分子遗传学考研复习材料编

1、分子遗传学考研复习材料编武汉大学分子遗传学笔记第一章绪论1.1 分子遗传学的含义1.不能把分子遗传学单纯地理解成中心法则的演绎*分子遗传学中心法则传统：分子遗传学=中心法则实际：分子遗传学中心法则，他首先是遗传学，其坚实的理论基础仍然是摩尔根的基因论中心法则只是对基因，性状及突变在核酸分子水平上的解释。从中心法则到性状的形成仍然是一个复杂的甚至未知的遗传，变异与发育的生物学过程。分子遗传学不仅盯住DNA/RNA，蛋白质，更要研究活细胞内与遗传便宜有关的一切分子事件。分子遗传学核酸+蛋白质分子遗传学研究的对象是分子水平上的生物学过程-遗传与变异的过程。它研究的是动态的生物学过程，而不是脱离生物体

2、，在试管里孤立地研究生物大分子的结构与功能。1992年，Nature 的主编J.Maddox 曾著文 Is molecular biology yet a science？指出："现在有那么一些叫分子生物学家的人， 他们的文章无视全部的动物，植物，也很少言及他们的生理学。实验的大部分资料来自所谓的'凝胶'-""分子生物学在很大程度上变成定性的科学。-如果事情只是简单的说明某个基因版本与某种遗传病相关，那么，分离这种片段（如电泳），然后测序足以。"但是"以往的巨大成就表明，生命过程是由严格控制下进行的一些有序事件组成"他

3、说："在人们长期为细胞生物学现象寻找定性的解释中，他们将会相信细胞只不过是一个充满了分子开关的袋子，他们作为分子传动器或开或关而出现在预定的事件序列中。要真正在分子水平上了解遗传变异的本质，仅仅研究核酸或蛋白质的生物化学是不够的。分子遗传学所研究的应该是细胞中动态的遗传变异过程，以及与其相关的分子事件。所以不止是中心法则，核酸，蛋白质。2.分子遗传学不是核酸及其产物（蛋白质）的生物化学分子遗传学是分子生物学的一个分支， 或理解为狭义的分子生物学。他依照物理，化学的原理来解释遗传现象，并在分子水平上研究遗传机制及遗传物质对代谢过程的调控。因此，分子遗传学是在生命信息大分子的结构，功能及

4、相互关系的基础上研究遗传与变异的科学。3.传统的遗传学"主要研究遗传单元在各世代的分布情况"，分子遗传学则着重研究遗传信息大分子在生命系统中的储存，复制，表达及调控过程。研究范畴如下： DNA RNA Protein 现象信息源 信息模板 工作分子 生长、分化、发育、代谢1.2 分子遗传学的产生1.物理学的渗透1945年奥地利物理学家量子力学的创始人之一薛定谔（ERWIN SCHRMODINGER）的生命是什么一书出版。倡导用物理学的思想和方法探讨生命的秘密。引入热力学第二定律，熵概念等。他认为有机体在不断地增加他的熵并趋向最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡而正常

5、生长发育，就要从环境中吸取负熵，负熵是一个积极的东西。有机体就是依赖负熵为生的。他认为生命系统中可能还包含迄今未知的"其他的物理学定律"极大地鼓励着很多物理学家转入生物学来研究基因的本性。整个40年代，新的物理学定律并未发现，但信息论，量子论，氢键等概念把生物学推向分子水平。2.微生物学向遗传学的靠拢1926年摩尔根的基因论已经问世，但20世纪30年代，微生物学家采用拉马克的遗传观念，因为他们对微生物的遗传可塑性有很深刻的印象。如在含有致死药物的培养基上，可以很容易培育出各种致死药物有抗性的微生物品系；把不能利用乳糖的微生物放在乳糖为主要营养的培养基上，可以培育出利用乳糖的

6、新品种。似乎人们所期望的微生物的任何变异都能通过适当的培养而产生出来，这使人们容易相信培养基中的物质可以引起微生物遗传结构的定向变异。事实并非如此，40年代抗生素的大规模使用，发生了病原菌的抗药性问题。实验表明，病原菌的一种抗药性在没有该药存在的情况下随机地发生了。说明抗药性的产生并不是由于微生物在某种药物的作用下的后天获得性遗传，而是随机发生的自发突变经过药物的筛选作用，使不具有抗药性的菌体死亡，使具有抗药性的变异菌体大量繁殖起来。于是，拉马克倒了，人们转向摩尔根的基因突变理论。3.生化遗传学的出现近代遗传学的基础已经稳固建立，开始研究基因是怎么发生作用的问题。生物化学家自然把性状的差别与不

7、同的生化反应联系起来，把支配性状的基因与控制生化反应的酶联系起来。1923年英国人加罗德（GARROD），人类的尿黑酸尿症是一种隐性遗传病。当这种纯合隐性基因存在时就不能产生尿黑酸酶，使尿黑酸（蛋白质的代谢产物）不能最终分解为二氧化碳和水而积累于血液中。表明基因通过酶合成的控制而影响遗传性状的发育。4.从生化遗传学到分子遗传学基因与酶（蛋白质）的对应性，使人们想到了基因在遗传信息上与其产物相关。三个重要发现更促成了生化遗传学向分子遗传学的转变：40年代解决了遗传的物质基础问题1928年F Griffith，肺炎球菌1944 O T Avery 肺炎球菌遗传物质转化50年代确定了分子水平上的遗传

