動(dòng)物遺傳學(xué)課件：第五章 遺傳信息的傳遞

第五章遺傳信息的傳遞第一節(jié)DNA的復(fù)制第二節(jié)DNA的轉(zhuǎn)錄第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成第四節(jié)基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)DNA的復(fù)制一、DNA復(fù)制的基本規(guī)律二、DNA復(fù)制所需的酶和蛋白質(zhì)三、DNA復(fù)制的一般過程四、原核生物和真核生物DNA的復(fù)制特點(diǎn)一、DNA復(fù)制的基本規(guī)律1、半保留復(fù)制一個(gè)雙鏈DNA分子復(fù)制所產(chǎn)生的兩個(gè)子代雙鏈DNA分子，一條鏈?zhǔn)切潞铣傻?，另一條則來自親代DNA分子，即子代保留了一條親本鏈，因而這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。2、半不連續(xù)復(fù)制

DNA復(fù)制過程中，一條子鏈的復(fù)制是連續(xù)的，而另一條子鏈的復(fù)制是不連續(xù)的，這種復(fù)制方式稱為半不連續(xù)復(fù)制。1、半保留復(fù)制1953年Watson和Crick發(fā)表了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，同年緊接著提出了DNA半保留復(fù)制的機(jī)理。1958年，M.Meselson和F.Stahl用大腸桿菌設(shè)計(jì)精巧的實(shí)驗(yàn)證明了半保留復(fù)制模型的正確性。TheMeselsonandStahlexperimentTheMeselsonandStahlexperimenttodeterminethemodeofDNAreplication.

Thebandsinthecentrifugetubearevisibleunderultravioletlight.Thepatternofbands(left)comesaboutfromsemiconservativeDNAreplication(right)of15NDNA(blue)replicatingina14Nmedium(red).2、半不連續(xù)復(fù)制DNA復(fù)制過程中，新生子鏈的合成只能沿5’→3’進(jìn)行。以3’→5’模板鏈進(jìn)行互補(bǔ)復(fù)制時(shí)，子鏈的復(fù)制方向與雙鏈的解開方向一致，可持續(xù)合成而形成一條連續(xù)的互補(bǔ)鏈，稱為前導(dǎo)鏈。而以5’→3’模板鏈進(jìn)行互補(bǔ)復(fù)制時(shí)，子鏈的復(fù)制方向與雙鏈的解開方向相反，不能持續(xù)合成，而是先以5’→3’方向不連續(xù)合成許多小片段，稱為岡崎片段，最后再由DNA連接酶將這些岡崎片段連接成一條完整的互補(bǔ)鏈，稱為后隨鏈。DiscontinuousmodelofDNAreplication.Lagging-strandreplicationrequiresOkazakifragmentstoformgoingbackward,awayfromtheY-junction.二、DNA復(fù)制所需的酶和蛋白質(zhì)1、DNA聚合酶(DNApolymerase)2、引發(fā)酶(primase)3、DNA連接酶(DNAligase)4、拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase)5、解鏈酶(helicase)6、單鏈結(jié)合蛋白(singlestrandbindingprotein,SSB)三、DNA復(fù)制的一般過程1、DNA復(fù)制的起始2、DNA復(fù)制的延伸3、DNA復(fù)制的終止ASummaryofDNAReplication四、原核生物和真核生物DNA的復(fù)制特點(diǎn)1、復(fù)制的起點(diǎn)和速率通常原核生物只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，而真核生物基因組中有很多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。2、復(fù)制方式原核生物的染色體和質(zhì)粒DNA都是環(huán)狀分子，采用θ型復(fù)制或滾環(huán)復(fù)制；哺乳動(dòng)物的線粒體DNA（環(huán)狀DNA分子）采用D環(huán)復(fù)制方式，基因組DNA采用多復(fù)制泡線性復(fù)制。3、真核生物染色體末端DNA的復(fù)制

