遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座

第七章遗传信息传递中心法则及基因表示遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第1页一、遗传信息传递中心法则

蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA生物遗传信息以密码形式储存在DNA分子上，表现为特定核苷酸排列次序。在细胞分裂过程中，经过DNA复制把亲代细胞所含遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞生长发育过程中，这些遗传信息经过转录传递给RNA，再由RNA经过翻译转变成对应蛋白质多肽链上氨基酸排列次序，由蛋白质执行各种各样生物学功效，使后代表现出与亲代相同遗传特征。以后人们又发觉，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己RNA为模板复制出新病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则补充。

中心法则总结了生物体内遗传信息流动规律，揭示遗传分子基础，不但使人们对细胞生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻认识，而且以这方面理论和技术为基础发展了基因工程，给人类生产和生活带来了深刻革命。遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第2页二、基因复制忠实性

DNA复制过程是一个高度准确过程，据预计，大肠杆菌DNA复制109-1010碱基对仅出现一个误差，确保复制忠实性原因主要有以下三点:a、DNA聚合酶高度专一性（严格遵照碱基配对标准）b、DNA聚合酶校对功效（错配碱基被3’-5’外切酶切除）c、起始时以RNA作为引物遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第3页DNA聚合酶3-5外切酶水解位点3´3´5´5´错配碱基3´-5´核酸外切酶水解位点遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第4页遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第5页DNA聚合酶校对功效

5´-核酸外切酶3´-核酸外切酶裂缝聚合中心裂缝内部遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第6页DNA聚合酶校对功效聚合酶错配硷基复制方向正确核苷酸5´5´5´3´3´3´切除错配核苷酸遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第7页三、逆转录作用1、概念2、逆转录酶3、病毒逆转录过程4、逆转录生物学意义扩充了中心法则有利于对病毒致癌机制了解与真核细胞分裂和胚胎发育相关逆转录酶是分子生物学主要工具酶三种功效依赖DNA指导下DNA聚合酶活力依赖RNADNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力

以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA方向相反，故称为逆转录作用。遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第8页逆转录过程中cDNA合成

依赖RNADNA聚合酶核糖核酸酶H活力依赖DNADNA聚合酶遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第9页逆逆转录病毒生活周期

生活周期RNA衣壳被膜逆转录酶转录转译整合入宿主细胞染色体DNA进入细胞丢失被膜丢失衣壳逆转录RNARNAcDNA衣壳蛋白被膜蛋白逆转录酶遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第10页

四、DNA突变

DNA分子中核苷酸序列发生突然而稳定改变，从而造成DNA复制以及以后转录和翻译产物随之发生改变，表现出异常遗传特征，称为DNA突变。它包含因为DNA损伤和错配得不到修复而引发突变，以及因为不一样DNA分子之间交换而引发遗传重组。（二）诱变剂作用碱基类似物(baseanalog)

碱基修饰剂(basemodifier)嵌入染料(intercalationdye)

紫外线(ultraviolet)和电离辐射(ionizingradiation)（一）突变类型

碱基正确置换(substitution)

移码突变(framesshiftmutation)遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第11页

DNA突变类型

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

-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-颠换碱基正确置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第12页五、DNA损伤与修复

一些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引发生物突变和致死作用，其机理是作用于DNA，造成DNA结构和功效破坏，称为DNA损伤.DNA修复主要有以下类型:暗修复（4）诱导修复（SOS修复）（1）光裂合酶修复活（2）切除修复（3）重组修复

遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第13页DNA紫外线损伤光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第14页DNA损伤和切除修复碱基丢失碱基缺点或错配结构缺点切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第15页DNA重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第16页六、DNA指导下RNA合成（转录）1、概念及DNA有义链和反义链2、RNA聚合酶及催化反应3、RNA合成过程4、RNA转录后加工5、真核生物RNA合成遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第17页转录概念和DNA有义链和反义链

