共224頁57 構成基因的兩條DNA鏈中，一條鏈為編碼鏈(coding strand)，其堿基序列儲存著遺傳信息。另一條鏈為模板鏈(template strand)，是合成RNA的模板，它與編碼鏈互補，也稱反密碼鏈。 在顯示基因結構時，通常只寫編碼鏈，并把5端放在左邊?；蛑心辰Y構位點(如轉錄起始點)的5端區(qū)域稱為該位點的上游， 3端區(qū)域稱為該位點的下游。以該位點為原點(0)，上游堿基以-bp表示，下游堿基以+bp表示。第56頁/共224頁58 外顯子-內含子接頭 每個外顯子和內含子接頭區(qū)都有一段高度保守的一致順序，即內含子5端大多數(shù)是GT開始，3端大多是AG結束，稱為GT-AG

27、法則，是普遍存在于真核基因中RNA剪接的識別信號。 側翼序列(flanking sequence) 在第一個外顯子和最末一個外顯子的外側是一段不被翻譯的非編碼區(qū)，稱為側翼序列。側翼順序含有基因調控順序，對該基因的活性有重要影響。 第57頁/共224頁59 啟動子(promoter) 能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列。通常位于轉錄起始點上游。不同的啟動子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同、啟動轉錄的頻率高低不同。有的啟動子可被RNA聚合酶直接識別并啟動轉錄。有的啟動子在被聚合酶結合時需要有蛋白質輔助因子存在，蛋白質因子能夠識別與該啟動子順序相鄰或甚至重疊的DNA順序。第

28、58頁/共224頁60 TATA框(TATA box) 在人類許多基因轉錄起始點上游-25 -30bp處有一段高度保守序列，TATA A ，能與轉錄因子TFII結合，被 RNA聚合酶II識別啟動轉錄。 CAAT框(CAAT box) 位于轉錄起始點上游-70 -80bp處有一段高度保守的序列，GG CAATCT，能與轉錄因子CTF(CAAT結合因子) 結合，提高轉錄效率。A TATCT第59頁/共224頁61 GC框(GC box) 含有的順序是GGCGGG，它也是某些啟動子中的共同順序。常有幾個拷貝GC盒存在于同一個啟動子中，而且方向往往不定。轉錄因子Sp1則能與GC盒結合，促進轉錄。 此外

29、，RNA聚合酶負責轉錄tRNA和5srRNA，等，其啟動子位于轉錄的DNA順序中，稱為下游啟動子。 第60頁/共224頁62 核心啟動子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始轉錄所必需的最小的DNA序列，包括轉錄起始點及其上游25 30bp處的TATA盒等。核心元件單獨起作用時只能確定轉錄起始位點和產(chǎn)生基礎水平的轉錄。 上游啟動子元件(upstream promoter element) 包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距轉錄起始點更遠的上游元件。這些元件與相應的蛋白因子結合能提高或改變轉錄效率。 第61頁/共224頁63 增強子(enhanc

30、er) 是一種能夠提高轉錄效率的順式調控元件，位于真核基因轉錄起始點的上游或下游，提高同一條DNA鏈上基因轉錄效率，可在轉錄起始點上下游3kb或更遠。作用與其序列的正反方向無關，將增強子方向倒置依然能起作用。而將啟動子倒置就不能起作用。要有啟動子才能發(fā)揮作用，沒有啟動子存在，增強子不能表現(xiàn)活性。但增強子對啟動子沒有嚴格的專一性，同一增強子可以影響不同類型啟動子的轉錄。具有組織或細胞特異性。 第62頁/共224頁64 終止子(termianator) 在一個基因的末端往往有一段特定順序，它具有轉錄終止的功能。終止子的共同順序特征是在轉錄終止點之前有一段回文順序，約7-20核苷酸對?；匚捻樞虻膬蓚€

31、重復部分由幾個非重復堿基對隔開，回文順序的對稱軸一般距轉錄終止點16-24bp。在回文結構的下游有一個AATAAA的多聚腺苷酸(poly A)附加信號。第63頁/共224頁65 AATAAA的多聚腺苷酸(poly A)附加信號在DNA分子中形成A-T對，回文結構和A-T對轉錄后，形成的RNA具有發(fā)夾結構，并具有與A互補的一串U，發(fā)夾結構可阻止RNA聚合酶的移動。A-U之間氫健結合較弱，RNA/DNA雜交部分易于拆開，這樣對轉錄物從DNA模板上釋放出來是有利的，也可使RNA聚合酶從DNA上解離下來，實現(xiàn)轉錄的終止。第64頁/共224頁66基因結構示意圖轉錄起始點 轉錄終止點CAAT框 GC框 T

