第3章遗传物质的分子基础

第三节

特殊的信息转移和中心法则

按照一般的信息转移过程，遗传信息是由DNA→RNA→蛋白质；但有些病毒携带的遗传物质是ＲＮＡ而不是ＤＮＡ，它们的遗传信息转移过程是通过ＲＮＡ复制（ＲＮＡ→ＲＮＡ）或反转录（ＲＮＡ→ＤＮＡ→ＲＮＡ）过程实现的。目前一页\总数四十八页\编于四点一、ＲＮＡ复制

１．Ｑβ噬菌体的基因组结构：Ｑβ噬菌体带有（＋）链ＲＮＡ，ＲＮＡ分子量约1.5X106D（4500Nt），有四个基因：５’－成熟蛋白-外壳蛋白（和Ａ蛋白）-复制酶β亚基－３’。２．Ｑβ噬菌体的复制酶：Ｑβ噬菌体的ＲＮＡ复制酶有四个亚基，除自身携带的β亚基外，另外三个亚基分别来自宿主细胞的S1蛋白，EF-Tu和EF-Ts因子。目前二页\总数四十八页\编于四点

复制酶有两个特点，一是特异性很高，只识别病毒自身的ＲＮＡ分子，而对于其它ＲＮＡ分子包括其它ＲＮＡ病毒的ＲＮＡ分子都不能起作用，二是比较倾向于与（-）链结合以制造更多的（+）链。３．复制过程（１）带有（＋）链的ＲＮＡ病毒：这类病毒如Ｑβ，脊髓灰质炎病毒等，侵染后，以自身携带的ＲＮＡ链上的β亚基的基因马上翻译出β亚基，β亚基随即组装成复制酶，催化（－）链的合成，又以（—）链为模板合成（＋）链，以亲代（＋）链和子代（＋）链为模板又翻译出结构蛋白。最后子代（＋）链和结构蛋白组装成成熟噬菌体。

目前三页\总数四十八页\编于四点

（２）带（－）链ＲＮＡ的病毒：这类病毒如狂犬病毒、口腔胞疹病毒等，侵染细胞后，必须先将（－）链复制成（＋）链才能翻译出复制酶，所以在每个成熟的病毒颗粒中都带有复制酶，复制酶与ＲＮＡ一道侵染细胞，发动（－）链到（＋）链的合成。（３）双链ＲＮＡ病毒：例如呼肠孤病毒，这类病毒侵染细胞后先由（＋）链翻译出复制酶，并以（－）链为模板催化合成（＋）链，以（＋）链翻译出结构蛋白及更多的（－）链，最后（＋）链和（－）链结合成双链子代ＲＮＡ再与结构蛋白结合成成熟病毒颗粒。

目前四页\总数四十八页\编于四点二、反转录与反转录病毒

反转录病毒是通过RNA反转录成DNA再转录成RNA的过程繁殖后代的。

１、反转录酶(reversetranscriptase)

是一种由病毒基因组编码的,可以以RNA为模板,将RNA上的遗传信息反转录到DNA上的DNA聚合酶,这种酶有三个活性：（１）以RNA为模板合成单链DNA;（２）具有核酸外切酶Ｈ的活性,可水解去除DNA-RNA杂种分子上的RNA链；（３）可以单链DNA为模板合成双链DNA。目前五页\总数四十八页\编于四点目前六页\总数四十八页\编于四点目前七页\总数四十八页\编于四点２、反转录病毒

一类单链线状ＲＮＡ病毒，一个病毒颗粒含有两个相同的ＲＮＡ分子（二聚体），带有三个必须的基因：gag（groupspecificantigen核心抗原基因，即外壳蛋白基因）；pol（RNA-dependentDNApolymerase依赖于ＲＮＡ的ＤＮＡ聚合酶,即反转录酶的基因）；env（envelop)外膜糖蛋白基因）。

目前八页\总数四十八页\编于四点目前九页\总数四十八页\编于四点

反转录病毒感染宿主细胞后,其RNA在反转录酶的作用下,反转录成DNA而后反插入到宿主细胞基因组中。在反转录过程中,最大的变化就是在DNA的末端形成二个长末端重复序列（longterminalrepeats,LTR）。这类似于转座子的末端重复序列,暗示着反转录病毒可能有类似于转座子的转座作用。在插入宿主染色体的时候,可导致宿主染色体的几个bp的顺向重复。由于反转录病毒可能具有转座功能,因此有人将这类病毒称为反转录转座子（retrotransposon).目前十页\总数四十八页\编于四点三、DNA翻译：

