遺傳信息傳遞的中心法則及基因表達

第七章遺傳信息傳遞的中心法則及基因表達2024/11/101一、遺傳信息傳遞的中心法則

蛋白質翻譯轉錄逆轉錄復制復制DNARNA生物的遺傳信息以密碼的形式儲存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序。在細胞分裂的過程中，通過DNA復制把親代細胞所含的遺傳信息忠實地傳遞給兩個子代細胞。在子代細胞的生長發(fā)育過程中，這些遺傳信息通過轉錄傳遞給RNA，再由RNA通過翻譯轉變成相應的蛋白質多肽鏈上的氨基酸排列順序，由蛋白質執(zhí)行各種各樣的生物學功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳特征。后來人們又發(fā)現(xiàn)，在宿主細胞中一些RNA病毒能以自己的RNA為模板復制出新的病毒RNA，還有一些RNA病毒能以其RNA為模板合成DNA，稱為逆轉錄這是中心法則的補充。

中心法則總結了生物體內遺傳信息的流動規(guī)律，揭示遺傳的分子基礎，不僅使人們對細胞的生長、發(fā)育、遺傳、變異等生命現(xiàn)象有了更深刻的認識，而且以這方面的理論和技術為基礎發(fā)展了基因工程，給人類的生產和生活帶來了深刻的革命。2024/11/102二、基因復制的忠實性

DNA復制過程是一個高度精確的過程，據估計，大腸桿菌DNA復制109-1010堿基對僅出現(xiàn)一個誤差，保證復制忠實性的原因主要有以下三點:a、DNA聚合酶的高度專一性（嚴格遵循堿基配對原則）b、DNA聚合酶的校對功能（錯配堿基被3’-5’

外切酶切除）c、起始時以RNA作為引物2024/11/103DNA聚合酶的3

-5

外切酶水解位點3′3′5′5′錯配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點2024/11/1042024/11/105DNA聚合酶的校對功能

5′-核酸外切酶3′-核酸外切酶裂縫聚合中心裂縫內部2024/11/106DNA聚合酶的校對功能聚合酶錯配鹼基復制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯配核苷酸2024/11/107三、逆轉錄作用1、概念2、逆轉錄酶3、病毒逆轉錄過程4、逆轉錄的生物學意義擴充了中心法則有助于對病毒致癌機制的了解與真核細胞分裂和胚胎發(fā)育有關逆轉錄酶是分子生物學重要工具酶三種功能依賴DNA指導下的DNA聚合酶活力依賴RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力

以RNA為模板合成DNA，這與通常轉錄過程中遺傳信息從DNA到RNA的方向相反，故稱為逆轉錄作用。2024/11/108逆轉錄過程中cDNA的合成

依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶2024/11/109逆逆轉錄病毒的生活周期

生活周期RNA衣殼被膜逆轉錄酶轉錄轉譯整合入宿主細胞染色體DNA進入細胞丟失被膜丟失衣殼逆轉錄RNARNAcDNA衣殼蛋白被膜蛋白逆轉錄酶2024/11/1010

四、DNA的突變

DNA分子中的核苷酸序列發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，從而導致DNA的復制以及后來的轉錄和翻譯產物隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)出異常的遺傳特性，稱為DNA的突變。它包括由于DNA損傷和錯配得不到修復而引起的突變，以及由于不同DNA分子之間的交換而引起的遺傳重組。（二）誘變劑的作用

堿基類似物(baseanalog)

堿基修飾劑(basemodifier)

嵌入染料(intercalationdye)

紫外線(ultraviolet)和電離輻射(ionizingradiation)（一）突變的類型

堿基對的置換(substitution)

移碼突變(framesshiftmutation)2024/11/1011

DNA突變的類型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-轉換

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-顛換堿基對的置換(substitution)移碼突變(framesshiftmutation)2024/11/1012五、DNA的損傷與修復

某些物理化學因子，如紫外線、電離輻射和化學誘變劑等，都有引起生物突變和致死的作用，其機理是作用于DNA，造成DNA結構和功能的破壞，稱為DNA的損傷.DNA的修復主要有以下類型:暗修復（4）誘導修復（SOS修復）（1）光裂合酶修復活（2）切除修復（3）重組修復

2024/11/1013DNA紫外線損傷的光裂合酶修復1、形成嘧啶二聚體2、光復合酶結合于損傷部位3、酶被可見光激活4、修復后酶被釋放2024/11/1014DNA的損傷和切除修復堿基丟失堿基缺陷或錯配結構缺陷切開核酸內切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶AP核酸內切酶核酸外切酶切開切除修復連接糖苷酶插入酶堿基取代2024/11/1015DNA的重組修復胸腺嘧啶二聚體復制核酸酶及重組蛋白修復復制DNA聚合酶DNA連接酶重組2024/11/1016六、DNA指導下RNA的合成（轉錄）1、概念及DNA的有義鏈和反義鏈2、RNA聚合酶及催化反應3、RNA合成過程4、RNA轉錄后的加工5、真核生物的RNA合成2024/11/1017轉錄的概念和DNA的有義鏈和反義鏈

