分子生物學(xué)-DNA遺傳物質(zhì)課件

Chapter2DNAisgeneticmaterialTheconceptionofgene是合成一種功能蛋白或RNA分子所必須的全部DNA序列一個(gè)典型的真核基因包括①編碼序列—外顯子(exon)②插入外顯子之間的非編碼序列—內(nèi)合子(intron)③5'-端和3'-端非翻譯區(qū)(UTR)④調(diào)控序列(可位于上述三種序列中)Theconceptionofgene基因是遺傳信息的物理和功能單位，它具有被表達(dá)的潛勢(shì)基因型genotype:控制生物體表現(xiàn)型的遺傳因子表現(xiàn)型phenotype:有機(jī)體可見的或可計(jì)算的外在性質(zhì).表現(xiàn)型可被區(qū)分為不同的類型，稱為性狀character或特征characteristic所有的性狀都有遺傳heredity和變異variation兩種性質(zhì)不同的表現(xiàn)型可能受不同的基因型調(diào)控，不同的基因型可產(chǎn)生不同的表現(xiàn)型但基因型相同，由于表達(dá)調(diào)控差異，可產(chǎn)生不同的表現(xiàn)型，如一種生物有不同的發(fā)育期Theconceptionofgene異合體的表型處于兩個(gè)純合體的中間狀態(tài)時(shí)稱為無顯性nondominance，如果偏向某一個(gè)純合體，則稱為部分顯性partialdominance。如紅AA和藍(lán)aa的雜交種Aa如為黃，則為無顯性，如淺紅則為部分顯性雜種的表型處于親本描述的表型之外，稱為超顯性overdominance，如雜種優(yōu)勢(shì)。若不足，則稱為顯性不全underdominance，如近親衰退。共顯性codominance：一對(duì)等位基因的相關(guān)表型都可以獨(dú)立表達(dá)，如ABO血型Theconceptionofgenome狹義是指單倍體基因組，即一特定生物體的整套(單倍體)遺傳物質(zhì)的總和單套信息的拷貝數(shù)被稱為染色體的倍數(shù)性(ploidy)是細(xì)胞中全部的遺傳信息，包含細(xì)胞發(fā)揮功能所需的全部“程序”基因組的大小用全部DNA的堿基對(duì)總數(shù)表示Theconceptionofgenome細(xì)菌一般為單個(gè)的環(huán)狀基因組，也報(bào)道存在線性基因組的細(xì)菌真核生物99%的DNA在細(xì)胞核基因組中，但也存在細(xì)胞器基因組，一般為線形病毒的基因組情況很多在基因組外，還存在其它DNA形式，如質(zhì)粒不同生物的基因組，基因的結(jié)構(gòu)、排列方式不同，尤其是原核生物和真核生物之間存在很大區(qū)別什么是轉(zhuǎn)錄組？

RNA組？

蛋白質(zhì)組？Figure1.1Abriefhistoryofgenetics.1.1IntroductionGenesareDNA遺傳物質(zhì)能識(shí)別各種各樣蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)即氨基酸序列決定了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和酶的催化活性蛋白質(zhì)用密碼形式攜帶信息蛋白質(zhì)的氨基酸序列由核苷酸的三聯(lián)體密碼編碼特異的一段核苷酸序列編碼特異的一段多肽鏈DNA序列與相應(yīng)蛋白質(zhì)序列間的關(guān)系稱之為基因密碼子每一個(gè)基因都代表一個(gè)特定的多肽鏈ThetransformingprincipleisDNA

Griffith于1928年發(fā)現(xiàn)的“轉(zhuǎn)化”現(xiàn)象.1.2DNAisthegeneticmaterial肺炎雙球菌ThegeneticmaterialofphageT2isDNA

1952年，Hershey和Chase

DNA是一種通用的遺傳物質(zhì).1.2DNAisthegeneticmaterial大腸桿菌噬菌體T2EukaryoticcellscanacquireanewphenotypeastheresultoftransfectionbyaddedDNA.