8、机理问题1953 J Watson F Crkck DNA分子的双螺旋模型 碱基配对原则60年代解决了遗传密码问题1955 F Sanger 胰岛素氨基酸序列确定1958 F Crick 提出中心法则1967 年"遗传密码字典"问世1.3 分子遗传学的展望 1.基因的概念一门科学都是以概念为基础的。化学以原子-分子概念为基础，而遗传学则是以基因概念为基础。基因概念的演变标志着遗传学的发展。什么是基因？摩尔根在基因论中提出遗传粒子理论，整个基因论是以粒子性的基因彼此独立互不重叠。好象线上的连珠。分子遗传学的发展证明基因不仅可以重叠，而且可被分隔。为此，GILBERT 1978

9、年提出"基因是转录单位"代替了"基因是功能单位"的概念。仍然有些不妥，因为有的基因（如启动子基因或操纵子基因）并不转录或不完全转录，而作为一个单位转录下来的MRNA也往往不是一个基因。以前认为基因是染色体上成直线排列的独立单位，现在发现一些相关的基因在染色体上的排列不是杂乱无章的，而是构成一个小的"家族"或基因群。基因及基因型的稳定性一直是传统遗传学的重要概念，而1952年MCCLINTOCK在玉米中发现了转座子即跳跃基因。30年后的1983年她为此获得诺贝尔奖金。基因的概念还将会不断改进。2.真核细胞的基因调控原核生物的操纵子模型比

10、较彻底地了解原核生物的基因调控。但操纵子模型对真核生物不适用。因为：这一简单的基因调控模型无法解释高等生物体中复杂性状的分化与发育过程。这种模型的调控灵敏度MRNA 很快地被制造又很快地被消耗能够对外界的生存条件作出快速反应，而真核生物中MRNA的半衰期很长。真核生物许多协同作用的基因是分散在若干不同的染色体上，而原核生物只有一条染色体。因此真核生物的调控过程是分子遗传学的一项战略性任务。3.遗传与发育遗传和发育的研究"分久必合"。阐明基因对发育中的个体如何发生作用？这将会进一步扩大遗传学的观念。发育过程中基因通过怎样的调控系统参与分化的？这些基因活动形式的发生与遗传的分子

11、机制是什么？随着分子遗传学的发展，或许会出现基因发育学。将来通过遗传物质的分子活动能控制生物的发育分化吗？能否控制生男生女，体质和容貌吗？能否消灭遗传病，癌症？1997年"克隆羊"（Dolly）的诞生，由分化的体细胞发育出来的后代。4.自我组合过程生物的遗传与发育过程就是一个自我组合过程。将T4的各个部件混于溶液中，它们将会自动地装配成完整的T4。5.遗传工程遗传工程是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学，微生物遗传学的手段来改造或重组生物遗传特性的一门新技术。主要指基因重组技术。遗传工程在实际应用上有着巨大潜力。DNA扩增技术大量地生产细胞中产量极微而又具有极大应用价值的

12、基因产物如胰岛素，生长激素，干扰素等。基因的重组与转化主要以大肠杆菌，酵母以及培养细胞为受体，而遗传工程的一个引人注目的发展是试图在整体动物或植物之间进行基因转移，真正改造生物的遗传性状或治疗人类的遗传疾病。超级小鼠的问世。真核生物的基因组极其庞大。在整体情况下研究某一基因，常因条件错综复杂而难以分析。重组DNA技术使我们可以把需要的基因分离出来，对其进行重组和改造，或把他放回严格控制的细胞中去研究基因的结构和功能，或获取理想的蛋白质产品。近年来的蛋白质工程，应用基因重组技术去改造蛋白质分子结构，修改蛋白质的DNA编码，创造出新的蛋白质。6.基因组计划人类基因组计划（human genome

13、project HGP） 在全世界以深为人知，这应该是当今生命科学中最重大而热门的课题。人类基因组计划的最主要的目的是解读人类基因组的正常结构，功能，及基因的异常与人类疾病。 并由此会带来巨大的经济效益。这项计划是从1987年主要在美国以全基因组DNA测序为目标开始进行的（1990年正式启动）。已耗资300亿美元并将接近完成1.3 分子遗传学的展望 1.基因的概念一门科学都是以概念为基础的。化学以原子-分子概念为基础，而遗传学则是以基因概念为基础。基因概念的演变标志着遗传学的发展。什么是基因？摩尔根在基因论中提出遗传粒子理论，整个基因论是以粒子性的基因彼此独立互不重叠。好象线上的连珠。分子遗传

14、学的发展证明基因不仅可以重叠，而且可被分隔。为此，GILBERT 1978年提出"基因是转录单位"代替了"基因是功能单位"的概念。仍然有些不妥，因为有的基因（如启动子基因或操纵子基因）并不转录或不完全转录，而作为一个单位转录下来的MRNA也往往不是一个基因。以前认为基因是染色体上成直线排列的独立单位，现在发现一些相关的基因在染色体上的排列不是杂乱无章的，而是构成一个小的"家族"或基因群。基因及基因型的稳定性一直是传统遗传学的重要概念，而1952年MCCLINTOCK在玉米中发现了转座子即跳跃基因。30年后的1983年她为此获得诺贝尔奖