转录是在DNA指导下RNA聚合酶催化下，按照硷基配正确标准，以四种核苷酸为原料合成一条与模板DNA互补RNA过程。RNA转录从DNA模板特定位点开始，并在一定位点终止。此转录区域为一个转录单位。

开启子（promoter)

终止子(terminator)模板链（templattestrand）反意义链(antisensestrand)有意义链(sensestrand)非信息区DNA5´5´3´3´遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第18页大肠杆菌RNA聚合酶结构示意图关键酶(α2ββ)起始因子β——和模板DNA结合β——起始和催化聚合反应α——？全酶(αββ)遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第19页RNA聚合酶催化反应ACGACGUU模板DNA5´3´5´3´新合成RNA遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第20页RNA合成过程起始双链DNA局部解开磷酸二酯键形成终止阶段解链区抵达基因终点延长阶段53RNA

开启子（promoter)

终止子(terminator)5RNA聚合酶5353553离开遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第21页RNA链延伸图解3´3´RNA-DNA杂交螺旋聚合酶移动方向新生RNA复链解链有义链模板链（反义链）延长部位遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第22页原核生物中rRNA前体加工

甲基化作用专一核酸内切酶30S前体17StRNA25S专一核酸外切酶16SrRNAtRNA23SrRNA5S

rRNA专一核酸外切酶遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第23页tRNA前体分子加工a、切除tRNA前体两端多出序列：5’—端切除几到10个核苷酸。b、末端添加：3’-端添加CCA序列。c、修饰：形成稀有碱基如DH2。RNAasePRNAaseFRNAasePRNAaseFRNAaseDRNAaseDACC表示核酸内切酶作用表示核苷酸转移酶作用表示核酸外切酶作用

表示异构化酶作用

遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第24页真核细胞mRNA加工5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子(cistron)

m7G-5´ppp-N-3´pAAAAAAA-OH5′端接上一个“帽子”(CAP)结构3′端添加PolyA“尾巴”,由RNA末端核苷酸转移酶催化剪接：剪去内含子(intron)，拼接外显子(extron)遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第25页酵母酪氨酸tRNA前体加工早转录本成熟tRNA加工遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第26页真核生物和原核生物转录差异

DNA核核糖体新生蛋白质真核生物原核生物mRNA前体转运加工mRNAmRNA

真核生物中转录与复制在不一样区域RNA聚合酶不相同开启子不一样转录后RNA加工修饰不一样遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第27页七、蛋白质翻译基因遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表示为蛋白质中氨基酸次序过程叫做翻译。合成体系：20种氨基酸,mRNA、tRNA、核蛋白体、酶和因子,以及无机离子、ATP、GTP合成方向：N→C端。遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第28页参加蛋白质合成三类RNA及核糖体1.rRNA

与蛋白质一起组成核糖体——蛋白质合成“工厂”核糖体结构组成

核糖体基本功效结合mRNA，在mRNA上选择适当区域开始翻译密码子（mRNA）和反密码子（tRNA）正确配对肽键形成

存在核糖体可游离存在，真核中，也可同内质网结合，形成粗糙内质网。原核中，与mRNA形成串状——多核糖体遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第29页遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第30页原核生物核糖体组成真核生物核糖体组成遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第31页2.tRNA

结合氨基酸：一个氨基酸有几个tRNA携带，结合需要ATP供能,氨基酸结合在tRNA3‘-CCA位置。

反密码子：每种tRNA反密码子，决定了所带氨基酸能准确在mRNA上对号入座。反密码子与mRNA第三个核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对标准

遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第32页3.mRNA

携带着DNA遗传信息，是多肽链合成模板在原核细胞内，存在时间短，在转录同时翻译在真核细胞内，较稳定蛋白质合成时，mRNA结合于核糖体小亚基上，大亚基结合带氨基酸tRNA，tRNA反密码子与mRNA密码子配对，ATP供能，合成蛋白质。遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第33页遗传密码子为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置三个核苷酸单位称为密码子（Coden）或三联体密码。密码子发觉

