分子生物学第二章遗传物质

分子生物学第二章遗传物质第1页，共42页，2023年，2月20日，星期三第一节分子生物学的主要研究对象一、基因二、基因组三、染色质和染色体第2页，共42页，2023年，2月20日，星期三一、基因(Theconceptionofgene)基因（gene）：是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA序列。第3页，共42页，2023年，2月20日，星期三一个典型的真核基因包括：（1）编码序列—外显子（exon）（2）插入外显子之间的非编码序列—内含子（intron）（3）5’-端和3’-端非编译区（UTR）（4）调控序列（可位于上述三种序列中）第4页，共42页，2023年，2月20日，星期三ORF（openreadingframe)开放阅读框：是结构基因的正常核苷酸序列，从起始密码子到终止密码子的阅读框可编码完整的多肽链，其间不存在使翻译中断的终止密码子。ORF的识别是证明一个新的DNA序列为特定的蛋白质编码基因的部分或全部的先决条件。第5页，共42页，2023年，2月20日，星期三二、基因组基因组（genome）：狭义是指单倍体基因组，即特定的生物体的整套（单倍体）遗传物质的总和。是细胞全部的遗传信息，包括细胞发挥功能所需的全部“程序”。基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。第6页，共42页，2023年，2月20日，星期三不同生物的基因组，基因的结构、排列方式不同，尤其是原核生物和真核生物之间存在很大区别第7页，共42页，2023年，2月20日，星期三细菌一般为单个的环状基因组，也报道存在线性基因组的细菌真核生物99%的DNA在细胞核基因组中，但也存在细胞器基因组，一般为线形病毒的基因组情况很多在基因组外，还存在其它DNA形式，如质粒第8页，共42页，2023年，2月20日，星期三三、染色质（chromatin）和染色体（chromosome）

是真核生物遗传物质存在的两种不同形态，一个存在细胞分裂间期，一个存在分裂期。目前该概念也扩大到包括原核生物及细胞器在内的基因载体的总成。染色体是一个独立的携带必须遗传信息的DNA分子，并包括决定其结构的蛋白质。它的作用是包装线形DNA并为其复制和分裂提供框架，其功能的发挥离不开复制原点（精确复制）、着丝粒（染色体分离）和端粒（染色体5’端的形成，防止染色体错误的末端链接）。第9页，共42页，2023年，2月20日，星期三一般由两条染色单体和一个着丝粒centromere组成有的生物有两个或多个着丝粒，如马蛔虫在一些同翅目和半翅目昆虫中，沿着整个染色体长度的每一个点都具有着丝粒的活性，称为弥散着丝粒由于着丝粒的位置不同，染色体臂有长臂L和短臂S之分。着丝粒的位置可用臂比值A(A=L/S)和着丝粒指数S/(L+S)×100%表示第10页，共42页，2023年，2月20日，星期三在染色体中，基因成对存在，称为等位基因allele/ә’li:l/。完全显性completedominance：在纯合体homozygote(即在一个特定的基因座位上含有相同的等位基因)中，基因传递保持独立性。如AA和aa在异合体heterozygote(即在一个特定的基因座位上含有不同的等位基因，如Aa)中，表型和一个表达的等位基因(显性等位基因dominantallele,如A)相一致，另一个基因则做了牺牲，称为隐性等位基因recessiveallele，如a。第11页，共42页，2023年，2月20日，星期三异合体的表型处于两个纯合体的中间状态时称为无显性nondominance，如果偏向某一个纯合体，则称为部分显性partialdominance。如红AA和蓝aa的杂交种Aa如为黄，则为无显性，如浅红则为部分显性杂种的表型处于亲本描述的表型之外，称为超显性overdominance，如杂种优势。若不足，则称为显性不全underdominance，如近亲衰退。共显性codominance：一对等位基因的相关表型都可以独立表达，如ABO血型第12页，共42页，2023年，2月20日，星期三第二节基因型genotype和表现型phenotype的关系一、基因型：

控制生物体表现型的遗传因子。二、表现型：

有机体可见的或可计算的外在性质，表现型可被区分为不同的类型，称为性状character或特征characteristic。所有的性状都有遗传herediry和变异variation两种性质。

不同的表现型可能受不同的基因型调控，不同的基因型可产生不同的表现型但基因型相同，由于表达调控差异，可产生不同的表现型，如一种生物有不同的发育期第13页，共42页，2023年，2月20日，星期三小测验:①请写出以下概念的英文，并做简短描述:基因、基因组、染色体②请简述基因型和表现型的关系第14页，共42页，2023年，2月20日，星期三第三节遗传学的发展历史第15页，共42页，2023年，2月20日，星期三第四节Griffith于1928年发现的“转化”现象第16页，共42页，2023年，2月20日，星期三Transfection：转染。将纯化的噬菌体DNA分子导入细菌细胞Transformation:转化。由于吸收裸DNA分子而使细胞获得新基因的过程。Transformingprinciple：用于遗传转化的DNA。通过整合到受体细胞的基因组中改变其基因型。Basepairing碱基配对：指在DNA双螺旋中A与T、C与G，以及在RNA中A与U配对的规则。它们之间依靠氢键相连，是维持核酸二级结构的主要作用力。Nucleotideacid核苷酸：是核酸的基本重复单位，由含氮碱基、糖和磷酸三部分组成。第17页，共42页，2023年，2月20日，星期三ThetransformingprincipleisDNA

