遺傳信息的傳遞

遺傳信息的傳遞第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日2第一節(jié)DNA的復(fù)制DNA的復(fù)制：指以親代DNA分子為模板合成一個新的與親代模板結(jié)構(gòu)相同的子代DNA分子的過程。復(fù)制叉細菌DNA復(fù)制真核生物DNA復(fù)制第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日3DNA半保留復(fù)制第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日4DNA半保留復(fù)制實驗（M.Meselson和F.Stahl，1958年）第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日5DNA的半不連續(xù)復(fù)制第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日6DNA復(fù)制所需的酶和蛋白質(zhì)DNA聚合酶引發(fā)酶引發(fā)DNA合成的起始DNA連接酶將岡崎片段連接合成一條完整的互補鏈拓撲異構(gòu)酶將單、雙鏈的線狀或環(huán)狀DNA分子進行撲交換的一種酶，拓撲異構(gòu)酶Ⅰ、拓撲異構(gòu)酶Ⅱ解鏈酶DNA雙分子解開作為復(fù)制的模板單鏈結(jié)合蛋白與解鏈的DNA單鏈結(jié)合，使其不回復(fù)雙鏈狀態(tài)，且保護DNA不被水解第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日7DNA聚合酶原核生物DNA聚合酶DNA聚合酶Ⅰ（Kornberg酶）：

5’→3’聚合酶活性

3’→5’外切酶活性

5’→3’外切酶活性DNA聚合酶Ⅲ5’→3’聚合酶活性3’→5’外切酶活性第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日8真核生物DNA聚合酶

DNA聚合酶αβγδε位置細胞核細胞核線粒體細胞核細胞核功能后隨鏈的合成和前導(dǎo)鏈的引發(fā)修復(fù)復(fù)制前導(dǎo)鏈的合成修復(fù)分子量300K40K180-300K170-230K250K3’-5’外切酶活性++++-引發(fā)酶活性+----第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日9三、DNA復(fù)制一般過程第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日10四原核生物和真核生物DNA的復(fù)制特點

復(fù)制的起點和速率原核生物只有一個復(fù)制起點，真核生物的染色體具有多個復(fù)制起點在原核生物中，第一輪復(fù)制尚未結(jié)束前，第二輪復(fù)制又從復(fù)制起點開始了；真核生物，第一輪復(fù)制結(jié)束后第二輪才開始，原核生物復(fù)制起點可以連續(xù)發(fā)動復(fù)制，真核生物則不能

原核生物與真核生物均為雙向復(fù)制第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日11四原核生物和真核生物DNA合成的區(qū)別區(qū)別原核生物真核生物DNA合成的時期整個細胞生長過程細胞周期的S期復(fù)制起點數(shù)單個多個RNA引物長度10~16核苷酸10個核苷酸岡崎片段長度1000~2000核苷酸100~150核苷酸前導(dǎo)鏈與后隨鏈的合成聚合酶Ⅲ同時控制聚合酶δ控制前導(dǎo)鏈聚合酶α控制后隨鏈第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日12第二節(jié)DNA的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板，在RNA聚合酶的作用下合成RNA的過程

轉(zhuǎn)錄起始RNA鏈的延伸RNA鏈的合成終止及釋放第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日13RNA聚合酶大腸桿菌RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日14大腸桿菌RNA聚合酶

α(2)

β

核心酶

全酶

β’

σ:無催化作用，識別啟動子，參與轉(zhuǎn)錄的起始

功能選擇模板鏈，識別起始區(qū)的啟動子解開DNA部分雙螺旋鏈，產(chǎn)生長約17bp的單鏈DNA模板選擇正確的rNTP底物并催化形成磷酸二酯鍵，使合成的RNA鏈不斷延伸能識別轉(zhuǎn)錄終止信號（terminationsignal），停止轉(zhuǎn)錄第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日15真核生物RNA聚合酶