32、ATA框 外顯子 外顯子 外顯子5非翻譯區(qū) 內含子 內含子 3非翻譯區(qū)轉錄起始密碼 轉錄終止密碼 polyA信號 (ATG) (TAA)5 3GT AG GT AG 第65頁/共224頁67 轉錄終止子序列模式圖CGCGUACGGCGCAUAUAU5 A U U U U U U U 35 5 ATT AAAGGCTCC TTTTTT GGAGCCTTT TTTTT 3 ATT AAAGGCTCC TTTTTT GGAGCCTTT TTTTT 33 3 TAA TTTCCGAGG AAAAAA CCTCGGAAA AAAAA 5 TAA TTTCCGAGG AAAAAA CCTCGGAAA AA

33、AAA 5 模板鏈 轉錄 多G/C 多A/T 第66頁/共224頁68基因的基本功能包括 遺傳信息(密碼)的儲存 通過特定的核苷酸組合來實現(xiàn)。 遺傳信息的擴增和傳代 通過DNA分子的自我復制及在子細胞中的再分配實現(xiàn)。 遺傳信息的表達 通過將DNA分子上的遺傳信息轉錄成mRNA；再由mRNA信息翻譯成蛋白質(酶)；最后，由這些具有各種生物活性的蛋白質實現(xiàn)生物功能和性狀。(五) 基因的功能 第67頁/共224頁69 依賴于 DNA復制的從DNA轉錄為RNA，再由RNA翻譯為蛋白質的過程稱為遺傳信息傳遞的“中心法則”。DNA RNA 蛋白質轉錄 翻譯反轉錄 復制復制第68頁/共224頁701. 遺傳

34、信息(密碼)的儲存 1961年，Crick用遺傳學方法證明，DNA分子上的三個相鄰核苷酸構成一個三聯(lián)體，決定多肽上的一個氨基酸。特定的核苷酸三聯(lián)體構成了遺傳密碼。 1966年，Nirenberg和khorana等用人工合成的不同核苷酸組合的RNA片斷，研究破譯了全部遺傳密碼(genetic code)，也稱密碼子(codon)。第69頁/共224頁71 遺傳密碼表第1個核苷酸 第2個核苷酸 第3個核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 終止 A UUG UCG UAG UGG 色 G C

35、UU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG GC 亮 脯 精 G 纈 丙 甘 A 蘇 U 絲 苯丙 酪 半光 亮 終止 天酰 絲 賴 精 組谷酰 天冬 谷 異亮* 蛋第70頁/共224頁72 對遺傳密碼的研究表明，遺傳

36、密碼具有4個特點 通用性 上述的遺傳密碼幾乎通用于整個生物屆，包括低等的病毒、細菌以及高等生物和人類。有幾個例外。線粒體中，AUA(異亮)編碼蛋氨酸、 CUA(亮)編碼蘇氨酸、 UGA不是終止密碼而編碼色氨酸，AUG在原核生物和真核生物中的含義不同，分別編碼甲酰蛋氨酸和蛋氨酸。第71頁/共224頁73 遺傳密碼表第1個核苷酸 第2個核苷酸 第3個核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 終止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC C

37、AC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG GC 亮 脯 精 G 纈 丙 甘 A 蘇 U 絲 苯丙 酪 半光 亮 終止 天酰 絲 賴 精 組谷酰 天冬 谷 異亮* 蛋第72頁/共224頁74 兼并性 某些氨基酸可由兩種以上的密碼子編碼，稱為兼并性(degenerate)

38、。遺傳密碼的頭兩個核苷酸起決定作用，第3位核苷酸C和U互換不會導致氨基酸改變；A和G互換只有兩組氨基酸變化，AUA(異亮氨酸)AUG(蛋氨酸)，UGA(終止密碼) UGG(色氨酸)。第73頁/共224頁75 遺傳密碼表第1個核苷酸 第2個核苷酸 第3個核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 終止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU

