遗传信息的流动医学细胞生物学

遗传信息的流动医学细胞生物学第1页，共57页，2023年，2月20日，星期二遗传信息的流动the

flow

of

genetic

information第2页，共57页，2023年，2月20日，星期二细胞的遗传物质中所携带的遗传信息(DNA碱基的排列顺序)决定了生物体的遗传性状和生物学行为。第3页，共57页，2023年，2月20日，星期二绝大部分生物的遗传物质是DNA，少数病毒或噬菌体则是RNA。遗传信息就是DNA分子中碱基的排列顺序。第4页，共57页，2023年，2月20日，星期二DNA分子中遗传信息，以复制方式向子代传递；以转录方式向RNA传递，RNA经翻译后产生的蛋白质决定生物性状。遗传信息→蛋白质→细胞（组织）表型第5页，共57页，2023年，2月20日，星期二基因的结构基因（gene）是合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。第6页，共57页，2023年，2月20日，星期二从功能上看基因包括编码蛋白质（酶、结构蛋白、阻遏蛋白）的基因、编码tRNA/rRNA的基因以及对表达起调控作用的基因。移动基因、间隔基因和重叠基因。核基因，核外基因第7页，共57页，2023年，2月20日，星期二间隔基因：基因转录区中位于编码基因之间的，与蛋白质翻译无关的序列。重叠基因（overlappinggene）：同一DNA序列中2个基因的核苷酸序列相互重叠。第8页，共57页，2023年，2月20日，星期二移动基因/转座子（transposon）TransposonsaresegmentsofDNAthatcanmovearoundtodifferentpositionsinthegenomeofasinglecell.Intheprocess,theymaycausemutationsorincrease(ordecrease)theamountofDNAinthegenome.ThesemobilesegmentsofDNAaresometimescalled"jumpinggenes".第9页，共57页，2023年，2月20日，星期二美国的麦克林托克提出：遗传基因可以移动，能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。她把这种能自发转移的遗传基因称为“转座子”。第10页，共57页，2023年，2月20日，星期二转座子可编码特殊的蛋白酶，催化转座子从宿主DNA上切除并插入靶位点。第11页，共57页，2023年，2月20日，星期二当插入到一个新的位置后，转座子对附近基因的功能会造成一定的影响，成为调控序列的一部分。第12页，共57页，2023年，2月20日，星期二转座对于改变生物体的遗传组成有重要影响（基因重排，失活…）。第13页，共57页，2023年，2月20日，星期二基因的分子结构割裂基因（splitgene）：在真核生物细胞基因中，编码序列常常被非编码序列隔断，呈现分裂状。一个基因通常包括：转录调控区、转录区、终止子。第14页，共57页，2023年，2月20日，星期二在结构基因的上游存在着决定转录起始的启动子，它是可被RNA聚合酶识别并结合的特异性DNA序列。在结构基因的下游存在的终止子是具有终止转录功能的特定序列，可终止RNA聚合酶继续移动并使之脱落。第15页，共57页，2023年，2月20日，星期二转录区包括编码区和非编码区，编码区含一个起始密码子（AUG）、编码密码（外显子）和一个终止密码子。非编码区包括两侧的序列(5’UTR/3’UTR)和编码区当中的间隔序列(内含子)，均不被翻译。第16页，共57页，2023年，2月20日，星期二遗传密码遗传密码：mRNA上相邻的3个碱基排列形成一个密码子，一个密码子决定一种氨基酸的形成，所有的密码子统称遗传密码。第17页，共57页，2023年，2月20日，星期二第18页，共57页，2023年，2月20日，星期二遗传密码特点密码子具有方向性：即阅读方向与mRNA合成方向一致。密码子有兼并性和兼职性：每个密码子三联体决定一种氨基酸，而一种氨基酸可同时有几个密码子编码；在64个密码子中AUG不仅是Met或者fMet(原核细胞)的密码子，也是肽链合成的起始信号，故称起始密码子，UAA、UAG和UGA为终止密码子，不代表任何氨基酸，也称为无意义密码子。密码子有通用性：不论是病毒、原核生物还是真核生物，密码子的含义都是相同的。密码子不重叠，密码子无标点。线粒体mRNA中的密码子与核mRNA的密码子有不同

第19页，共57页，2023年，2月20日，星期二DNA复制半保留复制：在DNA复制时，双链DNA解开，按互补碱基的配对原则，以每一条链为模板以合成其互补链，即可形成两个与亲代完全一样的DNA分子。