種類位置產(chǎn)物相對活性對α-鵝膏的敏感性RNA聚合酶I核仁28S，18S，5.8SrRNAs50-70%不敏感RNA聚合酶II核質(zhì)mRNA，某些snRNAs20-40%高度敏感RNA聚合酶III核質(zhì)tRNA，5SrRNA，某些snRNAs~10%片段特異中等敏感第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日16基因轉(zhuǎn)錄的一般過程第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日17真核生物mRNA的加工（自學(xué)）mRNA5’端加帽mRNA3’端加多聚腺苷酸mRNA的剪接第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日18第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成翻譯(translation)：從DNA到蛋白質(zhì)的遺傳信息傳遞過程中，貯存于DNA中的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄表達為mRNA中的核苷酸序列信息，再從mRNA上的核苷酸到多肽鏈上的氨基酸，遺傳信息的傳遞好象從一種語言到另一種語言，因此將蛋白質(zhì)合成的過程稱為翻譯。蛋白質(zhì)合成的主要元件核糖體：核糖體是蛋白質(zhì)的合成場所mRNA：攜帶遺傳信息，蛋白質(zhì)合成的直接模板tRNA：負責(zé)轉(zhuǎn)運特異性氨基酸進行蛋白質(zhì)生物合成第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日19遺傳密碼

mRNA與蛋白質(zhì)之間的關(guān)系是通過遺傳密碼的翻譯實現(xiàn)的，每3個相鄰核苷酸組成1個三聯(lián)體密碼，編碼一種氨基酸三聯(lián)體連續(xù)性通用性兼并性起始密碼：AUG終止密碼：UAA、UAG、UGA第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日20第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日21核糖體的結(jié)構(gòu)和功能真核生物核糖體：60S、40S原核生物核糖體：50S、30S核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所翻譯功能區(qū)：肽鏈合成的場所，占據(jù)了核糖體的2/3mRNA結(jié)合位點肽基tRNA和甲酰甲硫氨酸t(yī)RNA結(jié)合位點(P位點)氨酰tRNA結(jié)合位點(A位點)肽鏈延伸輔助因子EF-Tu和EF-G的結(jié)合位點，EF-Tu起著協(xié)助氨酰tRNA進入核糖體的作用，而EF-G負責(zé)核糖體的轉(zhuǎn)位反應(yīng)肽基轉(zhuǎn)移酶活性位點，肽基轉(zhuǎn)移酶負責(zé)在肽鏈合成中將位于P位點的肽基tRNA的肽鏈轉(zhuǎn)移到位于A位點的氨酰tRNA上5SrRNA結(jié)合位點以及結(jié)合脫酰tRNA的E位點等出口功能區(qū)(exitdomain):多肽的出口，核糖體通過這個區(qū)域附著在膜上第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日22蛋白質(zhì)生物合成的過程合成的起始：核糖體大小亞基、tRNA和mRNA在起始因子的協(xié)助下組合成起始復(fù)合物的過程肽鏈的延伸進位：氨基酰-tRNA進入核糖體的A位肽鏈形成：氨基酰-tRNA進位后，在轉(zhuǎn)肽酶的催化下，P位的肽基-tRNA的肽鏈轉(zhuǎn)移到A位的氨基酰-tRNA的氨基上，從而形成肽鍵移位：肽鍵形成后，核糖體沿mRNA向3’方向移動一個密碼子的距離。翻譯的終止：終止密碼子進入A位，標(biāo)志著翻譯的結(jié)束第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日23蛋白質(zhì)生物合成的過程第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日24中心法則第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日25第四節(jié)基因的結(jié)構(gòu)特征基因的概念發(fā)展基因的一般結(jié)構(gòu)特征真核生物基因組的特點第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日26基因的概念發(fā)展基因概念的演變1865年，孟德爾，顆粒性遺傳因子1909年，Johannsen，更名為“基因”1910，Morgan等，基因存在于染色體上，線性排列1926年，Morgan等,“三位一體”：結(jié)構(gòu)單位、功能單位、突變單位和交換單位Avery（1944年）、Hershey和Chase（1952年）證明DNA是遺傳物質(zhì)第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日27基因功能的研究1908年，Garrod：onemutantgene-onemetabolicblock，Earlyevidencethatenzymesarecontrolledbygenes1941年，BeadleandTatam:Onegene-oneenzymeOnegene-onepolypeptideTheproductsofgeneareprotein,tRNAandrRNA