39、 ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG GC 亮 脯 精 G 纈 丙 甘 A 蘇 U 絲 苯丙 酪 半光 亮 終止 天酰 絲 賴 精 組谷酰 天冬 谷 異亮* 蛋第74頁/共224頁76 方向性 mRNA中的密碼子是由53方向排列的，翻譯過程沿mRNA 53進行。 起始密碼和終止密碼 64個密碼子中，AUG除代表蛋氨酸或甲酰蛋氨酸外，當其位于mRNA 5端啟動

40、部位時，兼有蛋白合成啟動信號的作用。UAA、UGA、UAG均不編碼特定的氨基酸，是肽鏈合成的終止信號，稱終止密碼。第75頁/共224頁77 遺傳密碼表第1個核苷酸 第2個核苷酸 第3個核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 終止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C A

41、UA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG GC 亮 脯 精 G 纈 丙 甘 A 蘇 U 絲 苯丙 酪 半光 亮 終止 天酰 絲 賴 精 組谷酰 天冬 谷 異亮* 蛋第76頁/共224頁78 2. 基因復制 基因復制是通過DNA分子的復制而實現(xiàn)，DNA復制具有如下特點。第77頁/共224頁79 半保留復制(semi conservation replication) DNA復制過程中，超螺旋結構狀態(tài)的DNA被解旋酶松弛，在解鏈酶作

42、用下，DNA雙鏈解開，解鏈后的兩條DNA單鏈都被作為膜板鏈，以RNA作為引物，按堿基互補原則， 從RNA引物3端開始，在DNA聚合酶和DNA連接酶作用下，將游離的三磷酸脫氧核糖核苷連接到膜板鏈上，形成新的互補鏈。新合成的單鏈分子的堿基序列相當于膜板鏈原來的互補鏈，與膜板鏈完全互補。新形成的兩個DNA分子中，每個DNA的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的，這種復制方式稱為半保留復制。第78頁/共224頁80Meselson和Stahl用實驗發(fā)現(xiàn)DNA半保留復制(1958) 第79頁/共224頁81 半不連續(xù)復制(Semi-ondistinuous replication)。DNA雙螺旋的

43、兩條鏈是反向平行的，在復制起點處兩條DNA鏈解開成單鏈時，一條是53方向，另一條是35方向。以這兩條鏈為模板時，新生鏈延伸方向一條為35，另一條為53。但生物細胞內催化DNA聚合的酶都只能催化53延伸。岡崎片段(Okaxaki fragments)的發(fā)現(xiàn)解答了這一問題。第80頁/共224頁82 在復制起點兩條鏈解開形成復制泡(replication bubbles)，DNA向兩側復制形成兩個復制叉(replication forks)。以復制叉移動的方向為基準，一條模板鏈是35，以此為模板進行的新生DNA鏈的合成沿53方向連續(xù)進行，這條鏈稱為前導鏈(leading strand)。另一條模板鏈

44、的方向為53，以此為模板的DNA合成也是沿53方向進行，但與復制叉前進的方向相反，而且是分段，不連續(xù)合成的，這條鏈稱為滯后鏈(lagging strand)，合成的片段即為岡崎片段。第81頁/共224頁83 岡崎片段以后由DNA連接酶連成完整的DNA鏈。這種前導鏈的連續(xù)復制和滯后鏈的不連續(xù)復制在生物界是普遍存在的，稱為DNA合成的半不連續(xù)復制。 復制總是沿53方向進行。 真核生物的DNA復制同時從多個起點啟動，一個復制起點開始進行的DNA復制區(qū)域稱為復制子(replicon)或復制單位(replication unit)。人基因組中約有1萬個復制起點(origin of replication

45、)。第82頁/共224頁84 在DNA復制開始時，需要一系列蛋白因子參與，他們相互作用形成引發(fā)體(primosome)。引發(fā)體能識別DNA復制起點位置，之后，前導鏈上由引物酶催化合成一段RNA引物，啟動前導鏈的DNA復制。引發(fā)體在滯后鏈上沿53方向不停的移動，促進在一定距離上反復合成RNA引物供DNA聚合酶合成岡崎片段使用。復制啟動后，在復制叉處形成了以兩套DNA聚合酶全酶分子、引發(fā)體和螺旋構成的類似核糖體大小的復合體，稱為DNA復制體(replisome)。第83頁/共224頁85 復制體在DNA前導鏈模板和滯后鏈模板上移動時便合成了連續(xù)的DNA前導鏈和由許多岡崎片段組成的滯后鏈。在DNA合

