遗传信息的传递

遗传信息的传递第一页，共六十一页，2022年，8月28日2第一节DNA的复制DNA的复制：指以亲代DNA分子为模板合成一个新的与亲代模板结构相同的子代DNA分子的过程。复制叉细菌DNA复制真核生物DNA复制第二页，共六十一页，2022年，8月28日3DNA半保留复制第三页，共六十一页，2022年，8月28日4DNA半保留复制实验（M.Meselson和F.Stahl，1958年）第四页，共六十一页，2022年，8月28日5DNA的半不连续复制第五页，共六十一页，2022年，8月28日6DNA复制所需的酶和蛋白质DNA聚合酶引发酶引发DNA合成的起始DNA连接酶将冈崎片段连接合成一条完整的互补链拓扑异构酶将单、双链的线状或环状DNA分子进行扑交换的一种酶，拓扑异构酶Ⅰ、拓扑异构酶Ⅱ解链酶DNA双分子解开作为复制的模板单链结合蛋白与解链的DNA单链结合，使其不回复双链状态，且保护DNA不被水解第六页，共六十一页，2022年，8月28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’外切酶活性第七页，共六十一页，2022年，8月28日8真核生物DNA聚合酶

DNA聚合酶αβγδε位置细胞核细胞核线粒体细胞核细胞核功能后随链的合成和前导链的引发修复复制前导链的合成修复分子量300K40K180-300K170-230K250K3’-5’外切酶活性++++-引发酶活性+----第八页，共六十一页，2022年，8月28日9三、DNA复制一般过程第九页，共六十一页，2022年，8月28日10四原核生物和真核生物DNA的复制特点

复制的起点和速率原核生物只有一个复制起点，真核生物的染色体具有多个复制起点在原核生物中，第一轮复制尚未结束前，第二轮复制又从复制起点开始了；真核生物，第一轮复制结束后第二轮才开始，原核生物复制起点可以连续发动复制，真核生物则不能

原核生物与真核生物均为双向复制第十页，共六十一页，2022年，8月28日11四原核生物和真核生物DNA合成的区别区别原核生物真核生物DNA合成的时期整个细胞生长过程细胞周期的S期复制起点数单个多个RNA引物长度10~16核苷酸10个核苷酸冈崎片段长度1000~2000核苷酸100~150核苷酸前导链与后随链的合成聚合酶Ⅲ同时控制聚合酶δ控制前导链聚合酶α控制后随链第十一页，共六十一页，2022年，8月28日12第二节DNA的转录转录是以DNA为模板，在RNA聚合酶的作用下合成RNA的过程

转录起始RNA链的延伸RNA链的合成终止及释放第十二页，共六十一页，2022年，8月28日13RNA聚合酶大肠杆菌RNA聚合酶真核生物RNA聚合酶第十三页，共六十一页，2022年，8月28日14大肠杆菌RNA聚合酶

α(2)

β

核心酶

全酶

β’

σ:无催化作用，识别启动子，参与转录的起始

功能选择模板链，识别起始区的启动子解开DNA部分双螺旋链，产生长约17bp的单链DNA模板选择正确的rNTP底物并催化形成磷酸二酯键，使合成的RNA链不断延伸能识别转录终止信号（terminationsignal），停止转录第十四页，共六十一页，2022年，8月28日15真核生物RNA聚合酶

种类位置产物相对活性对α-鹅膏的敏感性RNA聚合酶I核仁28S，18S，5.8SrRNAs50-70%不敏感RNA聚合酶II核质mRNA，某些snRNAs20-40%高度敏感RNA聚合酶III核质tRNA，5SrRNA，某些snRNAs~10%片段特异中等敏感第十五页，共六十一页，2022年，8月28日16基因转录的一般过程第十六页，共六十一页，2022年，8月28日17真核生物mRNA的加工（自学）mRNA5’端加帽mRNA3’端加多聚腺苷酸mRNA的剪接第十七页，共六十一页，2022年，8月28日18第三节蛋白质的生物合成翻译(translation)：从DNA到蛋白质的遗传信息传递过程中，贮存于DNA中的遗传信息通过转录表达为mRNA中的核苷酸序列信息，再从mRNA上的核苷酸到多肽链上的氨基酸，遗传信息的传递好象从一种语言到另一种语言，因此将蛋白质合成的过程称为翻译。蛋白质合成的主要元件核糖体：核糖体是蛋白质的合成场所mRNA：携带遗传信息，蛋白质合成的直接模板tRNA：负责转运特异性氨基酸进行蛋白质生物合成第十八页，共六十一页，2022年，8月28日19遗传密码