15、金。基因的概念还将会不断改进。2.真核细胞的基因调控原核生物的操纵子模型比较彻底地了解原核生物的基因调控。但操纵子模型对真核生物不适用。因为：这一简单的基因调控模型无法解释高等生物体中复杂性状的分化与发育过程。这种模型的调控灵敏度MRNA 很快地被制造又很快地被消耗能够对外界的生存条件作出快速反应，而真核生物中MRNA的半衰期很长。真核生物许多协同作用的基因是分散在若干不同的染色体上，而原核生物只有一条染色体。因此真核生物的调控过程是分子遗传学的一项战略性任务。3.遗传与发育遗传和发育的研究"分久必合"。阐明基因对发育中的个体如何发生作用？这将会进一步扩大遗传学的观念。发育

16、过程中基因通过怎样的调控系统参与分化的？这些基因活动形式的发生与遗传的分子机制是什么？随着分子遗传学的发展，或许会出现基因发育学。将来通过遗传物质的分子活动能控制生物的发育分化吗？能否控制生男生女，体质和容貌吗？能否消灭遗传病，癌症？1997年"克隆羊"（Dolly）的诞生，由分化的体细胞发育出来的后代。4.自我组合过程生物的遗传与发育过程就是一个自我组合过程。将T4的各个部件混于溶液中，它们将会自动地装配成完整的T4。5.遗传工程遗传工程是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学，微生物遗传学的手段来改造或重组生物遗传特性的一门新技术。主要指基因重组技术。遗传工程在实际应用上

17、有着巨大潜力。DNA扩增技术大量地生产细胞中产量极微而又具有极大应用价值的基因产物如胰岛素，生长激素，干扰素等。基因的重组与转化主要以大肠杆菌，酵母以及培养细胞为受体，而遗传工程的一个引人注目的发展是试图在整体动物或植物之间进行基因转移，真正改造生物的遗传性状或治疗人类的遗传疾病。超级小鼠的问世。真核生物的基因组极其庞大。在整体情况下研究某一基因，常因条件错综复杂而难以分析。重组DNA技术使我们可以把需要的基因分离出来，对其进行重组和改造，或把他放回严格控制的细胞中去研究基因的结构和功能，或获取理想的蛋白质产品。近年来的蛋白质工程，应用基因重组技术去改造蛋白质分子结构，修改蛋白质的DNA编码，

18、创造出新的蛋白质。6.基因组计划人类基因组计划（human genome project HGP） 在全世界以深为人知，这应该是当今生命科学中最重大而热门的课题。人类基因组计划的最主要的目的是解读人类基因组的正常结构，功能，及基因的异常与人类疾病。 并由此会带来巨大的经济效益。这项计划是从1987年主要在美国以全基因组DNA测序为目标开始进行的（1990年正式启动）。已耗资300亿美元并将接近完成第二章 遗传物质的基础DNA的结构与性质2.1 核酸是遗传物质遗传物质这种特殊的分子必须具备以下基本特点：1.稳定地含有关于有机体细胞结构，功能，发育和繁殖的各种信息2.能精确地复制，这样后代细胞才能

19、具有和亲代细胞相同的信息3.能够变异，通过突变和重组生物才能发生改变，适应和进化遗传物质的发现1928年英国F Griffith 的肺炎球菌转化实验导致了遗传物质的发现。十年后O Avery 的体外转化实验弄清了这种转化因子的化学本质是DNA，而不是蛋白质或其他的大分子。1952年Hershey-Chase 的实验使遗传物质的结论得到了进一步的证实，而于1969年获得了诺贝尔医学生理学奖。RNA也是遗传物质：如烟草花叶病毒的遗传物质是RNA。2.2 DNA携带两类不同的遗传信息DNA几乎是所有生物的遗传信息的携带者，除开少数RNA 病毒之外。DNA携带着两类不同的遗传信息：一类是负责蛋白质的氨

20、基酸组成的信息，以三联体密码子进行编码另一类遗传信息是关于基因选择性表达的信息2.3 DNA和RNA的化学组成及双螺旋模型1.DNA和RNA的化学组成核酸包括DNA和 RNA。经水解成单核苷酸（nucleotides），单核苷酸由磷酸基团（phosphate group）和核苷（nucleotide）组成，核苷含有戊糖（pentose）和碱基（base）。DNA中戊糖是D-脱氧核糖，碱基是ATGC；而RNA中戊糖是D-核糖。碱基是AUGC。2.DNA双螺旋模型的诞生美国J D Watson在芝加哥大学读本科时对鸟类赶兴趣，到了高年级时，他想了解基因是什么。1949年他带着这种想法进入了剑桥大学

21、卡文迪实验室医学研究组，与物理出生的青年学者F Crick 合作，决定研究DNA的分子结构。Crick 在1946年读了薛定谔（E Schrodinger）的名著（生命是什么）后，舍弃物理学转向生命科学领域。刚到剑桥大学时Watson由于自己的化学与物理学基础较差而担心听不懂R Franklin 所做的关于DNA X-衍射的研究学术报告，而两年后（1953年）他与Crick却建立了DNA分子的双螺旋模型，论文虽然很短，却是划时代的发现。可以说是孟德尔定律之后，在遗传学和分子生物学领域中最伟大的发现。因此，人们将这一发现看成是分子遗传学的起点。没有双螺旋就没有现在的基因工程，就没有分子生物学的迅