指利用DNA直接作为信使,在核糖体上翻译蛋白质的现象。目前在自然界中尚未发现,但在实验室中利用某些抗生素打乱核糖体对模板的选择,能够使DNA直接代替mRNA而合成多肽。目前十一页\总数四十八页\编于四点四、对中心法则的挑战

DNARNAProtein1、朊病毒（Prion）：这是一种引起人类Kuru病、CJD病、GSS病；动物的疯牛病（madcowdisease)、羊瘙痒病等疾病的蛋白质因子。？？目前十二页\总数四十八页\编于四点朊病毒的遗传信息传递问题:

现在已经知道完整朊病毒的分子量33~35KD，称PrPsc33~35，该蛋白质水解N-末端67个氨基酸后成为有传染性的病毒颗粒，称PrPsc27~30。正常细胞内有33~35KD的与PrPsc33~35一级结构完全相同而二级结构有明显差别的蛋白质，但没有致病性，称PrPc。PrPc一旦与PrPsc结合将转变为PrPsc

。这就是朊病毒的繁殖方式。由此可知PrP（PrionProtein）是由细胞内的基因编码的，PrPc与PrPsc是一种同分异构体。问题：在PrPc转变为PrPsc的过程中，PrPsc必须将遗传信息传递给PrPc，即将自己的立体结构的信息传递给PrPc

。蛋白质与蛋白质之间遗传信息靠什么传递？目前十三页\总数四十八页\编于四点2、以蛋白质为模板的肽链合成：许多多肽抗生素的合成并不是为DNA所编码，没有mRNA，也不在核糖体上合成。Lipmann发现这些多肽是直接由某些多酶体系合成的，如短杆菌肽。3、蛋白质翻译后的加工：有些蛋白质刚合成后是没有活性的，必须经过一定的加工才能成为有活性的蛋白质，这些加工过程包括糖基化、脂化以及肽链的剪切等过程，这些过程的遗传信息又是如何来的？目前十四页\总数四十八页\编于四点3.7基因的现代概念

一、基因和DNA基因是DNA分子的一个区段？基因与多肽之间有共线性（colinearity）真核基因组中编码蛋白质的序列大概只占0.5%-5%。基因与基因之间有大量的非编码序列，即有intergenicregion，这种现象称DNA冗余。目前十五页\总数四十八页\编于四点

DNA的重复序列(repetitivesequence)

基因组DNA根据拷贝数的多寡,可分为：单拷贝序列：非重复序列,约占基因组的40~70%。

少量(轻度)重复序列：10拷贝以下,约占10%,如珠蛋白基因、酵母tRNA基因。中度重复序列：在10~105拷贝,约占基因组的10%~40%。可分为顺向重复序列（directedsequenceDR)和反向重复序列（invertedsequenceIR)。如Alufamily高度重复序列：在105~106拷贝,约占基因组的10%~20%,主要是所谓的卫星DNA。目前十六页\总数四十八页\编于四点二、生化突变型与一基因一酶说1、1941年，首先由Beadle和Tatum提出该假说。

2、“一基因一酶假说”的主要内容对结构基因而言，一种基因仅能表达一种多肽。

3、“一基因一酶假说”的证据前体鸟氨酸瓜氨酸精氨酸arg1arg2arg3酶1酶2酶3精氨酸的代谢途径目前十七页\总数四十八页\编于四点三、先天性代谢缺陷p151-155