mRNA与蛋白质之间的关系是通过遗传密码的翻译实现的，每3个相邻核苷酸组成1个三联体密码，编码一种氨基酸三联体连续性通用性兼并性起始密码：AUG终止密码：UAA、UAG、UGA第十九页，共六十一页，2022年，8月28日20第二十页，共六十一页，2022年，8月28日21核糖体的结构和功能真核生物核糖体：60S、40S原核生物核糖体：50S、30S核糖体是蛋白质合成的场所翻译功能区：肽链合成的场所，占据了核糖体的2/3mRNA结合位点肽基tRNA和甲酰甲硫氨酸tRNA结合位点(P位点)氨酰tRNA结合位点(A位点)肽链延伸辅助因子EF-Tu和EF-G的结合位点，EF-Tu起着协助氨酰tRNA进入核糖体的作用，而EF-G负责核糖体的转位反应肽基转移酶活性位点，肽基转移酶负责在肽链合成中将位于P位点的肽基tRNA的肽链转移到位于A位点的氨酰tRNA上5SrRNA结合位点以及结合脱酰tRNA的E位点等出口功能区(exitdomain):多肽的出口，核糖体通过这个区域附着在膜上第二十一页，共六十一页，2022年，8月28日22蛋白质生物合成的过程合成的起始：核糖体大小亚基、tRNA和mRNA在起始因子的协助下组合成起始复合物的过程肽链的延伸进位：氨基酰-tRNA进入核糖体的A位肽链形成：氨基酰-tRNA进位后，在转肽酶的催化下，P位的肽基-tRNA的肽链转移到A位的氨基酰-tRNA的氨基上，从而形成肽键移位：肽键形成后，核糖体沿mRNA向3’方向移动一个密码子的距离。翻译的终止：终止密码子进入A位，标志着翻译的结束第二十二页，共六十一页，2022年，8月28日23蛋白质生物合成的过程第二十三页，共六十一页，2022年，8月28日24中心法则第二十四页，共六十一页，2022年，8月28日25第四节基因的结构特征基因的概念发展基因的一般结构特征真核生物基因组的特点第二十五页，共六十一页，2022年，8月28日26基因的概念发展基因概念的演变1865年，孟德尔，颗粒性遗传因子1909年，Johannsen，更名为“基因”1910，Morgan等，基因存在于染色体上，线性排列1926年，Morgan等,“三位一体”：结构单位、功能单位、突变单位和交换单位Avery（1944年）、Hershey和Chase（1952年）证明DNA是遗传物质第二十六页，共六十一页，2022年，8月28日27基因功能的研究1908年，Garrod：onemutantgene-onemetabolicblock，Earlyevidencethatenzymesarecontrolledbygenes1941年，BeadleandTatam:Onegene-oneenzymeOnegene-onepolypeptideTheproductsofgeneareprotein,tRNAandrRNA

第二十七页，共六十一页，2022年，8月28日28基因精细结构的研究1957年，Benzer：顺反子学说，基因是DNA分子上一个决定一条多肽链的完整功能单位，内部是可分的，包含多个突变和重组单位。1961年，Jacob等：操纵子模型学说，功能上相关的结构基因在染色体上往往紧密联系在一起1977年，Sharp等发现断裂基因1978年，Sanger发现了重叠基因第二十八页，共六十一页，2022年，8月28日29现代基因的概念基因：是有功能的DNA片段，含有合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遗传的结构和功能单位。第二十九页，共六十一页，2022年，8月28日30基因的一般结构特征外显子和内含子信号肽序列侧翼序列和调控序列第三十页，共六十一页，2022年，8月28日31基因的一般结构特征（一）外显子和内含子原核生物的基因是DNA分子的一个片段，连续编码；真核生物的结构编码序列往往是不连续的，被非编码序列隔开。编码序列称为外显子，非编码序列称为内含子。GT-AG法则：每个内含子的5’端起始的两个核苷酸都是GT，3’端末尾的两个核苷酸都是AG，这就是RNA剪接的信号，这种接头形式被称之为GT-AG法则。开放阅读框(openreadingframe)：结构基因内从起始密码子开始到终止密码子的一段核苷酸区域，其间不存在任何终止密码，可编码完整的多肽链，这一区域被称为开放阅读框。第三十一页，共六十一页，2022年，8月28日32基因的一般结构特征（二）信号肽序列