第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日28基因精細結(jié)構(gòu)的研究1957年，Benzer：順反子學(xué)說，基因是DNA分子上一個決定一條多肽鏈的完整功能單位，內(nèi)部是可分的，包含多個突變和重組單位。1961年，Jacob等：操縱子模型學(xué)說，功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因在染色體上往往緊密聯(lián)系在一起1977年，Sharp等發(fā)現(xiàn)斷裂基因1978年，Sanger發(fā)現(xiàn)了重疊基因第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日29現(xiàn)代基因的概念基因：是有功能的DNA片段，含有合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遺傳的結(jié)構(gòu)和功能單位。第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日30基因的一般結(jié)構(gòu)特征外顯子和內(nèi)含子信號肽序列側(cè)翼序列和調(diào)控序列第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日31基因的一般結(jié)構(gòu)特征（一）外顯子和內(nèi)含子原核生物的基因是DNA分子的一個片段，連續(xù)編碼；真核生物的結(jié)構(gòu)編碼序列往往是不連續(xù)的，被非編碼序列隔開。編碼序列稱為外顯子，非編碼序列稱為內(nèi)含子。GT-AG法則：每個內(nèi)含子的5’端起始的兩個核苷酸都是GT，3’端末尾的兩個核苷酸都是AG，這就是RNA剪接的信號，這種接頭形式被稱之為GT-AG法則。開放閱讀框(openreadingframe)：結(jié)構(gòu)基因內(nèi)從起始密碼子開始到終止密碼子的一段核苷酸區(qū)域，其間不存在任何終止密碼，可編碼完整的多肽鏈，這一區(qū)域被稱為開放閱讀框。第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日32基因的一般結(jié)構(gòu)特征（二）信號肽序列

在分泌蛋白基因的編碼序列中，起始密碼子之后，有一段編碼富含疏水氨基酸多肽的序列，稱為信號肽序列(Signalpeptidesequence)。它所編碼的信號肽行使著運輸?shù)鞍踪|(zhì)的功能。第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日33基因的一般結(jié)構(gòu)特征（三）側(cè)翼序列和調(diào)控序列側(cè)翼序列(flankingsequence)：每個結(jié)構(gòu)基因在第一個和最后一個外顯子的外側(cè)，都有一段不被轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)。5’非翻譯區(qū)（5’-untranslatedregion5’-UTR）：從轉(zhuǎn)錄起始位點至起始密碼子的一段非翻譯區(qū)。3’