46、成延伸過程中主要是DNA聚合酶的作用。當岡崎片段形成后，DNA聚合酶通過其53外切酶活性切除岡崎片段上的RNA引物，同時，利用后合成的一個岡崎片段作為引物由53合成DNA。最后兩個岡崎片段由DNA連接酶將其接起來，形成完整的DNA滯后鏈。前導鏈與35模板形成新的DNA雙鏈分子，滯后鏈與53模板形成新的DNA雙鏈分子。第84頁/共224頁86第85頁/共224頁87第86頁/共224頁88 基因表達(gene expression) 指生命過程中，儲存在基因中的遺傳信息通過轉錄和翻譯，合成蛋白質或酶分子，執(zhí)行特定的生物學功能或性狀的過程。主要過程被人為劃分為轉錄和翻譯兩個階段。 3. 基因表達第

47、87頁/共224頁89 轉錄(transcription) 以DNA為膜板，在RNA聚合酶作用下合成RNA的過程。真核細胞的轉錄過程在細胞核內完成。轉錄過程就是DNA分子上的遺傳信息傳遞到RNA的過程。第88頁/共224頁90 轉錄過程 核DNA分子雙鏈解旋、解鏈，以結構基因模板鏈 (反密碼鏈，35)作為RNA合成的膜板，在RNA聚合酶作用下按堿基互補原則(TU)，合成一條單鏈RNA (53)。 大分子雙鏈DNA中，并不總是以某一條鏈為模板鏈，不同的基因可在不同鏈上，這取決于基因的啟動子在那一條鏈上。第89頁/共224頁91 轉錄產(chǎn)物包括mRNA，tRNA和rRNA。真核細胞rRNA轉錄在核仁

48、內進行，由RNA聚合酶I催化， tRNA轉錄在核質中進行，需要RNA聚合酶III催化， mRNA轉錄也在核質中進行，需要RNA聚合酶II催化。mRNA的原始轉錄產(chǎn)物比成熟mRNA 大4-5倍，稱為核內異質RNA (heterogenous nuclear RNA, hnRNA)，hnRNA需要經(jīng)過加工修飾后才能執(zhí)行功能(成熟RNA) 。第90頁/共224頁92 轉錄產(chǎn)物的加工修飾 mRNA的成熟包括剪接、戴帽、添尾等加工修飾過程。 剪接(splicing) 剛轉錄完成的mRNA稱為前mRNA(pre-mRNA)或核內異質RNA，他含有一個基因的外顯子、內含子、前導區(qū)、尾部區(qū)對應的全部序列。把內

49、含子對應序列切掉，外顯子對應序列連接起來的過程稱為剪接。第91頁/共224頁93 細胞核中有許多小RNA(small nuclear RNA， snRNA)，長約250個核苷酸，是所有真核細胞高度保守的成分，因其富含尿嘧啶核苷酸也被稱為U族RNA，如U1, U2, U3, U4, U5, U6等。它們與約10多種蛋白質結合形成snRNP(small nuclear ribonucleoprotein)。 snRNP通過RNA-RNA互補，能識別內含子中的特定序列。各種snRNP在剪接過程中形成剪接體(spliceosome)，使內含子被切掉。剪接點由內含子外顯子接頭處的剪接信號(5GT- -

50、- AG3)決定。第92頁/共224頁94 戴帽(capping) 真核生物mRNA成熟過程中需要在5端加上7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸(m7Gppp)，并在下一個核苷酸的2-O位也進行甲基化。該結構稱為帽子(cap)。帽子是核糖體小亞基的識別信號，能促進mRNA與核糖體結合。有效封閉mRNA 5端免受5端核酸外切酶的降解。第93頁/共224頁95第94頁/共224頁96 添尾 在前mRNA的3端存在一個AAUAAA序列，該序列為加尾信號，對其下游序列酶切10-15個核苷酸后， 在 3端加上100-200個腺苷酸，形成 一段多聚腺苷酸(polyA)的尾巴。 polyA的功能可能與mRNA從核內進入