在分泌蛋白基因的编码序列中，起始密码子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列(Signalpeptidesequence)。它所编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。第三十二页，共六十一页，2022年，8月28日33基因的一般结构特征（三）侧翼序列和调控序列侧翼序列(flankingsequence)：每个结构基因在第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区。5’非翻译区（5’-untranslatedregion5’-UTR）：从转录起始位点至起始密码子的一段非翻译区。3’

非翻译区（3’-untranslatedregion3’-UTR）：从终子密码子至转录终止的一段非翻译区。调控序列(regulatorsequence)，对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列，包括启动子，增强子，终止子，核糖体结合位点，加帽和加尾信号等。第三十三页，共六十一页，2022年，8月28日34调控序列启动子：是指准确而有效地启始基因转录所需的一段特异的核苷酸序列。TATA框、CAAT框、GC框增强子和沉默子增强子：使启动子发动转录的能力加强，具有组织特异性和细胞特异性。沉默子：是另一种与基因表达有关的调控序列，通过与蛋白的结合，对转录起阻抑作用。终止子：一段位于基因3’端非编码区中与终止转录过程有关的序列，它由一段富含GC碱基的颠倒重复序列以及寡聚T组成，是RNA聚合酶停止工作的信号。加尾信号真核生物mRNA的3’端都有一段多聚A尾巴(polyAtail)，它不是由基因编码，而是在转录后通过多聚腺苷酸聚合酶作用加到mRNA上的。这个加尾过程受基因3’端非编码区中一种叫做加尾信号序列的控制。核糖体结合位点在原核生物基因翻译起始位点周围有一组特殊的序列，控制着基因的翻译过程，SD序列是其中主要的一种。第三十四页，共六十一页，2022年，8月28日35真核生物基因的一般结构示意图第三十五页，共六十一页，2022年，8月28日36(b)TypicaleukaryoticgeneGenestructure第三十六页，共六十一页，2022年，8月28日37三、真核生物基因组的特点基因组与C值单一序列重复序列高度重复序列中度重复序列基因家族和假基因第三十七页，共六十一页，2022年，8月28日38（一）基因组与C值基因组(Genome)：一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。C值(Cvalue)：该物种的每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量是特异的，被称为C值。不同物种的C值差异极大。第三十八页，共六十一页，2022年，8月28日39（二）单一序列单一序列(uniquesequence)又称非重复序列(nonrepetitivesequence)，指在基因组中只有一个或几个拷贝的DNA序列。原核生物除了短片段的反向重复序列以及18S，28S，5SrRNA和tRNA基因外，皆为单一序列；真核生物单一序列所占的比例为40%-70%，动物基因组中将近50%DNA是单一序列，真核基因组中大多数结构基因是单拷贝的，如果蝇的α4-微管蛋白(tubulin)基因，鸡的α2I型胶原蛋白(collagen)基因，卵清蛋白基因以及蚕的丝心蛋白，血红蛋白和珠蛋白基因等。第三十九页，共六十一页，2022年，8月28日40（三）重复序列中度重复序列

中度重复序列在真核生物基因组中占25%-40%，分散地分布于整个基因组的不同部位。根据重复单位的片段长度和拷贝数的不同，中度重复序列可分为二种类型：短分散重复序列