22、猛发展。这一模型是生物学与物理学，结构化学交叉融合的结果。尽管FRANKLIN 和WILKINS在DNA的X衍射研究方面非常突出，但却未能提出DNA的结构模型，就因为他们缺乏生物化学方面的知识。但没有他们的工作，WATSON和CRICK 建立的模型也不能及时得到验证。1951年WATSONG 去英国进修生物化学。双螺旋的建立是建立在前人科研成果的基础上的主要是四个影响：a.WT Astury 和Bell X衍射技术研究DNA。 1947年拍摄了第一张DNA的衍射照片。b.1951年 Pauling 和Corey在美国科学院报上连载了7篇有关a-螺旋结构的文章轰动了全世界，引起了 Watson和

23、剑桥科学家们的注意。c.美国晶体学者 J Donohue的指正和 Chargaff 的当量规律都帮助Watson-Crick纠正了起初A-A G-G C-C T-T 的同类配对的错误想法。而提出碱基互补的正确构型。d.R Franklin和 Wilkins 在1952年底拍得了一张十分清晰的DNA结晶X衍射照片。为双螺旋结构模型提供了强有力的依据和佐证。他们把数据整理好后与"DNA双螺旋结构"一文同时发表，因此J K Watson， Crick， Wilkins分享了1962年的诺贝尔奖，可惜的是FRANKLIN 1958年就英年早世未能享受这一最高荣誉。3.双螺旋模型的特

24、点DNA双螺旋模型有以下特点：a.DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成，形成右手双螺旋，即从一端看过去，是以顺时针方向旋转。b.双螺旋的直径是2nm；螺距为3。4nm，上下相连的碱基的垂直距离为0。34nm，交角为36度，每个螺旋有10个碱基对。c.两条链反向平行即两条链的5'和3'的方向相反。d.糖-磷酸键是在双螺旋的外侧，两条链上的碱基通过氢键形成碱基对，使两条链在一起。e.糖与附着在糖上的碱基近于垂直。f.碱基配对为嘌呤对嘧啶。g.DNA 双螺旋有大沟（major or wide groove）和小沟（minor or narrow groove）的存在2.4 DNA

25、的结构和性质1.DNA的一级结构DNA结构是由脱氧核糖核酸通过3' 5' 磷酸二酯键连接而成的高聚物。DNA的一级结构是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。DNA的一级结构的测序工作进展很快。1975年Sanger 提出新的测序策略。酶法：Sanger 加减法->末端终止法（双脱氧法）化学方法：Maxam Gilbert 化学断裂法（硫酸二甲酯，肼）2.DNA的二级结构双螺旋结构模型的特点(见上一节）DNA双螺旋的种类（DNA二级结构多形性）：1953年Watson and Crick提出的DNA右手双螺旋模型属于B型双螺旋。除B型构象外，还存在有A，C，D，E等构象的右手

26、双螺旋构象以及Z构象左手双螺旋。B-DNA 与Z-DNADNA类型 每一螺旋的碱基对数 每对螺旋的碱基对数 碱基对间的距离(nm) 螺旋直径(nm) B 10 右旋36度 0.338 1.9-2.0 Z 12 左旋30度 0.371 1.8Z-DNA 与染色质的结构及功能的关系a.与染色质结构的关系SV40基因组中三个潜在的Z-DNA区段处于不能形成核小体的区域，说明Z-DNA构象与核小体结构的形成有关b.与基因活性的关系与基因转录活性的调控有关Z-构象的研究意义：1979年AHJ WANG发现六聚体D(CpGpCpGpCpGp)决定双螺旋结构状态的因素（维系该结构的力）氢键碱基堆集力带负电荷

27、的磷酸基的静电斥力碱基分子内能3.DNA物理结构的不均一性反向重复序列(inverted repeats)：又称回文结构Palindrome (图示)富含A/T的序列嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响(图表)4.DNA的变性，复性，杂交, Cot曲线1) 变性变性的方法，测量变性的方法：光吸收法，增色效应2) 复性复性条件，复性机制3) 杂交杂交原理及程序 图示4) Cot 曲线DNA复性的二级方程5.DNA超螺旋和拓扑异构现象(略)6.常见的DNA分子形式及其相互关系(略)2.4 DNA的结构和性质1.DNA的一级结构DNA结构是由脱氧核糖核酸通过3' 5' 磷酸二

28、酯键连接而成的高聚物。DNA的一级结构是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。DNA的一级结构的测序工作进展很快。1975年Sanger 提出新的测序策略。酶法：Sanger 加减法->末端终止法（双脱氧法）化学方法：Maxam Gilbert 化学断裂法（硫酸二甲酯，肼）2.DNA的二级结构双螺旋结构模型的特点(见上一节）DNA双螺旋的种类（DNA二级结构多形性）：1953年Watson and Crick提出的DNA右手双螺旋模型属于B型双螺旋。除B型构象外，还存在有A，C，D，E等构象的右手双螺旋构象以及Z构象左手双螺旋。B-DNA 与Z-DNADNA类型 每一螺旋的碱基对数 每对螺旋