51、細胞質有關，也起保護mRNA的3端的作用。 其它修飾作用 如一些堿基的甲?；?。第95頁/共224頁97第96頁/共224頁98 翻譯(translation) 在mRNA指導下的蛋白質生物合成。翻譯過程就是將mRNA分子中的遺傳信息“解讀”成肽鏈上的氨基酸種類和序列。 翻譯過程非常復雜，需要mRNA、tRNA、rRNA、核糖體、多種酶和蛋白質輔助因子的共同協(xié)調作用，需要活化氨基酸作為原料，ATP、GTP提供能量。整個過程在細胞質中進行。主要包括第97頁/共224頁99 氨基酰-tRNA形成 氨基酸在氨基酰-tRNA合成酶和ATP作用下被活化，并與相應的tRNA結合形成氨基酰-tRNA復合物。

52、 每一種氨基酸都是由一種或幾種特定結構的tRNA負責轉運。成熟tRNA分子由73-90個核苷酸組成。其結構上有四個功能部位：反密碼子環(huán)上的反密碼子識別 mRNA上的密碼并以堿基互補方式結合；氨基酸臂攜帶氨基酸，所有tRNA的3端都以CAA結尾，末端A以共價鍵和特定氨基酸結合成氨酰-tRNA；D-環(huán)識別RNA合成酶；TC環(huán)識別核糖體。第98頁/共224頁100tRNA結構第99頁/共224頁101tRNA結構第100頁/共224頁102 肽鏈合成起始 在起始因子( initiation factor, IF) 和GTP作用下，產(chǎn)生蛋氨酰-tRNA-IF-GTP復合物，復合物與核糖體小亞基結合并在

53、IF介導下，識別戴帽并沿mRNA 53方向滑動，到達起始密碼子AUG時，蛋氨酰-tRNA通過tRNA的反密碼子UAC與 mRNA上的翻譯起始信號AUG配對結合，形成起始復合體(intiation complex)，IF和GTP從起始復合體釋放，大亞基與小亞基結合形成完整的核糖體。第101頁/共224頁103 肽鏈延長 核糖體分子有兩個氨酰結合部位，分別稱為肽位(P)和氨酰位(A)，翻譯啟動時，蛋氨酰-tRNA結合在P位，P位的蛋氨酰與mRNA的啟動密碼配對結合到mRNA分子上，核糖體識別mRNA下一個密碼子，結合相應反密碼子的氨酰-tRNA，在轉肽酶作用下，蛋氨酰與第2個氨酰結合形成二肽，蛋氨

54、酰從tRNA脫離，tRNA從核糖體P位上脫離。移位酶將A位的氨酰-tRNA移動到P位，核糖體沿53移動一個密碼子距離，識別下一個密碼，結合下一個相應氨酰-tRNA。此過程中，延長因子(EF)同時發(fā)揮作用，如此反復將肽鏈不斷延長，直到終止密碼出現(xiàn)。第102頁/共224頁104 肽鏈終止 核糖體沿mRNA 53方向不斷移動，肽鏈不斷延長，當核糖體A位出現(xiàn)終止密碼UAA、UAG、UGA時，A位不再有氨酰-tRNA結合上去。釋放因子(RF)與之結合，使氨酰-tRNA酯鍵斷裂，核糖體釋放出多肽和tRNA，并與mRNA分離，自身分離成兩個亞基。肽鏈合成結束。 核糖體進行翻譯時并不僅僅是一個核糖體在一條mR

55、NA鏈上進行翻譯，常常是多個核糖體同時或依次結合在一條mRNA鏈上進行翻譯，在一個mRNA鏈上可翻譯出很多個肽鏈分子。與DNA復制不同的是，翻譯的起始點是相同的一個。第103頁/共224頁105 翻譯后修飾 翻譯后的初始產(chǎn)物需要進一步加工修飾，才能成為具有生物活性的蛋白質或酶。加工方式包括N端脫甲?；?、 N端乙酰化、多肽鏈磷酸化、糖基化、多肽鏈切割等。多種酶都有無活性的前體-酶原，需在一定條件經(jīng)特定變化才能被激活。第104頁/共224頁106 逆轉錄 早期認為DNARNA蛋白質是單方向運行而不可逆轉運行的。后來發(fā)現(xiàn)RNA病毒的逆轉錄現(xiàn)象，對上述過程修改為DNARNA蛋白質或RNA DNARNA