端粒(telimere)與端粒酶(telomerase)DNAReplicationModelsDNAReplicationModelsDNAReplicationModels第二節(jié)DNA的轉(zhuǎn)錄一、DNA轉(zhuǎn)錄的基本特征二、RNA聚合酶三、基因轉(zhuǎn)錄的一般過程四、mRNA的加工TranscriptionistheprocessthatsynthesizesRNAfromaDNAtemplateVisualizingtranscriptionImageofDNAbefore(a)andafter(b)E.coliRNApolymerase(brightoblongobjectinb)bindstoapromoter.Picturesarebyscanningforcemicroscopy,anewlasertechniquethatimagesmoleculesinwater.Imagesizesare300by300nm.Darkbrownrepresentssubstratelevel;thehighestpointiswhiteatabout10nmhigh.Intermediatecolorsrepresentintermediateheights.DNAtranscriptionUndertheelectron

microscopeUndertheelectronmicroscope,DNAmoleculesundergoingtranscriptionexhibitChristmas-tree-likestructures.Thetrunkofeach

“Christmastree”(atranscriptionunit)representsaDNA

molecule;thetreebranches(granularstringsattachedto

theDNA)areRNAmoleculesthathavebeentranscribed

fromtheDNA.Asthetranscriptionapparatusmoves

downtheDNA,transcribingmoreofthetemplate,the

RNAmoleculesbecomelongerandlonger.一、DNA轉(zhuǎn)錄的基本特征1、多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞中只有約1%的DNA序列最后被表達(dá)成為成熟的mRNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。2、轉(zhuǎn)錄時(shí)只有一條鏈為模板，這條鏈稱為模板鏈或反義鏈，而另一條與mRNA具有相同序列的DNA單鏈稱為有意義鏈。3、轉(zhuǎn)錄的底物是A\U\C\G，4種核糖核苷三磷酸4、真核生物基因和rRNA、tRNA基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄生成的初級(jí)轉(zhuǎn)錄物一般都需經(jīng)過加工，才能成為具有生物功能和成熟的RNA分子?！?、RNA聚合酶RNA聚合酶最基本的活性是在RNA合成中指導(dǎo)rNTP底物與模板DNA堿基配對(duì)，催化磷酸二酯鍵的形成。三、基因轉(zhuǎn)錄的一般過程1、轉(zhuǎn)錄的起始2、轉(zhuǎn)錄的延伸3、轉(zhuǎn)錄的終止4、mRNA的加工AtranscriptionunitAtranscriptionunitincludesapromoter,anRNA-codingregion,andaterminator.轉(zhuǎn)錄的起始(a)AnRNApolymeraseIIpreinitiationcomplexatapromoter.TFIIDbindstotheTATAbox(red).Theothertranscriptionfactorsarethenrecruitedwiththepolymerase.(b)Twoactivators(yellow)areshownboundatoneend(theirDNAdomains)toenhancers(blueandgreen)upstreamontheDNA.Theactivatorsareboundattheirotherends(theirtranscriptionalactivationdomains)tootherproteinsassociatedwiththepolymerasemachinery.hosphorylationofthepolymeraseinitiatesactivatedtranscription.轉(zhuǎn)錄Intranscription,nucleotidesarealwaysaddedtothe3

endoftheRNAmolecule.4、mRNA的加工真核生物基因的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一般缺乏生物活性，必須經(jīng)過剪接加工后成為有活性的成熟mRNA分子，再?gòu)募?xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。主要包括：在mRNA的5‘末端加“帽子”，在3’端加上多聚腺苷酸(polyA)尾巴以及進(jìn)行RNA的剪接等。mRNA的加工IneukaryoticDNA,interveningsequences,orintrons,areremovedfromtheRNAinthenucleusbeforethemRNAistransportedintothecytoplasmandtranslated.Othermodificationsconsistofsplicing,5

capping,and3polyadenylation.MatureeukaryoticmRNAisproducedwhenpre-mRNAis

transcribedandundergoesseveraltypesofprocessing.

第三節(jié)蛋白質(zhì)的生物合成一、遺傳密碼二、核糖體的結(jié)構(gòu)和功能三、蛋白質(zhì)生物合成的過程四、中心法則及其發(fā)展Proteinsserveanumberofbiological

functionsandarecentraltoalllivingprocessesThelightproducedbyfirefliesistheresultofalight-producingreactionbetweenluciferinandATPcatalyzedbytheenzymeluciferase.Proteinsserveanumberofbiological