非翻譯區(qū)（3’-untranslatedregion3’-UTR）：從終子密碼子至轉(zhuǎn)錄終止的一段非翻譯區(qū)。調(diào)控序列(regulatorsequence)，對基因的有效表達起著調(diào)控作用的特殊序列，包括啟動子，增強子，終止子，核糖體結(jié)合位點，加帽和加尾信號等。第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日34調(diào)控序列啟動子：是指準(zhǔn)確而有效地啟始基因轉(zhuǎn)錄所需的一段特異的核苷酸序列。TATA框、CAAT框、GC框增強子和沉默子增強子：使啟動子發(fā)動轉(zhuǎn)錄的能力加強，具有組織特異性和細胞特異性。沉默子：是另一種與基因表達有關(guān)的調(diào)控序列，通過與蛋白的結(jié)合，對轉(zhuǎn)錄起阻抑作用。終止子：一段位于基因3’端非編碼區(qū)中與終止轉(zhuǎn)錄過程有關(guān)的序列，它由一段富含GC堿基的顛倒重復(fù)序列以及寡聚T組成，是RNA聚合酶停止工作的信號。加尾信號真核生物mRNA的3’端都有一段多聚A尾巴(polyAtail)，它不是由基因編碼，而是在轉(zhuǎn)錄后通過多聚腺苷酸聚合酶作用加到mRNA上的。這個加尾過程受基因3’端非編碼區(qū)中一種叫做加尾信號序列的控制。核糖體結(jié)合位點在原核生物基因翻譯起始位點周圍有一組特殊的序列，控制著基因的翻譯過程，SD序列是其中主要的一種。第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日35真核生物基因的一般結(jié)構(gòu)示意圖第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日36(b)TypicaleukaryoticgeneGenestructure第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日37三、真核生物基因組的特點基因組與C值單一序列重復(fù)序列高度重復(fù)序列中度重復(fù)序列基因家族和假基因第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日38（一）基因組與C值基因組(Genome)：一個物種單倍體的染色體所攜帶的一整套基因。C值(Cvalue)：該物種的每一種生物中其單倍體基因組的DNA總量是特異的，被稱為C值。不同物種的C值差異極大。第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日39（二）單一序列單一序列(uniquesequence)又稱非重復(fù)序列(nonrepetitivesequence)，指在基因組中只有一個或幾個拷貝的DNA序列。原核生物除了短片段的反向重復(fù)序列以及18S，28S，5SrRNA和tRNA基因外，皆為單一序列；真核生物單一序列所占的比例為40%-70%，動物基因組中將近50%DNA是單一序列，真核基因組中大多數(shù)結(jié)構(gòu)基因是單拷貝的，如果蠅的α4-微管蛋白(tubulin)基因，雞的α2I型膠原蛋白(collagen)基因，卵清蛋白基因以及蠶的絲心蛋白，血紅蛋白和珠蛋白基因等。第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日40（三）重復(fù)序列中度重復(fù)序列

中度重復(fù)序列在真核生物基因組中占25%-40%，分散地分布于整個基因組的不同部位。根據(jù)重復(fù)單位的片段長度和拷貝數(shù)的不同，中度重復(fù)序列可分為二種類型：短分散重復(fù)序列

(SINEs)，長分散重復(fù)序列(LINEs)。SINEs的重復(fù)單位的長度為300-500bp，拷貝數(shù)可達105以上。如Alu家族(Alufamily)是人類及哺乳動物基因組中十分典型的短分散重復(fù)序列LINEs的重復(fù)單位長度為5000-7000bp，重復(fù)次數(shù)為102-105次。例如人類的KpnI家族(KpnIfamily)和哺乳動物的LINE1家族。第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日412．高度重復(fù)序列高度重復(fù)序列：就是在基因組中存在大量拷貝的序列，其重復(fù)次數(shù)高達106-108。（通常這些序列是由很短的堿基組成的，長度為2-200bp。衛(wèi)星DNA(satelliteDNA)：有些高度重復(fù)序列常含有異常高或低的GC含量，當(dāng)基因組DNA被切斷成數(shù)百個堿基對的片段進行氯化銫密度梯度超離心時，這些重復(fù)序列片段常在主要DNA帶的前面或后面形成一個次要的DNA區(qū)帶，這些小的區(qū)帶就象衛(wèi)星一樣圍繞著DNA主帶?？勺償?shù)目串聯(lián)重復(fù)序列(variablenumbertandemrepeats，VNTR)：在衛(wèi)星DNA中有一類以少數(shù)核苷酸為單位多次串聯(lián)重復(fù)的DNA序列，以6-25個核苷酸為核心序列(coresequence)的串聯(lián)重復(fù)序列稱為小衛(wèi)星DNA，以2-6個核苷酸串聯(lián)重復(fù)序列稱為微衛(wèi)星DNA。第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日42小鼠DNA經(jīng)CsCl密度梯度離心顯示出主帶和衛(wèi)星DNA帶第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日43（四）基因家族和假基因基因家族(genefamily):真核生物基因組中有許多來源相同，結(jié)構(gòu)相似，功能相關(guān)的基因，一組基因稱為一個基因家族。基因簇(genecluster)：一個基因家族的基因成員緊密連鎖，成簇狀集中排列在同一條染色體的某一區(qū)域。假基因(pseudogene)：在多基因家族中，某些成員并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，但在結(jié)構(gòu)和DNA序列上與相應(yīng)的活性基因具有相似性。例如α珠蛋白基因簇中有假基因ψα和ψξ，其中一個是由于移碼突變或者終止密碼子突變而不能表達，而且缺少兩個內(nèi)含子；另一個假基因由于堿基突變不能產(chǎn)生有功能的蛋白質(zhì)。第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日44第五節(jié)基因表達的調(diào)控從基因至性狀的過程基因表達的調(diào)節(jié)環(huán)境的影響和基因的表型效應(yīng)第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日45基因作用與性狀表達