(SINEs)，长分散重复序列(LINEs)。SINEs的重复单位的长度为300-500bp，拷贝数可达105以上。如Alu家族(Alufamily)是人类及哺乳动物基因组中十分典型的短分散重复序列LINEs的重复单位长度为5000-7000bp，重复次数为102-105次。例如人类的KpnI家族(KpnIfamily)和哺乳动物的LINE1家族。第四十页，共六十一页，2022年，8月28日412．高度重复序列高度重复序列：就是在基因组中存在大量拷贝的序列，其重复次数高达106-108。（通常这些序列是由很短的碱基组成的，长度为2-200bp。卫星DNA(satelliteDNA)：有些高度重复序列常含有异常高或低的GC含量，当基因组DNA被切断成数百个碱基对的片段进行氯化铯密度梯度超离心时，这些重复序列片段常在主要DNA带的前面或后面形成一个次要的DNA区带，这些小的区带就象卫星一样围绕着DNA主带。可变数目串联重复序列(variablenumbertandemrepeats，VNTR)：在卫星DNA中有一类以少数核苷酸为单位多次串联重复的DNA序列，以6-25个核苷酸为核心序列(coresequence)的串联重复序列称为小卫星DNA，以2-6个核苷酸串联重复序列称为微卫星DNA。第四十一页，共六十一页，2022年，8月28日42小鼠DNA经CsCl密度梯度离心显示出主带和卫星DNA带第四十二页，共六十一页，2022年，8月28日43（四）基因家族和假基因基因家族(genefamily):真核生物基因组中有许多来源相同，结构相似，功能相关的基因，一组基因称为一个基因家族。基因簇(genecluster)：一个基因家族的基因成员紧密连锁，成簇状集中排列在同一条染色体的某一区域。假基因(pseudogene)：在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，但在结构和DNA序列上与相应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，其中一个是由于移码突变或者终止密码子突变而不能表达，而且缺少两个内含子；另一个假基因由于碱基突变不能产生有功能的蛋白质。第四十三页，共六十一页，2022年，8月28日44第五节基因表达的调控从基因至性状的过程基因表达的调节环境的影响和基因的表型效应第四十四页，共六十一页，2022年，8月28日45基因作用与性状表达

基因（DNA）

转录

mRNA

翻译

蛋白质

酶（蛋白质）

（直接）

某种物质

性状表达（可见）（间接）第四十五页，共六十一页，2022年，8月28日46基因效应的变异与拟表型表现度（expressivity）：某一基因型表达的程度外显率（penetrance）：群体中某一基因型显示出其预期表型的比率。取决于基因型和内外环境拟表型（phenocopies）：环境因素有时引起非遗传的表型变化第四十六页，共六十一页，2022年，8月28日47

我们可以把某种生物的遗传密码比作一本密码字典，每个细胞都有这本字典。每个细胞中的密码并不全部译出，而是各取所需，不同细胞密码不同，同一细胞在不同的发育时期也译出不同的密码。第四十七页，共六十一页，2022年，8月28日48原核生物基因调控的模式

以大肠杆菌为例能利用乳糖作为唯一碳源第四十八页，共六十一页，2022年，8月28日49

乳糖代谢需要三种酶：（lacZ)-半乳糖苷酶：乳糖→半乳糖和葡萄糖。（lacY)渗透酶：增加糖的渗透，促进乳糖进入细胞（lacA)转乙酰酶：机理不明在培养基上加入乳糖，以上三种酶大量增加，乳糖用完，这三种酶的合成停止。实验第四十九页，共六十一页，2022年，8月28日50乳糖操纵子模型（Jacob和Monod,1961）以上三个酶的基因转录受乳糖操纵子（operon）的三个结构基因的控制，主要内容：

lacZ、lacY、lacA为三种酶结构基因

o：操纵基因（开关位点）

i：调节基因：合成组蛋白（阻遏物）

p:启动基因基因作用与性状表达第五十页，共六十一页，2022年，8月28日51当培养基内没有乳糖时，阻遏物接在操纵基因上，关闭操纵子，阻止核糖核酸聚合酶的通过→抑制基因的表达→关闭当培养基内加入乳糖，乳糖作为诱导物与阻遏物结合→打开操纵子→基因表达（图11-24）第五十一页，共六十一页，2022年，8月28日52第五十二页，共六十一页，2022年，8月28日53乳糖操纵子的调控机理第五十三页，共六十一页，2022年，8月28日54DNA及染色体水平的调控基因丢失（线虫、昆虫、甲壳类）基因扩增基因重排：在形成活性基因前，各区域通过染色体内重组而连接在一起，使细胞可能产生数以万计的免疫球蛋白DNA的甲基化作用：珠蛋白的基因表达第五十四页，共六十一页，2022年，8月28日55基因转录水平的调控

真核基因的转录需顺式作用转录元件和反式作用转录元件的相互作用，改变DNA的构象，影响基因的转录，从而调节