Griffith于1928年发现的“转化”现象.DNAisthegeneticmaterial肺炎双球菌第18页，共42页，2023年，2月20日，星期三第五节Hershey和Chase的噬菌体转染实验第19页，共42页，2023年，2月20日，星期三ThegeneticmaterialofphageT2isDNA

1952年，Hershey和Chase

DNA是一种通用的遗传物质.DNAisthegeneticmaterial大肠杆菌噬菌体T2第20页，共42页，2023年，2月20日，星期三EukaryoticcellscanacquireanewphenotypeastheresultoftransfectionbyaddedDNA.

DNAisthegeneticmaterial胸腺嘧啶DNA不仅是真核生物的遗传物质，而且能够在不同物种间相互转移并保持功能活性第21页，共42页，2023年，2月20日，星期三小测验证明DNA是细菌遗传物质的精典实验是如何进行的?试简单描述其过程(包含结果分析).

第22页，共42页，2023年，2月20日，星期三第六节中心法则和DNA做为遗传物质的优越性第23页，共42页，2023年，2月20日，星期三describesthebasicnatureofgeneticinformation:sequencesofnucleicacidcanbeperpetuated保持andinterconverted互换byreplication,transcription,andreversetranscription,buttranslationfromnucleicacidtoproteinisunidirectional单向性的,becausenucleicacidsequencescannotberetrievedfromproteinsequences.一、Centraldogma中心法则及其修正第24页，共42页，2023年，2月20日，星期三Thecentraldogmastatesthatinformationinnucleicacidcanbeperpetuated永久保留ortransferred转移,butthetransferofinformationintoproteinisirreversible不能倒转的.

一、中心法则第25页，共42页，2023年，2月20日，星期三Crick（1958）在“论蛋白质的合成”一文中，首次提出中心法则的内容⑴遗传信息：能独立的自我复制；对细胞的特异性有高度影响⑵信息的流动是单程的：DNARNA蛋白质⑶序列假说：蛋白质的序列由DNA的序列决定中心法则(centraldogma):1953年watson将遗传信息的传递途径称为中心法则.第26页，共42页，2023年，2月20日，星期三Watson（1976）在《基因分子生物学》一书中，又做了更具体详细的描述。其内容可概括为下列三点：①DNA分子上的碱基排列有一定顺序，这顺序就是遗传信息。生物的全部遗传信息都包含在这种大分子的遗传信息之中。②DNA分子双链折开，以每条单链为模板，按照碱基配对的原则，合成新的互补链，这是DNA的自我复制。③以DNA分子双链中的一条为模板，按照碱基A-U、G-C配对的原则互补地合成mRNA链，这是转录。然后以3个碱基决定一个氨基酸的方式，根据mRNA分子上的碱基排列顺序合成蛋白质，这是翻译。第27页，共42页，2023年，2月20日，星期三二、中心法则的修正1970年，美国科学家Temin和Baltimore在RNA肿瘤病毒中发现反转录酶（reversetranscriptase）。在病毒感染细胞期间，以病毒RNA为模板，在反转录酶的作用下合成DNA，然后以这段病毒DNA为模板，互补合成RAN，同时以该病毒的mRNA合成蛋白质。且病毒DNA可插入到细胞染色体DNA中把遗传信息传递下去。为此，Crick（1971）立即撰文对上述直线形中心法则作了修改补充第28页，共42页，2023年，2月20日，星期三中心法测说明了遗传信息由DNA传向DNA，或由DNA传向mRNA，然后决定蛋白质特异性的过程。是目前分子遗传学研究的核心。DNA1957年transcriptionRNAtranslationProteinDNA1971年ProteinRNAReversetranscriptionregulation第29页，共42页，2023年，2月20日，星期三对中心法则的挑战㈠蛋白质的遗传信息不一定来自核酸1.以蛋白质为模板的肽链合成。2.肽链的翻译后加工。①切割，糖基化；②在C端切去一段小肽；③原来的N端和C端连接。非DNA信息的加工过程3.朊病毒。㈡RNA的信息不完全来自DNA