基因（DNA）

轉(zhuǎn)錄

mRNA

翻譯

蛋白質(zhì)

酶（蛋白質(zhì)）

（直接）

某種物質(zhì)

性狀表達（可見）（間接）第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日46基因效應(yīng)的變異與擬表型表現(xiàn)度（expressivity）：某一基因型表達的程度外顯率（penetrance）：群體中某一基因型顯示出其預(yù)期表型的比率。取決于基因型和內(nèi)外環(huán)境擬表型（phenocopies）：環(huán)境因素有時引起非遺傳的表型變化第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日47

我們可以把某種生物的遺傳密碼比作一本密碼字典，每個細胞都有這本字典。每個細胞中的密碼并不全部譯出，而是各取所需，不同細胞密碼不同，同一細胞在不同的發(fā)育時期也譯出不同的密碼。第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日48原核生物基因調(diào)控的模式

以大腸桿菌為例能利用乳糖作為唯一碳源第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日49

乳糖代謝需要三種酶：（lacZ)-半乳糖苷酶：乳糖→半乳糖和葡萄糖。（lacY)滲透酶：增加糖的滲透，促進乳糖進入細胞（lacA)轉(zhuǎn)乙酰酶：機理不明在培養(yǎng)基上加入乳糖，以上三種酶大量增加，乳糖用完，這三種酶的合成停止。實驗第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日50乳糖操縱子模型（Jacob和Monod,1961）以上三個酶的基因轉(zhuǎn)錄受乳糖操縱子（operon）的三個結(jié)構(gòu)基因的控制，主要內(nèi)容：

lacZ、lacY、lacA為三種酶結(jié)構(gòu)基因

o：操縱基因（開關(guān)位點）

i：調(diào)節(jié)基因：合成組蛋白（阻遏物）

p:啟動基因基因作用與性狀表達第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日51當(dāng)培養(yǎng)基內(nèi)沒有乳糖時，阻遏物接在操縱基因上，關(guān)閉操縱子，阻止核糖核酸聚合酶的通過→抑制基因的表達→關(guān)閉當(dāng)培養(yǎng)基內(nèi)加入乳糖，乳糖作為誘導(dǎo)物與阻遏物結(jié)合→打開操縱子→基因表達（圖11-24）第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日52第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日53乳糖操縱子的調(diào)控機理第53頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日54DNA及染色體水平的調(diào)控基因丟失（線蟲、昆蟲、甲殼類）基因擴增基因重排：在形成活性基因前，各區(qū)域通過染色體內(nèi)重組而連接在一起，使細胞可能產(chǎn)生數(shù)以萬計的免疫球蛋白DNA的甲基化作用：珠蛋白的基因表達第54頁，共61頁，2023年，2月20日，星期日55基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

真核基因的轉(zhuǎn)錄需順式作用轉(zhuǎn)錄元件和反式作用轉(zhuǎn)錄元件的相互作用，改變DNA的構(gòu)象，影響基因的轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)節(jié)