普通遗传学第五章遗传的分子基础

普通遗传学第五章遗传的分子基础第一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第一节DNA作为主要遗传物质的证据

通过对细胞有丝分裂、减数分裂和受精过程的研究，人们了解到染色体在生物的传宗接代过程中，能够保持一定的稳定性和连续性。因此，人们认为染色体在遗传上起着主要作用，染色体是遗传物质的载体。遗传物质：DNA？蛋白质？都是?染色体主要由DNA和蛋白质组成。第二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日遗传物质必须具备的条件遗传功能，即基因的复制遗传物质必须贮存遗传信息，并能将其复制且一代一代精确地传递下去。

1变异功能遗传物质必须发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化。3表达功能能控制生物体性状的发育和表达。2第三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日对遗传物质的早期推测20世纪20年代：人们认识到蛋白质是由多种氨基酸连接而成的大分子，氨基酸多种多样的排列顺序，可能蕴含着遗传信息20世纪30年代：人们认识到DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子。组成DNA分子的脱氧核苷酸有四种，每一种有一个特定的碱基。但由于对DNA分子的结构没有清晰的了解，人们认为蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。为什么我们现在认为DNA是主要的遗传物质呢？第四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

DNA作为主要遗传物质的间接证据大部分DNA存在于染色体上，而蛋白质在细胞质内也很多。每个物种不通组织的细胞不论起大小和功能如何，它们的DNA含量是恒定的。配子中DNA的含量恰好是体细胞的一半。而细胞内的蛋白质量在不同细胞间变化很大。第五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA结构的变化与生物突变具有一致性。

用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长均260nm。这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。这证明基因突变是与DNA分子的变异密切相关。DNA在代谢上较稳定。原子一旦组成DNA，则在细胞保持健全生长的情况下，保持稳定，不会离开DNA.而蛋白质分子却不同，它在迅速形成的同时又不断分解。DNA能自我复制，具有世代的延续性。而蛋白质不能进行自我复制。

第六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日

DNA作为主要遗传物质的直接证据肺炎双球菌转化实验1噬菌体侵染与繁殖实验2第七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日肺炎双球菌转化试验肺炎双球菌体内转化实验1928年，英国格里菲思（Griffith）的肺炎双球菌感染小鼠实验S型R型菌落表面光滑粗糙形态有多糖类荚膜无多糖类荚膜毒性有毒性，可致死无毒性第八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日实验提示：加热杀死的S型有毒品系中一定有一种因子能使无毒的R品系转化为有毒的S品系（transformation）。第九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日肺炎双球菌体外转化实验1944年，美国学者艾弗里（Avery）等证明将R无毒品系转化为有毒S品系的物质是DNA。

（S）

加热杀死

多糖脂类RNA蛋白质DNADNA+DNA水解酶↓↓↓↓↓↓分别与R型细菌混合培养↓↓↓↓↓

SR

RRRRRR第十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日结论：在S型细胞的各种组分中，只有DNA能引起R型细胞的转化，DNA是S型细胞多糖荚膜和病源特征的决定因子，只要给R型细胞提供S型细菌的DNA，就等于是提供了S基因。

意义：第一次直接证明基因是由DNA组成的，DNA是遗传物质。尽管Avery等人的肺炎双球菌体外转化实验非常精确和严密，但当时仍有很多科学家不相信DNA是遗传物质。1952年Hershey和Chase的噬菌体侵染实验证实DNA是主要的遗传物质，才使人们普遍认同主要的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。第十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日噬菌体侵染与繁殖实验噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒的总称，因部分能引起宿主菌的裂解，故称为噬菌体。噬菌体个体微小，主要由蛋白质外壳和核酸组成