29、的碱基对数 碱基对间的距离(nm) 螺旋直径(nm) B 10 右旋36度 0.338 1.9-2.0 Z 12 左旋30度 0.371 1.8Z-DNA 与染色质的结构及功能的关系a.与染色质结构的关系SV40基因组中三个潜在的Z-DNA区段处于不能形成核小体的区域，说明Z-DNA构象与核小体结构的形成有关b.与基因活性的关系与基因转录活性的调控有关Z-构象的研究意义：1979年AHJ WANG发现六聚体D(CpGpCpGpCpGp)决定双螺旋结构状态的因素（维系该结构的力）氢键碱基堆集力带负电荷的磷酸基的静电斥力碱基分子内能3.DNA物理结构的不均一性反向重复序列(inverted rep

30、eats)：又称回文结构Palindrome (图示)富含A/T的序列嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响(图表)4.DNA的变性，复性，杂交, Cot曲线1) 变性变性的方法，测量变性的方法：光吸收法，增色效应2) 复性复性条件，复性机制3) 杂交杂交原理及程序 图示4) Cot 曲线DNA复性的二级方程5.DNA超螺旋和拓扑异构现象(略)6.常见的DNA分子形式及其相互关系(略)3.2 真核生物C值矛盾同一物种的基因组DNA含量总是恒定的，一个单倍体基因组中的全部DNA量称为该物种的C值。不同物种的C值也不同。最小的支原体为104bp，而最大的两栖类或某些显花植物可达1011bp。

31、后者比人类高出几十倍，这无法让人理解，这种形态学复杂程度与C值大小不一致的C 值反常现象称为C值矛盾。有待回答的几个问题：位于基因内DNA成分（包括转录而不翻译的区域，如内含子以及编码序列的两翼序列）究竟占基因组的多大比例？这些基因中有多少是必需基因？多少是非必需基因？非基因DNA成分的功能是什么？基因组DNA C 值的巨大差异对基因组的活动和功能究竟有什么影响3.3 原核生物染色体及其基因原核生物和真核生物比较第二节 基因组大小与C值矛盾第三节 原核生物染色体及其基因第四节 真核生物的染色体第五节 真核生物的基因第六节 基因定位第七节 基因的分子进化第八节 早期生命进化的三界系统理论3.5

32、真核生物的基因1.真核生物基因组的一般特点 真核生物的基因组一般比较庞大，远大于原核生物的基因组。 真核生物的DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内。 真核基因组存在着许多重复序列，重复次数可达几百万以上。 绝大多数真核生物编码蛋白质的基因为断裂基因，即结构基因是不连续排列的，中间由插入序列隔开。 真核生物基因组中不编码的区域多于编码区域。 真核生物不仅含有核内染色体DNA，还有核外细胞器DNA、核外细胞器有线立体DNA和叶绿体DNA。2.断裂基因（不连续基因） interrupted or discontinuous genes SV40A蛋白基因含有一段346NT的间隔区。 每个活性

33、珠蛋白基因含有两个间隔区。 卵清蛋白基因含有7个插入序列被分成八段。3.基因家族与基因簇 gene family & gene cluster 定义：真核生物基因组中许多来源相同，结构相似，功能相关的基因在染色体上成串存在，这样的一组基因称为基因家族。多基因家族是真核生物基因组织的一个重要特征。 多基因家族在基因组中的分布情况不同，有些基因成串排列集中在一条染色体上，集中成簇的一组基因形成基因簇。也称串联重复基因（见后）。如组蛋白基因, rRNA基因, tRNA基因等。而有些基因家族成员不集中排列，而是分散在基因组的不同部位。如干扰素，珠蛋白，生长激素，SOX基因家族。 在多基因家族中

34、，有些成员不具有任何功能，这类基因叫假基因(pseudogene)。4.串联重复基因特征：A. 各成员间有高度的序列一致性或完全相同。B. 拷贝数高，几十个至几百个。因其在细胞中的需要量很大。C. 非转录的间隔区短而一致。组蛋白基因 五种组蛋白基因彼此靠近构成一个重复单位。许多这样的重复单位串联在一起，构成组蛋白基因簇。rRNA基因 原核生物有三种rRNA：5S，16S，23S 真核生物有四种rRNA：5.8S,18S,28S, 5S 主体rRNA：三种主体rRNA基因组成重复单位，转录出一个45SrRNA，经转录后处理切除间隔区成为18S，5.8S，28S 三种rRNA。 核仁：核中rRNA

35、基因大量地转录成RNA，由于其染色性质与DNA不同，在光学显微镜下形成特殊的区域，这一结构，称为核仁（nucleole）。含有rDNA串联重复单位的染色体称为核仁组织者（nucleoolar organizers）。tRNA基因 tRNA长约70-80bp，其基因约长140bp。TRNA也是串联重复排列，但个重复单位中各个tRNA基因可以相同可以不相同。5.细胞器基因 真核生物细胞器中有两类细胞器能够携带遗传物质。 动物生殖细胞中只有卵子才有线立体基因，而精子缺乏。线立体DNA多为环状非重复DNA序列。属于核外DNA。 线粒体和叶绿体均编码自身所需的某些蛋白质以及tRNA和rRNA，其余均由核