56、蛋白質。第105頁/共224頁107 mRNA編輯 轉錄后的hnRNA需經(jīng)過戴帽、加尾、剪接等加工修飾后才能成為成熟mRNA，作為翻譯的模板。通常情況下成熟mRNA的序列與結構基因的編碼序列是對應的，不會發(fā)生改變。但有時并不完全對應，表現(xiàn)為在 mRNA中會有個別堿基的取代，并引起蛋白質改變。而在一些低等生物 (錐蟲)中，卻發(fā)現(xiàn)有堿基的缺失和插入。研究并未在基因組中發(fā)現(xiàn)這種改變了的mRNA對應的DNA序列。因而認為這種改變是發(fā)生在mRNA水平上，被稱為 mRNA的編輯。第106頁/共224頁108 4. 基因表達調控 在生物基因組中，一些基因的表達產(chǎn)物對生命過程必需或必不可少，如核糖體、染色體、

57、細胞骨架等相關蛋白。這類產(chǎn)物的基因通常在個體發(fā)育的各階段都能在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行表達，較少受環(huán)境因素的影響。這類表達稱為組成性基因表達(constitutive gene expression)，基因則稱為管家基因(housekeeping gene)。 第107頁/共224頁109 除管家基因外的許多基因并不是在生物生命過程中的每個時候都在每種細胞中表達。雖然每個細胞都含有全套基因，人類基因組DNA中約含34萬個基因。但在某一特定發(fā)育時期，只有少數(shù)基因根據(jù)需要定時定量地表達和關閉，表現(xiàn)出明顯的階段特性或時間特性。在不同的組織細胞中，基因表達情況并不同，許多組織中只是一些與該組織器官功能相關

58、的基因得以表達，表現(xiàn)出組織特性或空間特性。第108頁/共224頁110 基因的表達和關閉，顯然受到一套精細的調控機制控制?；虮磉_過程的每一個環(huán)節(jié)都有復雜而精細的調控機制在發(fā)揮作用。具體的調控過程非常復雜，并可能有多種調控方式。一般認為，基因表達調控以正性調控為主，阻遏調控為輔，基因有表達條件時，即可啟動和完成表達。根據(jù)基因表達有兩個重要環(huán)節(jié)，可人為地把表達調控分為轉錄前、轉錄中、轉錄后( 翻譯前)、翻譯中、翻譯后五個環(huán)節(jié)的表達調控。第109頁/共224頁111 轉錄前調控 基因能否被表達，第一步取決于DNA能否被轉錄，真核生物的DNA分子與組蛋白和非組蛋白組裝成染色質/體形式存在，形成復雜的

59、空間結構，組蛋白與DNA結合、DNA甲基化對轉錄具有抑制作用；組蛋白乙酰化、非組蛋白磷酸化可與組蛋白結合而使組蛋白與DNA分離，使DNA分子裸露，有利于轉錄。非組蛋白去磷酸化，則出現(xiàn)相反的效應。非組蛋白的磷酸化與去磷酸化，可受激素-受體信號的調控。染色體的螺旋化程度也影響轉錄。第110頁/共224頁112 轉錄過程中的調控 DNA轉錄過程需要DNA分子上的啟動子、增強子、抑制子等與基因轉錄調控有關的特殊序列的存在，并通過它們與轉錄相關蛋白、因子相互作用以及蛋白、因子間的相互作用，最后產(chǎn)生綜合性的效應，促進轉錄。轉錄過程已知有10多種蛋白因子(酶、轉錄因子)參與。激素與受體結合也會促進轉錄過程。

60、第111頁/共224頁113 DNA分子上的一些與基因轉錄調控有關的特殊順序稱為順式作用元件(cis-acting element)或分子內作用元件，主要有啟動子、增強子和沉默子(silencer)等。 與基因表達調控有關的蛋白質因子稱為反式作用因子(trans-acting factor)或分子間作用因子。第112頁/共224頁114 轉錄后( 翻譯前)調控 轉錄后的RNA需要經(jīng)過一系列加工修飾才具有功能，加工修飾的過程需要一系列酶和蛋白因子參與，它們的效率和精確性及相互間的作用，都影響修飾的進程和結果。不同的加工修飾可導致同一轉錄產(chǎn)物被翻譯成不同的異構蛋白。第113頁/共224頁115 翻