。噬菌体只能利用宿主的核糖体、蛋白质合成时所需的各种因子、各种氨基酸和能量产生系统来实现其自身的生长和增殖。一旦离开了宿主细胞，噬菌体既不能生长，也不能复制。

T2噬菌体侵染与繁殖基本过程：1.T2噬菌体吸附大肠杆菌后，将遗传物质注入细菌细胞；2.利用大肠杆菌的遗传复制系统复制噬菌体遗传物质；3.利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组件；4.最后组装形成完整的T2噬菌体。因此只要弄清侵染时进入细菌的是噬菌体的哪一部分，就可能证明哪种物质是遗传物质。第十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日35S32P同位素示踪：蛋白质的组成元素：C、H、O、N、SDNA的组成元素：C、H、O、N、P标记噬菌体：在分别含有放射性同位素32P和35S的培养基中培养细菌。分别用上述细菌培养T2噬菌体，制备含32P的噬菌体和含35S的噬菌体第十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日1952年，赫尔希（Hershey）和蔡斯（Chase）的噬菌体侵染与繁殖试验第十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日实验过程及结果总结第一组实验第二组实验亲代噬菌体35S标记蛋白质32P标记DNA

寄主细胞内

无35S标记蛋白质有32P标记DNA子代噬菌体外壳蛋白质无35SDNA有32P标记结论：噬菌体侵入细菌时，DNA进入到细菌的细胞中，而蛋白质外壳仍留在外面。因此子代噬菌体的各种性状，是通过亲代噬菌体的DNA遗传的。DNA才是真正的遗传物质。第十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA是唯一的遗传物质吗？？DNA——主要的遗传物质目前，已有充分的科学研究资料证明，绝大多数生物都是以DNA作为遗传物质的。RNA（核糖核酸）有些病毒（如烟草花叶病毒），它不含有DNA,只含有RNA。在这种情况下，RNA就起着遗传物质的作用。第十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日烟草花叶病毒拆分感染实验

1956年格勒（Girer）和施拉姆（Schramm）

烟草花叶病毒（TMV）是由RNA与蛋白质组成的管状微粒，它的中心是单螺旋的RNA，外部是蛋白质的外壳。感染烟草后，叶片出现花叶症状，生长处于不良状态，叶常呈畸形。

RNA接种到烟叶→发病

RNARNA酶处理RNA→不发病

TMV

蛋白质：接种后不形成新的TMV

不发病表明在不含DNA的TMV中，RNA就是遗传物质。第十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日烟草花叶病毒重组试验以上实例直接证明DNA是生物主要的遗传物质，而在缺少DNA的生物中，RNA则为遗传物质。佛兰科尔－康拉特与辛格尔(Frankel-Conrat,H.和Singer,B.)把TMV的RNA与另一个病毒品系车前草病毒(HR,Holmesribgrass)的蛋白质，重新混合形成一种杂种病毒，用它感染烟草叶片时，所产生的新病毒颗粒与提供RNA的品系完全一样，亦即亲本的RNA决定了后代的病毒类型。第十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日绝大多数生物都是以DNA作为遗传物质的，因此DNA是主要的遗传物质。某些病毒不含有DNA,只含有RNA，在这种情况下，RNA就起着遗传物质的作用。核酸是一切生物的遗传物质，核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。第十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日中心法则及其发展遗传信息DNAmRNA蛋白质DNA的复制RNA的反转录RNA的自我复制DNA指导的蛋白质合成第二十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第二节核酸的化学组成与分子结构核酸：以核苷酸为基本结构单位构成的多聚体，是一种高分子化合物。磷酸五碳糖环状的含氮碱基核苷酸脱氧核糖核糖腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T尿嘧啶U第二十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第二十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA:磷酸+脱氧核糖+碱基（A/T/C/G)RNA:磷酸+核糖+碱基（A/U/C/G)高等动植物：DNA存在于染色体，叶绿体、线粒体中

RNA在细胞核（核仁、染色体）、细胞质细菌：DNA和RNA。噬菌体：多数DNA，少数RNA。植物病毒：多数只有RNA。动物病毒：有些含RNA、有些含DNA。第二十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA右手双螺旋结构模型1953年Watson/Crick主要依据：碱基互补配对的规律