模糊基因：锥虫的coxⅢ中167个位点上398个U插入,9个删除.60%RNA编辑．gRNA第30页，共42页，2023年，2月20日，星期三对中心法则的挑战以蛋白质为模板的肽链合成。多肽抗生素是细菌产生的抗生素中的一类，Lipmann等人（1971）的研究表明，它们的合成是直接由某些多酶体系来完成的。多肽抗生素肽链中的氨基酸序列是由这些酶上所吸附的氨基酸序列所决定的。肽链的翻译后加工。按照mRNA分子上的碱基排列顺序合成的新生肽，即使有了确定的氨基酸序列，还不是蛋白质，它们必须经过二硫键的形成、甲基化作用、羟基化作用、糖基化作用、肽链的折叠、亚基的组装等复杂的加工过程才能形成特定的由一级结构决定的三维结构，并成为有活性的蛋白质，也就是说遗传信息由多肽（polypeptide）传向蛋白质（protein）。第31页，共42页，2023年，2月20日，星期三模糊基因细胞内对RNA的加工可以改变mRNA的密码子，使一些原本无意义的mRNA转变为有意义的mRNA，并能产生具有一定功能的蛋白质。而这些mRNA的基因原本是意义模糊的序列，是不能产生蛋白质的，这样的序列称为模糊基因或隐秘基因（cryptogene）。第32页，共42页，2023年，2月20日，星期三三、DNA作为遗传物质的优点DNA作为遗传物质有许多优点，其中最主要的是：信息量大可以微缩（一个1kb的基因，其可能的核苷酸排列顺序有4100种，而直径10亿光年的宇宙，其体积不过1084cm3或10108Å3）表面互补、电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制的机理核糖的2ˊ脱氧，在水溶液中稳定性好(不存在自有-OH，不被水解，pH7～9稳定)第33页，共42页，2023年，2月20日，星期三可以突变，以求进化有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险以胸腺嘧啶T取代尿嘧啶U是DNA生物有别于RNA生物的重大步骤。胞嘧啶C经氧化脱氨基就成为U。假如DNA和RNA一样，没有T而只有U，那由C脱氨基变来的U和原有的U就无法区别由于DNA中有T无U，所以DNA基因组可以大幅度扩增，生物体结构得以进化到高级复杂的程度，才有可能出现人类。第34页，共42页，2023年，2月20日，星期三WhydoesDNAcontainTratherthanU?NCHCOHNCHCOCNH2NNCHCOCHcytosineuracilH2OCytosinedeaminatesnon-enzymaticallytoformuracil.IfthishappensinDNA,itconstitutesamutation.Aproof-readingsystemrecognizetheerror,andreplacestheUbyC.DeaminationofcytosineisoflittleconsequenceinRNA,whichisnotthepermanentrepositoryofgeneticinformation.第35页，共42页，2023年，2月20日，星期三第七节RNA作为遗传物质RNA酶集信息传递作用和酶学催化作用于一身，很可能是最初的遗传物质。在这个基础上，一个由RNA世界到RNA蛋白质世界，由RNA蛋白质世界到DNA世界的进化图景，已被科学界广泛接受.RNA作为最初遗传物质的设想，仍然有许多疑难。其中RNA本身的起源问题，根据有机化学家的意见，模拟的前生物条件（prebioticcondition）下，合成核糖并非易事；即使有了核糖，D-核糖和碱基一起加热，得到的是α-核糖核苷，而不是RNA中的β-核糖苷等等，但目前没有更好的解释迄今已知的RNA生物，都是基因组小，结构简单的生物。第36页，共42页，2023年，2月20日，星期三由U转变为T的代谢途径已经研究清楚，这条代谢途径充分说明U的出现在先，T在后，DNA中以T代U的进化历程尚不清楚，因为没有发现中间类型迄今已知唯一含U的DNA生物是枯草杆菌噬菌体PBS1，其基因组相当大。自发现迄今已30余年，是实验室常用的转导噬菌体，其遗传稳定，唯一例外的是经常出现清亮噬菌斑，不知是否是由于C脱氨基成为U之故。第37页，共42页，2023年，2月20日，星期三烟草花叶病毒（TobaccoMosaicVirus,TMV）象大多数植物病毒一样，TMV由蛋白质和核糖核酸（RNA）构成。化学技术可把完整的TMV病毒分成RNA和蛋白质两部分实验确证TMV的病毒蛋白在感染中不起遗传作用，从而确证遗传信息的载体是病毒的核酸成分，而非蛋白质成分。第38页，共42页，2023年，2月20日，星期三第八节蛋白质可作为遗传物质？

(ProteinastheGeneticMaterial?)蛋白质因其缺乏遗传表面，而且遗传嗅觉不灵敏，不能作为遗传物质，早已成为定论。Prion（传染蛋白质颗粒）问题对此带来一片疑云，把羊疯痒病(scrapie)、牛海绵状脑炎、人kuru病等构象病的病因子定名为prion,

为的是和类病毒、拟病毒相区别。是一种蛋白侵染因子。病毒virus：一类超显微的，无细胞结构的，专性活细胞内寄生的分子生物。第39页，共42页，2023年，2月20日，星期三类病毒(Viroid):是一个裸露的没有衣壳包裹的闭合环状RNA分子，它能感染寄主并在其中进行自我复制使寄主产生病症。

拟病毒virusoids:也称为类类病毒，它是一种环状单链RNA。它的侵染对象是植物病毒。被侵染的植物病毒被称为辅助病毒，拟病毒必须通过辅