统计学方法人工合成仅由一个核苷酸组成多聚核苷酸，推测由哪一个氨基酸合成多肽核糖体结合试验1965年，Nirenberg用polyu加入C14标识20种aa,仅有苯丙氨酸寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破译了全部密码，编出遗传密码表。遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第34页遗传密码遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第35页遗传密码子特点无标点、不重合

密码子是不重合，每个三联体中三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重合使用噬菌体x174中一些基因之间有重合现象简并(degeneracy)几个密码子对应于相同一个氨基酸。这些密码子为同义密码子通用性绝大多数密码子对各种生物都适用，一些线粒体中遗传密码有例外终止信号UAG、UAA、UGA起始信号AUG（真核中起始为Met、原核中起始为fMet,翻译中间为Met）和氨酸密码子(GUG)(极少出现）遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第36页四、蛋白质生物合成过程以mRNA为模板，氨基酸经活化取得氨酰tRNA为原料，GTP、ATP供能，在核糖体中完成。1.氨基酸活化tRNA在氨基酰-tRNA合成酶帮助下，能够识别对应氨基酸，并经过tRNA氨基酸臂3'-OH与氨基酸羧基形成活化酯－氨基酰-tRNA。氨基酰-tRNA形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基酰基转移到tRNA3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第37页氨基酸活化图示遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第38页氨基酸活化总反应式是：

氨基酰-tRNA合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一个氨基酸最少有一个对应氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰-tRNA合成酶含有高度专一性。每一个氨基酰-tRNA合成酶只能识别一个对应tRNA。tRNA分子能接收对应氨基酸,决定于它特有碱基次序,而这种碱基次序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第39页氨基酸活化遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第40页2.在核糖体上合成肽链氨基酰-tRNA经过反密码臂上三联体反密码子识别mRNA上对应遗传密码，并将所携带氨基酸按mRNA遗传密码次序安置在特定位置，最终在核糖体中合成肽链。肽链合成过程（以原核为例）起始延伸终止与释放遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第41页肽链合成起始起始密码识别首先识别出mRNA链上起始点（AUG），核糖体小亚基上16SrRNA和mRNASD序列（位于起始位点上游4－13个核苷酸）结合N－甲酰甲硫氨酸－tRNA活化形成起始复合物形成（图示）遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第42页肽链延长进位

（氨酰tRNA进入A位点）参加因子：延长因子EFTu（Tu）、EFTs（Ts）、GTP、氨酰tRNA肽链形成肽酰基从P位点转移到A位点，形成新肽链移位（translocase）在移位因子（移位酶）EF－G作用下，核糖体沿mRNA（5’-3’）作相对移动，使原来在A位点肽酰－tRNA回到P位点遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第43页核糖体移动方向P位点A位点遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第44页进位核糖体移位肽链形成遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第45页延长过程中肽链生成肽基转移酶遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第46页肽链延伸过程遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第47页肽链合成终止与释放识别mRNA终止密码子，水解所合成肽链与tRNA间酯键，释放肽链R1识别UAA、UAGR2识别UAA、UGAR3影响肽链释放速度RR帮助P位点tRNA残基脱落，而后核糖体脱落遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第48页多核糖体在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA3’端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA起始部位结合，现向前移动一定距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。每个核糖体都独立完成一条多肽链合成，所以这种多核糖体能够在一条mRNA链上同时合成多条相同多肽链，这就大大提升了翻译效率

遗传信息传递的中心法则和基因表达专家讲座第49页真核细胞蛋白质合成特点核糖体为80S，由60S大亚基和40S小亚基组成起始密码AUG起始tRNA为Met－tRNA起始复合物结合在mRNA5’端AUG上游帽子结构，真核mRNA无富含嘌呤SD序列（除一些病毒mRNA外）已发觉真核起始因子有近9种（eukaryoteInitiationfactor,eIF）eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合蛋白复