functionsandarecentraltoalllivingprocessesTheproteinfibroinisthemajorstructuralcomponentofspiderwebs.一、遺傳密碼Thegeneticcodeconsistsof64codonsandtheaminoacidsspecifiedbythesecodons.Thecodonsarewritten5→3,astheyappearinthemRNA.AUGisaninitiationcodon;UAA,UAG,andUGAareterminationcodons.遺傳密碼除甲硫氨酸和色氨酸對(duì)應(yīng)一種密碼子外，其它的氨基酸對(duì)應(yīng)著一種以上的密碼子，這種多種密碼子編碼同一氨基酸的現(xiàn)象稱為密碼的簡(jiǎn)并(degenecy)，編碼相同氨基酸的密碼子稱為同義密碼子(synonymouscondon)。二、核糖體的結(jié)構(gòu)和功能核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，在細(xì)菌細(xì)胞中其蛋白量和RNA量分別占總蛋白量和總RNA量的10%和80%.核糖體可分為翻譯功能區(qū)和出口功能區(qū)，前者是肽鏈合成的場(chǎng)所，后者是多肽的出口，核糖體通過這個(gè)區(qū)域附著在膜上。三、蛋白質(zhì)生物合成的過程1、合成的起始2、肽鏈的延伸3、翻譯的終止TheinitiationoftranslationinbacterialcellsrequiresseveralinitiationfactorsandGTP.Theelongationof

translationcomprisesthreestepsTranslationendswhenastopcodonisencountered.Conclusion:Whenastopcodonisencountered,releasefactorsassociatewiththeribosomeandbringabouttheterminationoftranslation.五、中心法則及其發(fā)展20世紀(jì)40年代，漢墨林（J·Hammerling）和布拉舍（J·Brachet）分別發(fā)現(xiàn)傘藻和海膽卵細(xì)胞在除去細(xì)胞核之后，仍然能進(jìn)行一段時(shí)間的蛋白質(zhì)合成。這說明細(xì)胞質(zhì)能進(jìn)行蛋白質(zhì)合成。1955年李托菲爾德（Littlefield）和1959年麥克奎化（K·McQuillen）分別用小鼠和大腸桿菌為材料證明細(xì)胞質(zhì)中的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。

1955年，布拉舍用洋蔥根尖和變形蟲為材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他用核糖核酸酶（RNA酶）分解細(xì)胞中的核糖核酸（RNA），蛋白質(zhì)的合成就停止。而如果再加入從酵母中抽提的RNA，蛋白質(zhì)的合成就有一定程度的恢復(fù)。同年，戈?duì)柕滤固梗℅oldstein）和普勞特（Plaut）觀察到用放射性標(biāo)記的RNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)。因此，人們猜測(cè)RNA是DNA與蛋白質(zhì)合成之間的信使。1961年，雅可布（F·Jacob）和莫諾（J·Monod）正式提出“信使核糖核酸”（mRNA）的術(shù)語(yǔ)和概念。1964年馬貝克斯（C·Marbaix）從兔的網(wǎng)織紅細(xì)胞中分離出一種分子量較大而壽命很短的RNA，被認(rèn)為是mRNA。實(shí)際上，早在1947年，法國(guó)科學(xué)家布瓦旺（A·Boivin）和旺德雷利（R·Vendrely）就在當(dāng)年的《實(shí)驗(yàn)》雜志上聯(lián)名發(fā)表了一篇論文，討論DNA、RNA與蛋白質(zhì)之間可能的信息傳遞關(guān)系。

1957年9月，克里克提交給實(shí)驗(yàn)生物學(xué)會(huì)一篇題為“論蛋白質(zhì)合成”的論文，這篇論文被評(píng)價(jià)為“遺傳學(xué)領(lǐng)域最有啟發(fā)性、思想最解放的論著之一?！痹谶@篇論文中，克里克正式提出遺傳信息流的傳遞方向是DNA→RNA→蛋白質(zhì)，后來被學(xué)者們稱為“中心法則”。

1970年發(fā)現(xiàn)在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，路斯肉瘤病毒能以自已的RNA作為模板合成DNA，這個(gè)DNA分子結(jié)合到宿主染色體的特定位置上，成為DNA前病毒，進(jìn)而使宿主細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槟[瘤細(xì)胞。根據(jù)路斯肉瘤病毒的生活史，遺傳信息還可以由RNA轉(zhuǎn)向DNA。發(fā)展了的中心法則示意圖DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄反轉(zhuǎn)錄未知未知翻譯第四節(jié)基