1.2DNAisthegeneticmaterial胸腺嘧啶DNA不僅是真核生物的遺傳物質(zhì)，而且能夠在不同物種間相互轉(zhuǎn)移并保持功能活性describesthebasicnatureofgeneticinformation:sequencesofnucleicacidcanbeperpetuated保持andinterconverted互換byreplication,transcription,andreversetranscription,buttranslationfromnucleicacidtoproteinisunidirectional單向性的,becausenucleicacidsequencescannotberetrievedfromproteinsequences.1.3Centraldogma中心法則及其修正Thecentraldogmastatesthatinformationinnucleicacidcanbeperpetuated永久保留ortransferred轉(zhuǎn)移,butthetransferofinformationintoproteinisirreversible不能倒轉(zhuǎn)的.

Crick（1958）在“論蛋白質(zhì)的合成”一文中，首次提出中心法則的內(nèi)容⑴遺傳信息：能獨(dú)立的自我復(fù)制；對(duì)細(xì)胞的特異性有高度影響⑵信息的流動(dòng)是單程的：DNARNA蛋白質(zhì)⑶序列假說：蛋白質(zhì)的序列由DNA的序列決定中心法則(centraldogma):1953年watson將遺傳信息的傳遞途徑稱為中心法則.中心法則的修正1970年，美國科學(xué)家Temin和Baltimore在RNA腫瘤病毒中發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶（reversetranscriptase）。在病毒感染細(xì)胞期間，以病毒RNA為模板，在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下合成DNA，然后以這段病毒DNA為模板，互補(bǔ)合成RAN，同時(shí)以該病毒的mRNA合成蛋白質(zhì)。且病毒DNA可插入到細(xì)胞染色體DNA中把遺傳信息傳遞下去。為此，Crick（1971）立即撰文對(duì)上述直線形中心法則作了修改補(bǔ)充中心法測(cè)說明了遺傳信息由DNA傳向DNA，或由DNA傳向mRNA，然后決定蛋白質(zhì)特異性的過程。是目前分子遺傳學(xué)研究的核心。DNA1957年transcriptionRNAtranslationProteinDNA1971年P(guān)roteinRNAReversetranscriptionregulationDNA作為遺傳物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)DNA作為遺傳物質(zhì)有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最主要的是：信息量大可以微縮（一個(gè)1kb的基因，其可能的核苷酸排列順序有4100種，而直徑10億光年的宇宙，其體積不過1084cm3或10108?3）表面互補(bǔ)、電荷互補(bǔ)，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復(fù)制的機(jī)理核糖的2ˊ脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好(不存在自有-OH，不被水解，pH7～9穩(wěn)定)WhydoesDNAcontainTratherthanU?NCHCOHNCHCOCNH2NNCHCOCHcytosineuracilH2OCytosinedeaminatesnon-enzymaticallytoformuracil.IfthishappensinDNA,itconstitutesamutation.Aproof-readingsystemrecognizetheerror,andreplacestheUbyC.DeaminationofcytosineisoflittleconsequenceinRNA,whichisnotthepermanentrepositoryofgeneticinformation.RNA作為遺傳物質(zhì)RNA酶集信息傳遞作用和酶學(xué)催化作用于一身，很可能是最初的遺傳物質(zhì)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，一個(gè)由RNA世界到RNA蛋白質(zhì)世界，由RNA蛋白質(zhì)世界到DNA世界的進(jìn)化圖景，已被科學(xué)界廣泛接受RNA作為最初遺傳物質(zhì)的設(shè)想，仍然有許多疑難。其中RNA本身的起源問題，根據(jù)有機(jī)化學(xué)家的意見，模擬的前生物條件（prebioticcondition）下，合成核糖并非易事；即使有了核糖，D-核糖和堿基一起加熱，得到的是α-核糖核苷，而不是RNA中的β-核糖苷等等，但目前沒有更好的解釋迄今已知的RNA生物，都是基因組小，結(jié)構(gòu)簡單的生物。對(duì)中心法則的挑戰(zhàn)㈠蛋白質(zhì)的遺傳信息不一定來自核酸1.以蛋白質(zhì)為模板的肽鏈合成。2.肽鏈的翻譯后加工。①切割，糖基化；②在C端切去一段小肽；③原來的N端和C端連接。非DNA信息的加工過程3.朊病毒。㈡RNA的信息不完全來自DNA模糊基因：錐蟲的coxⅢ中167個(gè)位點(diǎn)上398個(gè)U插入,9個(gè)刪除.60%RNA編輯．gRNA對(duì)中心法則的挑戰(zhàn)以蛋白質(zhì)為模板的肽鏈合成。多肽抗生素是細(xì)菌產(chǎn)生的抗生素中的一類，Lipmann等人（1971）的研究表明，它們的合成是直接由某些多酶體系來完成的。多肽抗生素肽鏈中的氨基酸序列是由這些酶上所吸附的氨基酸序列所決定的。肽鏈的翻譯后加工。按照mRNA分子上的堿基排列順序合成的新生肽，即使有了確定的氨基酸序列，還不是蛋白質(zhì)，它們必須經(jīng)過二硫鍵的形成、甲基化作用、羥基化作用、糖基化作用、肽鏈的折疊、亞基的組裝等復(fù)雜的加工過程才能形成特定的由一級(jí)結(jié)構(gòu)決定的三維結(jié)構(gòu)，并成為有活性的蛋白質(zhì)，也就是說遺傳信息由多肽（polypeptide）傳向蛋白質(zhì)（protein）。蛋白質(zhì)可作為遺傳物質(zhì)？(ProteinastheGeneticMaterial?)蛋白質(zhì)因其缺乏遺傳表面，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作為遺傳物質(zhì)，早已成為定論。Prion（傳染蛋白質(zhì)顆粒）問題對(duì)此帶來一片疑云，把羊瘋癢病(scrapie)、牛海綿狀腦炎、人kuru病等構(gòu)象病的病因子定名為prion，為的是和類病毒、擬病毒相區(qū)別。病毒virus：一類超顯微的，無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的，專性活細(xì)胞內(nèi)寄生的分子生物。類病毒(Viroid):是一個(gè)裸露的沒有衣殼包裹的閉合環(huán)狀RNA分子，它能感染寄主并在其中進(jìn)行自我復(fù)制使寄主產(chǎn)生病癥。