以苯丙氨酸代谢为例：苯丙氨酸—酪氨酸—双羟苯丙氨酸—黑色素或者苯丙氨酸—对羟苯丙氨酸—尿黑酸—乙酰醋酸—水+CO2黑尿病：缺乏尿黑酸氧化酶，不能把尿黑酸氧化为乙酰醋酸白化病：缺乏酪氨酸酶，不能形成黑色素苯酮尿症：缺乏苯丙氨酸羟化酶，不能将苯丙氨酸转变为酪氨酸，致使：苯丙氨酸在血液中积累、损害神经、影响智力转变为苯丙酮酸随尿液排出、所以叫做苯酮尿症抑制酪氨酸变为黑色素、黑色素减少、肤发色浅目前十八页\总数四十八页\编于四点先天性代谢缺陷与分子病的区别先天性代谢缺陷，也叫先天性代谢病（inbornerrorsofmetabolism）：由于特异酶的缺陷而产生了代谢障碍，这种障碍可以引起病理性后果。分子病（moleculardisease）：由于大分子结构异常而造成的疾病，如血红蛋白、结构蛋白等异常导致的疾病目前十九页\总数四十八页\编于四点四、基因的精细结构1、顺式(cis)与反式(trans)对于含4个16区A段的染色体来说,有45个小眼的+/BB,两个B在同一染色体上,为顺式；有68个小眼的B/B,两个B位于不同染色体上,称为反式。目前二十页\总数四十八页\编于四点3、互补试验（互补测验）Benzer利用T4噬菌体rII品系进行杂交，测定每对突变位点间重组频率的方法：p160-161重组率=(2×重组子数)/总噬菌体数×100%互补(complementation):

当两个突变型同时感染E.coliK时,互相弥补对方的缺陷,共同在菌体内增殖,引起溶菌,释放原来的两个突变型。互补测验：用于测定不同突变之间的功能关系（是等位的、还是非等位的）。方法是使两个突变处于反式结构，观察两个突变之间是否可以互补，可以互补说明两个突变处于不同的功能单位，反之，说明两个突变处于相同的功能单位（属于同一个顺反子）。目前二十一页\总数四十八页\编于四点目前二十二页\总数四十八页\编于四点互补测验中，两个突变位点是处于顺式结构还是处于反式结构，结果会有什么不同呢？目前二十三页\总数四十八页\编于四点

Benzer将顺式结构与反式结构的遗传学效应不同的现象称为顺反位置效应。将具有顺反位置效应的功能单位称为顺反子（cistron)。凡是相互之间存在顺反位置效应的两个突变位点都属于一个顺反子。凡是相互之间测不出重组值的两个突变位点都属于同一个位点。一个顺反子是一个作用单位,占据一个座位(locus,loci),是一个基因。目前二十四页\总数四十八页\编于四点4、基因结构研究的一系列成果：1）操纵子（Operon）2）重叠基因(Overlappinggene)

ΦX174：1977年Sanger等人对ΦX174噬菌体的核苷酸顺序进行分析时，发现了基因的重叠现象，同时还发现遗传密码也有重叠现象。所谓重叠基因，是指相邻的两个基因共用一段核苷酸顺序的现象。目前二十五页\总数四十八页\编于四点目前二十六页\总数四十八页\编于四点3）断裂基因(splitgene)——(intron&extron)

发现：1977年法国科学家Chambon在研究雌激素与蛋白质合成的关系时以外发现,并获1993年诺贝尔奖。他从鸡的输卵管和血球中分离核DNA,分别用EcoRI和HindIII酶解、电泳，然后与卵清蛋白cDNA探针进行Southernbolt分子杂交,发现卵清蛋白基因在cDNA和核DNA的结构有些不同。目前二十七页\总数四十八页\编于四点目前二十八页\总数四十八页\编于四点断裂基因与重叠基因一隔裂基因：1概念：隔裂基因：外显子内含子外显子内含子外显子内含子外显子成熟mRNA帽5´AAAA…拖尾序列剪接加工

前体mRNA(hnmRNA)转录

2Chambon规则（GT—AG规则）内含子：5`端G90T90————A85G853`

可能是剪接酶的识别信号。目前二十九页\总数四十八页\编于四点3断裂基因的意义

（1）有利于储存较多的遗传信息量；（2）有利于变异与进化；（3）增加重组机率；（4）内含子可能是调控装置。通读基因：指从起始密码ATG开始到终止密码为止,所核苷酸都为氨基酸编码基因。目前三十页\总数四十八页\编于四点二重叠基因（一）重叠基因的概念