第20页，共57页，2023年，2月20日，星期二DNA复制要从DNA分子上特定位置开始。这个特定位置被称为复制起始点。DNA复制从起点开始双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位称为复制子或复制单元。第21页，共57页，2023年，2月20日，星期二复制的起始－－引发（Priming）DNA聚合酶的特性决定了DNA复制时先在复制起始区合成一段RNA引物。第22页，共57页，2023年，2月20日，星期二由DNA螺旋酶将起始点处的DNA双链解开，引发体与特定序列结合，形成复制叉，再由引物酶合成一小段RNA引物，DNA聚合酶再将第一个脱氧核苷酸加在引物3’端开始链的延伸。第23页，共57页，2023年，2月20日，星期二复制的延伸：在RNA引物的3’-OH端由DNA聚合酶III按碱基互补规则延伸。因此DNA的合成是具有方向性的。第24页，共57页，2023年，2月20日，星期二前导链：以3’→5’方向的DNA链做模板链的新链合成可以随着复制叉向前移动，连续合成（5’→3’）。第25页，共57页，2023年，2月20日，星期二后随链：以5’→3’方向的DNA链做模板链的新链合成则不能随着复制叉向前移动，即无法进行连续合成，只能分成许多小片段（okazakifragment）分段合成。每一段新合成的DNA链前有一小段RNA引物，由DNA聚合酶I水解补平，最后由连接酶连接，形成完整的后随链。第26页，共57页，2023年，2月20日，星期二复制的终止：在DNA上也存在着复制终止位点，DNA复制将在复制终止位点处终止。若两个复制叉相遇时，复制也将终止。第27页，共57页，2023年，2月20日，星期二端粒Telomere细胞分裂时DNA复制的不完全将引起端粒区DNA的少量丢失，所以随着细胞分裂次数的增加，端粒不断缩短。当端粒缩短到一定程度(临界长度)时细胞不再分裂。第28页，共57页，2023年，2月20日，星期二端粒酶telomerase第29页，共57页，2023年，2月20日，星期二复制误差的校对DNA聚合酶本身具有校对作用。RNA引物最终也要被切除掉，这样就提高了DNA复制的准确性。由外界和环境因素引起的DNA损伤也可以通过细胞自身的修复机制加以改正。第30页，共57页，2023年，2月20日，星期二DNA转录以DNA为模板合成RNA的过程称为转录。（transcription）转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。第31页，共57页，2023年，2月20日，星期二在DNA的两条链中只有其中一条链可作为模板，这条链叫做模板链（templatestrand），另一条不做为模板的链叫做编码链。第32页，共57页，2023年，2月20日，星期二各基因的模板链并不全在同一条DNA链上，转录时可选择不同链的不同区段，将它们转录到同一条RNA上。同一时刻，双螺旋DNA分子中仅有一条链可作为RNA的模板。第33页，共57页，2023年，2月20日，星期二20世纪60年代RobertRoeder首次发现了RNA聚合酶，可催化RNA链中核苷酸间形成磷酸二酯键。原核细胞和真核细胞中均具有RNA聚合酶。第34页，共57页，2023年，2月20日，星期二原核生物只有一种RNA聚合酶。真核生物细胞核中有3种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们专一性地转录不同的基因，由它们催化的转录产物也各不相同。第35页，共57页，2023年，2月20日，星期二原核生物RNA聚合酶第36页，共57页，2023年，2月20日，星期二真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ合成RNA的活性最高，它位于核仁中，负责转录编码rRNA的基因。细胞内绝大部分RNA是rRNA。RNA聚合酶Ⅱ，位于核质中，负责核不均一RNA（hnRNA）和snRNA的合成，而hnRNA是mRNA的前体。RNA聚合酶Ⅲ负责合成tRNA和许多小分子量的核内RNAs。第37页，共57页，2023年，2月20日，星期二DNA转录合成RNA的方向按5’→3’进行，合成过程分为三个阶段：识别与起始、延长和终止。第38页，共57页，2023年，2月20日，星期二识别与起始转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位，也就是启动子（promoter）。启动子处的核苷酸序列具有特殊性。第39页，共57页，2023年，2月20日，星期二转录的起始是基因表达的关键阶段。RNA聚合酶中的σ亚基识别并专一结合启动子部分的特殊序列，使双螺旋局部解旋，选择模板链并开始转录。第40页，共57页，2023年，2月20日，星期二在合成磷酸二酯键后，σ亚基解离，由聚合酶中的核心酶部分负责RNA链的延伸。DNA双螺旋在转录时只是暂时局部解旋，转录完毕即恢复双螺旋结构。第41页，共57页，2023年，2月20日，星期二真核生物的转录过程往往还需要多种蛋白因子的协助，有一类叫做转录因子的蛋白质分子，它们能与RNA聚合酶Ⅱ形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。第42页，共57页，2023年，2月20日，星期二RNA链的延长RNA链的延长靠核心酶的催化，在起始复合物上第一个核苷酸的3’-OH上与第二个三磷酸核苷起反应形成第一个磷酸二酯键。聚合后的核苷酸链又有核糖3’-OH游离，这样就可按模板DNA的指引，一个接一个地延长下去。因此RNA链的合成方面也是5’--3。第43页，共57页，2023年，2月20日，星期二由于DNA链与合成的RNA链具有反平行关系，所以RNA聚合酶是沿着DNA链3’--5’方向移动。整个转录过程是由同一个RNA聚合酶来完成的一个连续不断的反应。第44页，共57页，2023年，2月20日，星期二转录的终止移动的RNA聚合酶到达特定序列时转录终止，RNA聚合酶脱落，合成的RNA释放，DNA恢复双螺旋结构。第45页，共57页，2023年，2月20日，星期二DNA链从启动子到终止子的一段长度即是一个转录单位，称为转录子（transcripton）。第46页，共57页，2023年，2月20日，星期二RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以没有校正功能。

第47页，共57页，2023年，2月20日，星期二转录后加工刚合成的mRNA是初级转录物，称为核不均一RNA（hnRNA），必须经过加工才能变为成熟的RNA。原核生物转录生成的mRNA没有转录后加工修饰过程。第48页，共57页，2023年，2月20日，星期二真核生物转录产生初级转录物为RNA前体，它们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其生物活性。

真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5’端和3’端的修饰以及对中间部分进行剪接。第49页，共57页，2023年，2月20日，星期二5’端加帽：成熟的真核生物mRNA，其结构的5’端都有一个m7G-ppp结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。第50页，共57页，2023年，2月20日，星期二5’端帽子结构增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’外切核酸酶的攻击，这种帽子结构还可能为核糖体对mRNA的识别提供了信号。

第51页，共57页，2023年，2月20日，星期二3’端加尾：大多数真核mRNA都有3’端的多聚A尾（polyA)，多聚