36、基因编码。 细胞器有自己的蛋白质合成器。只有两种rRNA。哺乳为12S和16S，酵母为18S 和21S（含有一内含子）。tRNA比核内编码的 tRNA小。酵母DNA为84kb。其上面的基因有三个特点。 哺乳动物线立体DNA不同于酵母。人体线立体基因排列非常紧密。人类线立体DNA为16.569kb。含37个基因；13个蛋白质基因；1个cytb 基因；2个ATP酶亚基基因；3个CO亚基基因（细胞色素氧化酶亚基）；7个NADH脱氢酶亚基基因；2个rRNA基因：12S rRNA、16S rRNA；22个tRNA基因3.4 真核生物的染色体真核生物DNA复性动力学真核生物染色体上的单一序列和重复序列以及

37、卫星DNA单一序列又称非重复序列轻度重复序列中度重复序列高度重复序列卫星DNA的等级结构及其起源和进化染色质和核小体染色质chromatin核小体nucleosome着丝粒centromere端粒telomere第四章 DNA复制、转录与翻译 4.1 DNA复制一. DNA的半保留复制Watson &Crick 最早提出DNA 的半保留复制机制。即是：DNA分子的双螺旋在复制时分开，各自作为新链合成时的模板，复制后，每一个新的双链DNA 分子都是由一条亲链和一条新合成的子链组成的。合成过程中亲链和子链间严格的碱基配对是DNA复制的基础。图示DNA复制（Meselson-Stahl实验C

38、scl超离心显示不同比重DNA带）二. 复制原点，方向和方式或DNA复制是从特定的位点开始并按特定的方向进行实验证明，DNA分子复制时不是随机起始的，而是从特定的位点开始的，这一特定的位点叫做复制起始点或复制原点，常用ori 或o 表示。许多生物的复制点都是DNA呼吸作用强烈的区段， 即是经常开放的区段（frequently opening region ）亦即富含A，T的区段。这一区段产生瞬时单链与SSB蛋白（single-stranded DNA binding protein）结合，对复制的起始十分重要。复制从特定的位置开始，大多数双向进行，也有一些单向的或以不对称的双向方式进行。在复制

39、原点双链DNA解旋形成复制叉。在复制叉处，新合成的子链DNA以各自的亲链为模板，总是从5'-3'方向合成。复制叉是不对称的，即两条新合成的链中，一条链是连续合成，叫前导链（leading strand ），另一条链是在模板DNA指导下，通过一个叫DNA 引发酶的蛋白质，在特定的间隔区先合成大约10个NT 的RNA引物为DNA聚合酶提供3OH，然后合成一个称之为冈崎片段的不连续的DNA片段，再经专门的DNA修复系统，去除RNA引物，再经DNA连接酶通过磷酸二酯键将其连起来，完成该子链的合成，这一条链叫后随链（lagging strand）。依据DNA合成的起始方式，复制分为两种类

40、型：复制叉式（包括复制）和滚环式复制又叫复制。三. DNA复制的酶学是一个复杂的酶学过程， 需要30多种酶而后蛋白质的参与，构成复制体（replisome）1. DNA聚合酶及其聚合反应DNA POL是指以脱氧核苷三磷酸为底物催化合成DNA的一类酶，其催化反应为：DNApol.DNA-OHDNA-（pdN）n +n ppidNTP Mg 2+这一原理被应用于现代技术中如PCR中的Tag酶作用机理。所有真核生物和原核生物都有几种DNA聚合酶，这些聚合酶协同作用负责染色体DNA的复制，DNA分子的修复，核DNA的重组以及染色体外DNA的复制。原核生物有三种DNA聚合酶，即 Pol I， Pol I

41、I，Pol III，Pol III是DNA复制的主酶。真核生物有五种DNA聚合酶，即，。，是复制主酶，是核DNA复制的重要酶。2. 脱氧核苷三磷酸前体的来源有两个来源：废物利用体内核酸降解或直接来自培养基新合成途径利用生物体的氨基酸，CO2，NH3和磷酸核糖焦磷酸合成核糖核苷单磷酸（NMP）核苷单磷酸激酶NMP + ATP NDP + ADP核糖核苷酸还原酶NDP dNDP脱掉核糖2上的氧核苷二磷酸激酶dNDP + ATP dNTP +ADP （dNTP：四种脱氧核糖核苷酸）所有生物的核酸链的合成都是按53方向进行的，无一例外。3. 三种DNA聚合酶的结构和功能4. DNA连接酶DNA Pol

42、 虽能填充缺口，但不能使缺口接合，而连接酶则能完成接合任务。5. 与DNA几何性质有关的酶螺旋酶（helicases） 又称解旋酶，使双链DNA 分离:C. 螺旋酶I，II，与产物单链DNA结合F. 螺旋酶III，催化双链DNA 分离，与SSDNA结合蛋白质配合。DNA旋转酶（Eco拓扑异构酶II）多数天然DNA具有负超螺旋，可变为泡状单链形式，利于蛋白质结合，并可缓解复制叉前移造成的抄缠现象，但当5%的环行DNA双链已经复制时，原有的负超螺旋已被用尽，若复制叉再前移，就产生拓扑学问题，就需要拓扑异构酶来解决。在Ecoli中，主要是DNA旋转酶（Eco拓扑异构酶II），他能产生负超螺旋并消除复