轉錄是在DNA的指導下的RNA聚合酶的催化下，按照鹼基配對的原則，以四種核苷酸為原料合成一條與模板DNA互補的RNA

的過程。RNA的轉錄從DNA模板的特定位點開始，并在一定的位點終止。此轉錄區(qū)域為一個轉錄單位。

啟動子（promoter)

終止子(terminator)模板鏈（templattestrand）反意義鏈(antisensestrand)有意義鏈(sensestrand)非信息區(qū)DNA5′5′3′3′2024/11/1018大腸桿菌RNA聚合酶的結構示意圖

核心酶(α2ββ

)起始因子β

——和模板DNA結合β——起始和催化聚合反應α——？全酶(αββ

)2024/11/1019RNA聚合酶催化的反應ACGACGUU模板DNA5′3′5′3′新合成RNA2024/11/1020RNA合成過程起始雙鏈DNA局部解開磷酸二酯鍵形成終止階段解鏈區(qū)到達基因終點延長階段5

3

RNA

啟動子（promoter)

終止子(terminator)5

RNA聚合酶

5

3

5

3

5

5

3

離開2024/11/1021RNA鏈的延伸圖解3′3′RNA-DNA雜交螺旋聚合酶的移動方向新生RNA復鏈解鏈有義鏈模板鏈（反義鏈）延長部位2024/11/1022原核生物中rRNA前體的加工

甲基化作用專一核酸內切酶30S前體17StRNA25S專一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA專一核酸外切酶2024/11/1023tRNA前體分子的加工a、切除tRNA前體兩端多余的序列：

5’—端切除幾到10個核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修飾：形成稀有堿基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC

表示核酸內切酶的作用表示核苷酸轉移酶的作用表示核酸外切酶的作用

表示異構化酶的作用

2024/11/1024真核細胞mRNA的加工5′

“帽子”PolyA

3′

順反子(cistron)

m7G-5′ppp-N-3′pAAAAAAA-OH

5′端接上一個“帽子”(CAP)結構

3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸轉移酶催化

剪接：剪去內含子(intron)，拼接外顯子(extron)2024/11/1025酵母酪氨酸t(yī)RNA前體的加工早轉錄本成熟tRNA加工2024/11/1026真核生物和原核生物轉錄的差別

DNA核核糖體新生蛋白質真核生物原核生物mRNA前體轉運加工mRNAmRNA

真核生物中轉錄與復制在不同的區(qū)域

RNA聚合酶不相同

啟動子不同

轉錄后RNA加工修飾不同2024/11/1027

皮肌炎是一種引起皮膚、肌肉、心、肺、腎等多臟器嚴重損害的，全身性疾病，而且不少患者同時伴有惡性腫瘤。它的1癥狀表現(xiàn)如下：1、早期皮肌炎患者，還往往伴有全身不適癥狀，如-全身肌肉酸痛，軟弱無力，上樓梯時感覺兩腿費力；舉手梳理頭發(fā)時，舉高手臂很吃力；抬頭轉頭緩慢而費力。皮肌炎圖片——皮肌炎的癥狀表現(xiàn)七、蛋白質翻譯基因的遺傳信息在轉錄過程中從DNA轉移到mRNA，再由mRNA將這種遺傳信息表達為蛋白質中氨基酸順序的過程叫做翻譯。合成體系：20種氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白體、酶和因子,以及無機離子、ATP、GTP合成方向：N→C端。2024/11/1029參與蛋白質合成的三類RNA及核糖體1.rRNA

與蛋白質一起構成核糖體——蛋白質合成“工廠”核糖體結構組成

核糖體的基本功能結合mRNA，在mRNA上選擇適當的區(qū)域開始翻譯密碼子（mRNA）和反密碼子（tRNA）的正確配對肽鍵的形成

存在核糖體可游離存在，真核中，也可同內質網結合，形成粗糙的內質網。原核中，與mRNA形成串狀——多核糖體2024/11/10302024/11/1031原核生物核糖體組成真核生物核糖體組成2024/11/10322.tRNA

結合氨基酸：一種氨基酸有幾種tRNA攜帶，結合需要ATP供能,氨基酸結合在tRNA3‘-CCA的位置。

反密碼子：每種tRNA的反密碼子，決定了所帶氨基酸能準確的在mRNA上對號入座。反密碼子與mRNA的第三個核苷酸配對時，不嚴格遵從堿基配對原則

2024/11/10333.mRNA

攜帶著DNA的遺傳信息，是多肽鏈的合成模板在原核細胞內，存在時間短，在轉錄的同時翻譯在真核細胞內，較穩(wěn)定蛋白質合成時，mRNA結合于核糖體小亞基上，大亞基結合帶氨基酸的tRNA，tRNA的反密碼子與mRNA密碼子配對，ATP供能，合成蛋白質。2024/11/1034遺傳密碼子為一個氨基酸編碼進入蛋白質多肽鏈特定線性位置的三個核苷酸單位稱為密碼子（Coden）或三聯(lián)體密碼。密碼子的發(fā)現(xiàn)