重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列。（二）重叠基因的发现：1978年，Sanger

X174DNA全长：5386核苷酸编码的9种蛋白全长：2000个氨基酸；

3X2000=6000核苷酸目前三十一页\总数四十八页\编于四点（三）基因重叠的方式1大基因内包含小基因：如：B基因包含在A基因内，E基因完全包含水量在D基因内。2前后两基因首尾重叠：例1：如：基因D终止

X174DNA序列：5`—T—A—A—T—G—3`重叠一个碱基基因J起始例2：如：基因A终止

X174DNA序列5`——A—T—G—A—3`重叠4个碱基基因C起始目前三十二页\总数四十八页\编于四点

3三个基因之间重叠基因Bphe终止基因AserAspGluG4DNA序列-T-T-C-T-G-A-T-G-A-A-A-基因K起始Val4反向重叠5重叠操纵子（三）基因重叠的意义及危害目前三十三页\总数四十八页\编于四点目前三十四页\总数四十八页\编于四点4）多基因家族（multigenefamily）,也称基因家族（genefamily）：指来源相同、结构相似、功能相关的一组基因。家族成员可以排列在一起构成所谓的基因簇（genecluster),也可以分散排列基因家族可分为四种类型：

简单的多基因家族复杂的多基因家族不同场合表达的复杂的多基因家族散在分布的多基因家族，如癌基因。目前三十五页\总数四十八页\编于四点5）基因复合体（genecomplex），也称超基因（supergene）：是指紧密连锁在一起的共同决定某一性状的一组基因。亦有人认为超基因就是一个大的基因簇，其成员可达几百个。

人类的主要基因复合体有：

免疫球蛋白基因复合体主要组织相容性复合体（majorhistocompatibilitycomplex,MHC）次要组织相容性复合体（minorhistocompatibilitycomplex）目前三十六页\总数四十八页\编于四点6）假基因（pseudogene）：

在多基因家族中某些成员和编码某一蛋白质的结构基因在结构上相似，但并不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因。两种类型的假基因：

由正常基因的突变、缺失、重复等原因导致基因不能正常表达。缺少正常基因的部分元件、内含子等，更象正常基因经反转录后产生的，有人称其为加工基因（processedgene）、反转录基因（retrogene）及反转录转座子（retrotrsansposon）。目前三十七页\总数四十八页\编于四点7）转座因子目前三十八页\总数四十八页\编于四点8）癌基因(oncogene)与抑癌基因（tumorsuppressorgene)

癌基因最早是在病毒中发现的(Rous,1966年诺贝尔奖）。根据来源可将癌基因分为两类：

病毒癌基因：有些反转录病毒带有癌基因,称为病毒癌基因（v-onc）,它是指病毒带有的可使靶细胞发生恶性转化的基因。目前发现的病毒癌基因大都存在于反转录病毒,只有少数存在于DNA病毒中。

细胞癌基因（c-onc)：也称为细胞转化基因（celltransformationgene),这类基因存在于细胞中可使正常细胞转化为恶性细胞。细胞中相应的不具有转化活性的基因称为原癌基因（proto-oncogene)。目前三十九页\总数四十八页\编于四点原癌基因的活化(四种方式)

A.获得启动子或增强子：如反转录病毒插入到原癌基因的边上,原癌基因受到LTR上的启动子的影响而活化。

B.基因扩增（amplification)：用癌基因为探针进行分子杂交,发现癌变细胞可杂交信号大大加强,提示癌基因的拷贝数增多,扩增数可达数十到数百倍。癌基因扩增有两种方式：产生大量的双微体（doubleminutechromosome,DM）或大段同源染色区（homogeneouslystainingregion,HSR）。目前四十页\总数四十八页\编于四点

C.染色体重排引起原癌基因的活化

目前四十一页\总数四十八页\编于四点D.基因突变引起原癌基因的活化目前四十二页\总数四十八页\编于四点抑癌基因（tumorsuppressorgene)：指当基因存在或表达时能够抑制肿瘤产生的一类基因。如p53等

目前四十三页\总数四十八页\编于四点9）tRNA基因

原核生物tRNA

的分布有二种情况：

(1)以基因簇形式组成多顺反子转录单位：在E.coli中以基因簇形式组成的多顺反子已测定了约60个，例如1981年鉴定的一个操纵子含７个tRNA基因：Met-Leu-Gln-Gln-Met-Glu-Glu，它