43、制叉前移产生的正超螺旋。所以，如果加入几种DNA螺旋酶的抑制剂，如香豆霉素，新生霉素，萘啶酮酸等均能抑制细菌DNA的复制， P94 图示复制叉前移的拓扑学问题。DNA复制的半不连续性1. 半不连续性复制的发现2. 引物和引发酶DNA复制过程中，复制叉是不对称的。两条新合成的链中，一条是连续合成的，叫前导链；另一条是在模板DNA指导下，通过一种叫DNA引发酶的蛋白质，在特定的间隔区先合成大约10个核苷酸组成的RNA引物（RNA primer）为DNA聚合酶提供3-OH，然后合成称为冈崎片段的不连续的DNA片段，最后由DNA修复系统去除RNA引物而代之以DNA，再由DNA连接酶通过35-磷酸二酯键

44、将其连接起来，完成此子链的合成，这条子链叫后随链。由于DNA聚合酶在没有引物情况下不能从头合成DNA，必须有一条引物。研究发现的引物大多数为一段RNA，长度和序列随基因组的种类而异，为1-10个核苷酸见表3 P98。该引物RNA与经典的RNA（mRNA）不同，他们合成后不与模板分离，而是以氢键与模板结合。他可能由一种独特的RNA聚合酶所合成，这种合成RNA引物的酶旧叫引发酶。那么，前导链是如何合成的？三种可能性：1）同后随链一样，由RNA引物提供3-OH；2）可能模板上的起始点产生缺口，暴露3-OH作引物；3）可能由后随链提供3-OH。3. 前体片段的连接真核生物的DNA复制1 真核生物的复制

45、原点，复制元和复制元族真核生物的DNA聚合酶活性比大肠杆菌低得多，复制速度为500bp-5000bp/分（Ecoli为105bp/分）如按哺乳动物的DNA比细菌大约50倍，真核生物DNA复制时间就会是大肠杆菌的1000倍，即约一个月，而事实上，真核生物DNA复制时间一般为几小时，这是因为通过从许多原点同时开始并双向复制而实现的。放射形自显影可见许多的复制泡。每一复制泡有固定的一点（复制原点），然后双向伸展，与相酃的复制泡会合。这样一段DNA 称为复制单元，简称复制元（replicon）。而几个复制元可组成复制元族，同一族内的复制元基本同步。真核生物复制原点的DNA序列并无固定的模式，但大多包含

46、一个富含AT的序列，可能还有一个特异性蛋白质的结合位点。2 真核生物的DNA pol 和引发酶primase与真核生物多起点复制相适应的是，细胞中DNA聚合酶的分子数目多，在Ecoli中，POLIII只有10-20个分子，而哺乳动物细胞中DNA POL 有2000-60000个分子，DNA POL 与DNA引发酶结合很紧，是复制体系必需的复合物。实验表明，在细胞DNA合成期（S期），DNA POL 含量剧增。协同的作用，负责线立体DNA的复制，含量变化不大，与损伤DNA修复有关。引发酶的作用：B. 是与引发酶复合物所必需的E. 其引物合成方式特别，阵发性合成，F. 可利用rNTP和dNTP为合

47、成前体。引物一般为6-15个NT。1 SV40以及其他真核生物的DNA复制过程SV40所编码的蛋白质中，只有一个大T抗原参与其DNA复制，其余复制机制由寄主的蛋白质构成。大T抗原四聚体在复制原点有三个结合位点，同时还具有ATPase活性和螺旋酶活性。SV40的DNA复制有可能代表真核生物的DNA复制的主要过程：首先由一特异的蛋白质识别复制原点并与之结合。再由螺旋酶促进负超螺旋状的复制原点解链单链DNA结合蛋白质（SSB）维持解链区并以动态左右前移在由POL 和引发酶与原点上的特异蛋白质相互作用，从而引发复制叉的先导链的合成；然后再印发另一先导链的合成随着复制叉的前进，需要拓扑异构酶解除复制叉前

48、进造成的超缠现象。当相酃的两个复制元的相向的两个复制叉结合时就完成了这一段DNA的复制，可能并不存在固定的终止序列。而真核生物染色体末端DNA的复制却不那么简单。见后。2 真核生物染色体末端DNA的复制由于RNA引物的水解，两个子代分子中各有一个5端缺少一段核苷酸，而没有一个目前已知的DNA POL能填补。腺病毒DNA的5末端共价连接一个55kD的蛋白质，即末端蛋白质（Terminal Protein TP）,而正在复制的腺病毒新生的DNA 5端为80kD的蛋白质，为末端蛋白质前体（pTP），这一引发方式避免了线性DNA在复制结束后的5末端隐缩问题。真核生物同样面临线性DNA复制结束时产生的5