統(tǒng)計學方法人工合成僅由一種核苷酸組成的多聚核苷酸，推測由哪一種氨基酸合成的多肽核糖體結合試驗1965年，Nirenberg用polyu加入C14標記的20種aa,僅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破譯了全部密碼，編出遺傳密碼表。2024/11/1035遺傳密碼2024/11/1036遺傳密碼子的特點無標點、不重疊

密碼子是不重疊的，每個三聯(lián)體中的三個核苷酸只編碼一個氨基酸，核苷酸不重疊使用噬菌體

x174中某些基因之間有重疊現(xiàn)象簡并(degeneracy)

幾種密碼子對應于相同一種氨基酸。這些密碼子為同義密碼子通用性絕大多數密碼子對各種生物都適用，某些線粒體中遺傳密碼有例外終止信號

UAG、UAA、UGA起始信號

AUG（真核中起始為Met、原核中起始為fMet,翻譯中間為Met）和氨酸的密碼子(GUG)(極少出現(xiàn)）2024/11/1037四、蛋白質生物合成過程以mRNA為模板，氨基酸經活化獲得的氨酰tRNA為原料，GTP、ATP供能，在核糖體中完成。1.氨基酸的活化tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的幫助下，能夠識別相應的氨基酸，并通過tRNA氨基酸臂的3'-OH與氨基酸的羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。氨基酰-tRNA的形成是一個兩步反應過程：第一步是氨基酸與ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基?；D移到tRNA的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。2024/11/1038氨基酸活化圖示2024/11/1039氨基酸活化的總反應式是：

氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一種氨基酸至少有一種對應的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸與ATP的作用,也催化氨基?；D移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶具有高度的專一性。每一種氨基酰-tRNA合成酶只能識別一種相應的tRNA。tRNA分子能接受相應的氨基酸,決定于它特有的堿基順序,而這種堿基順序能夠被氨基酰-tRNA合成酶所識別。2024/11/1040氨基酸的活化2024/11/10412.在核糖體上合成肽鏈氨基酰-tRNA通過反密碼臂上的三聯(lián)體反密碼子識別mRNA上相應的遺傳密碼，并將所攜帶的氨基酸按mRNA遺傳密碼的順序安置在特定的位置，最后在核糖體中合成肽鏈。肽鏈的合成過程（以原核為例）起始延伸終止與釋放2024/11/1042肽鏈合成的起始起始密碼的識別首先辨認出mRNA鏈上的起始點（AUG），核糖體小亞基上的16SrRNA和mRNA的SD序列（位于起始位點上游4－13個核苷酸）結合N－甲酰甲硫氨酸－tRNA的活化形成起始復合物的形成（圖示）2024/11/1043肽鏈的延長進位

（氨酰tRNA進入A位點）參與因子：延長因子EFTu（Tu）、EFTs（Ts）、GTP、氨酰tRNA肽鏈的形成肽?；鶑腜位點轉移到A位點，形成新的肽鏈移位（translocase）在移位因子（移位酶）EF－G的作用下，核糖體沿mRNA（5’-3’）作相對移動，使原來在A位點的肽酰－tRNA回到P位點2024/11/1044核糖體移動方向P位點A位點2024/11/1045進位核糖體移位肽鏈的形成2024/11/1046延長過程中肽鏈的生成肽基轉移酶2024/11/1047肽鏈的延伸過程2024/11/1048肽鏈合成的終止與釋放識別mRNA的終止密碼子，水解所合成肽鏈與tRNA間的酯鍵，釋放肽鏈R1識別UAA、UAGR2識別UAA、UGAR3影響肽鏈的釋放速度RR幫助P位點的tRNA殘基脫落，而后核糖體脫落2024/11/1049多核糖體在細胞內一條mRNA鏈上結合著多個核糖體，甚至可多到幾百個。蛋白質開始合成時，第一個核糖體在mRNA的起始部位結合，引入第一個蛋氨酸，然后核糖體向mRNA的3’端移動一定距離后，第二個核糖體又在mRNA的起始部位結合，現(xiàn)向前移動一定的距離后，在起始部位又結合第三個核糖體，依次下去，直至終止。每個核糖體都獨立完成一條多肽鏈的合成，所以這種多核糖體可以在一條mRNA鏈上同時合成多條相同的多肽鏈，這就大大提高了翻譯的效率

2024/11/1050真核細胞蛋白質合成的特點核糖體為80S，由60S的大亞基和40S的小亞基組成起始密碼AUG起始tRNA為Met－tRNA起始復合物結合在mRNA5’端AUG上游的帽子結構，真核mRNA無富含嘌呤的SD序列（除某些病毒mRNA外）已發(fā)現(xiàn)的真核起始因子有近9種（eukaryoteInitiationfactor,eIF）eIF4A.eIF4E.P220復合物稱為帽子結構結