擬病毒virusoids:也稱為類類病毒，它是一種環(huán)狀單鏈RNA。它的侵染對(duì)象是植物病毒。被侵染的植物病毒被稱為輔助病毒，擬病毒必須通過輔助病毒才能復(fù)制。單獨(dú)的輔助病毒或擬病毒都不能使植物受到感染。朊病毒prion,virino：一類能侵染動(dòng)物并在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制的小分子無免疫性的疏水性蛋白。它能引起人和動(dòng)物的神經(jīng)軟化病，如人類的Kuru病、牛的瘋牛病等。在該病毒的感染過程中，遺傳信息可以從蛋白質(zhì)傳向蛋白質(zhì)。這與中心法則的蛋白質(zhì)不能輸出信息的概念是矛盾的。亞病毒Prion蛋白（prionrelatedprotein，簡稱PrP）由宿主的基因編碼人PrP基因位于20號(hào)染色體的短臂，鼠PrP基因位于2號(hào)染色體，健康人、畜的PrPc分子量為33—35kDa，它對(duì)蛋白酶敏感、無傳染性而病人、病畜PrPsc的N端比PrPc約少67氨基酸，分子量27—30kDa，抗蛋白酶，有傳染性，迄今未見prion內(nèi)有常量核酸用種種降解核酸的辦法提取傳染性顆粒，傳染性不會(huì)下降。據(jù)計(jì)算，即使殘留核酸也不會(huì)超過80個(gè)核苷酸，此病潛伏期有長、短之分，有種屬屏障，有不同的株系。潛伏期長短之不同，由突變氨基酸所處位置和突變性質(zhì)而定。從十幾年的研究結(jié)果來看，PrPc轉(zhuǎn)變?yōu)镻rPsc是由于翻譯后修飾之故。PrPc有α-螺旋而無β-片層，PrPsc則多β-片層；PrPsc的N端剪短，增加β-片層，但無損于傳染性。PrPsc構(gòu)象的不同是否和株系不同有關(guān)，仍有待研究PrPc的原有功能不明。將小鼠編碼PrPc的基因敲掉（knockout），然后用傳染性蛋白質(zhì)顆粒侵染，小鼠健康，無瘋癢病癥；PrPc基因正常的小鼠，經(jīng)傳染性顆粒侵染后，半年內(nèi)統(tǒng)統(tǒng)死亡。此實(shí)驗(yàn)充分證明PrPsc確由PrPc譯后修飾而來，也排除了微量外源核酸的作用問題。Geneticinformationflow:DNARNAProteinProteinReplicationReplicationTranscriptionRTTranslation?e