49、末端隐缩问题。这个问题的解决取决于端粒的结构和能够识别和结合端粒的蛋白和酶。四膜虫端粒中有一种端粒酶（ ）能将其端粒结构中单链尾巴5TTGGGG3延长，延长的部分仍是5TTGGGG3，这一富含G的序列总是突出12-16个NT。这种酶是一种核糖核蛋白，由RNA和蛋白质组成。有人证明该酶中的RNA是富含G序列的模板，对拷贝出富含G序列所必需的部分为5CAAAACCCCAAAA3，此RNA可能还有其他作用，这单链尾巴可能弯转成为引物复制5末端，另一可能是某种端粒蛋白结合末端的单链重复序列，并作为蛋白质引物复制DNA地末端。复制的调控DNA复制是受调控的，细胞分裂时间因营养条件变化很大（21-70分钟

50、/Ecoli），而DNA复制时间为40分钟左右，可用成熟前起始加以解释细胞分裂时间为21分钟的DNA复制。DNA复制调控，可能涉及许多专一性的蛋白因子（Ecoli Dna A,SV40 大T抗原等）和至少一类RNA分子（RNA2，RNA1）。细胞中蛋白质和DNA总量的比例也可能是一重要因素，因为氨基酸饥饿时会抑制蛋白质合成和DNA复制起始。在此说明一下RNA2和RNA1：大肠杆菌质粒Col E1的复制需要一种RNA引物，RNA POL从复制原点上游方向555bp处转录，这个转录物就是RNA2。 RNA2延伸至复制原点区域时，由RNAaseH 将RNA与DNA模板形成的杂合双链中的RNA切断，从

51、而产生3-OH末端，然后，DNA POL以此引物合成DNA。 图示P130。在ColE1复制原点上游方向445bp处（相当于RNA2的第111个碱基位置），起始转录另一个RNA分子，即是RNA1，其转录方向与RNA2相反。这个反义的RNA1有111个碱基与RNA2的5末端互补，从而改变了RNA2的二级结构使之不能为RNAaseH（识别杂交双链但不识别二级结构）所识别，于是，RNA2的转录能够继续进行，而不能在复制原点区域RNA。有些机理有待继续探讨4.2 转录一 概述三类RNA都必须以DNA模板，在依赖于DNA的RNA POL作用下合成，他包括RNA链的起始，延伸，终止等步骤，这一系列过程叫转

52、录。转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。转录涉及两个方面一是RNA合成的酶学过程二是RNA合成的起始信号和终止，即DNA上的特定序列。DNA和RNA的碱基序列方向总是5'-3'。阐述几个概念：对DNA总是讲模板链，在转录时DNA两条链有混乱不一。新文献规定：把不作模板转录的链称为有义链（sense）又称编码链（coding）,非模板链=RNA链=有义链而把作为模板转录的链称反义链（antisense strand）或模板链,模板=反义链。对RNA，也容易将DNA序列直接与氨基酸的密码子联系起来：SSDNA phage 如X174，其SSDNA作为复制模板进入细胞后复制合成

53、 互补DNA，后者（互补DNA）作为转录模板（即反义链）合成RNA。即SSDNA=有义链=RNA序列=正链对于SSRNA病毒，若其基因组RNA能作为mRNA或与mRNA相同，则该RNA病毒为正链RNA病毒；若其RNA进入宿主需要进行RNA复制，再产生互补链作为mRNA，则这种RNA称为负链RNA病毒。二 RNA合成的酶学1. RNA合成的基本特征1) RNA的前体是四种核糖核苷三磷酸（rNTP）：ATP， GTP， CTP，UTP2) RNA链的生长方向也是5 33) 核苷三磷加到新生链的3'，同时除去一分子焦磷酸而生成磷酸二酯键。4) 转录必须以一条DNA链为模板，按碱基互补进行转录

54、。5) RNA POL能起始一条新链的合成，起始的核苷酸一般是嘌呤核苷三磷酸（XTP）RNA合成含四步：RNA POL结合于DNA上的特定位点，起始，链的延长，链终止和释放。2. E Coli 和 真核生物的RNA POL（自己看）三 控制转录起始的DNA序列操作子和启动子结构1. 操纵元（operon）及其结构操纵元：包括结构基因和控制区以及调节基因的整个核苷酸序列。控制区为两部分：1) 从结构基因溯流而上的紧靠结构基因的部分叫操作子（operator）（即结构基因的5上游），好比电器开关，控制其后面的全部结构基因的开闭。2) 从操作子逆行而上的就是另一控制区域，叫启动子（promoter）

55、对转录非常重要。2. 原核生物的启动子1) Pribnow 框：10bp处，是RNA POL 结合位点2) Sextama 框：35bp处，RNA pol 先结合与此处，再结合于10bp处。3) CAP位点 ：CAP为环腺苷酸受体蛋白（cyclic AMP receptor）。调节基因产生的阻遏蛋白与操纵子以及诱导物互作实现对基因转录的负调控；而葡萄糖的调控机理则为正调控。3. 真核生物的启动子真核生物有三种RNA POL：POL I： 负责转录rRNA，只有一种启动子。POL II：负责蛋白质基因和部分snRNA基因的转录，启动子最复杂。POL III：负责转录tRNA和5S rRNA，启动子位于转录的DNA序列内（内部启动子）。1) RNA POL I的启动子2) RNA POL II 的启动子结构A. 帽子位点B. TATA框：C. CAAT框D. 增强子3) RNA POL III的下游启动子第五章 基因工程 5.1 基因工程的四大要素及其实施