DNA分子的X射线衍射结果脱氧核糖和磷酸基通过3’，5’磷酸二酯键连接形成主链。主链以反向平行方式组成双螺旋。两条长链以互补碱基之间的氢键相连。碱基配对原则为：A=T、G=C3.双螺旋直径约20A，螺距为34A(10个碱基对)。第二十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日细胞采取的主要构象B-DNA：生理状态下，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋。A-DNA：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋。Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈12个碱基对，左手螺旋。第二十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日RNA的分子结构

mRNAtRNArRNASnRNAMiRNA

除tRNA外，不具有稳定的二级结构，无统一模式，由分子内部碱基互补配对形成。数百种。只有73-93个核苷酸组成，主要特点为含稀有核苷。3'端都为CCA，用以接受氨基酸，叫叶柄；5'端都为pG四臂四环反密码环：7个核苷酸D环（二氢尿嘧啶）TψC环(ψ为假尿嘧啶核苷酸)可变环：3-18个核苷酸tRNA二级结构：三叶草结构tRNA三级结构：倒L型tRNA第二十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日rRNA原核生物：5S/16S/23S

12015402900个核苷酸真核生物:5S/5.8S/18S/28S

12016019004700个核苷酸占细胞内总RNA的80％左右，由120-5000个核苷酸组成，但种类很少第二十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第三节核酸的复制以亲代DNA或RNA为模板，根据碱基配对的原则，在一系列酶的作用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。第二十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日1953年，Watson/Crick提出一、DNA的半保留复制以亲代DNA双链为模板，以碱基互补的方式合成子代DNA,这样形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式叫半保留复制。第二十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日1958年，Meselsen/Stahl证实E.coli稳定同位素15N、14N培养基CsCl梯度离心

表明：DNA在代谢上是稳定的，能保证亲代的遗传信息能稳定地传递给后代。第三十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日复制起点：AT富集区1.DNA复制的原点、方向与方式第三十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日方向：双向（真核生物，多数细菌、病毒）单向（噬菌体P2）原核生物：一个复制原点真核生物：多个复制原点第三十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA复制方式

从头起始即复制叉式复制在复制原点解开成两条单链，分别作为模板，合成互补链，出现复制叉。共价延伸先导链共价结合在一条亲本链上滚环式复制切断其中一条单链，5’端与蛋白质结合，3’端DNA聚合酶催化加核苷酸。3’端不断延长，5’端不断甩出。甩出单链到一定长度后，开始复制其互补链。第三十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA聚合酶共同点：原料：脱氧核苷酸三磷酸（dNTP）模板：DNA需要RNA引物：含3’-OH合成方向：5’-3’2.与DNA复制相关的酶和蛋白质第三十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日真核细胞：5种DNA聚合酶

α（定位于胞核，参与复制引发，不具5’－3’外切酶活性）β（定位于核内，参与修复，不具5’－3’外切酶活性）γ（定位于线粒体，参与线粒体复制，不具5’－3’，有3’－5’外切活性）δ（定位核，参与复制，具有3’－5’，不具5’－3’外切活性）ε（定位于核，参与损伤修复，具有3’－5’，不具5’－3’外切活性）原核细胞：(大肠杆菌为例)5种DNA聚合酶DNA聚合酶Ⅰ（1956年Kornberg）、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ（1999年），都与DNA链的延长有关。第三十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日大肠杆菌的3种DNA聚合酶DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ5’-3’聚合酶活性弱弱强3’-5’外切酶活性有有有5’-3’外切酶活性有（双链有效）无有（单链有效）亚基单体酶多亚基酶多亚基酶主要功能修复DNA损伤/复制时RNA引物切除及其缺口填补修复紫外线引起的DNA损伤DNA链的延长第三十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA聚合酶催化反应第三十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日其他酶和蛋白功能拓扑异构酶引入或松开超螺旋DNA解旋酶使双链DNA解链单链结合蛋白稳定单链区引物合成酶合成RNA引物DNA连接酶连接DNA双链中的单链切口第三十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日3.DNA的复制过程（大肠杆菌为例）⑴

DNA复制的起始①拓扑异构酶解开DNA超螺旋。②DnaA蛋白识别复制的起始位点（复制原点）。第三十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日③DNA解旋酶在ATP供能下，每分钟旋转3000次解开双螺旋。④单链结合蛋白结合在分开的单链上，避免产生单链内配对。⑤DNA拓扑异构酶解决由于复制叉推进产生的超螺旋问题。⑥引物合成酶合成RNA引物。第四十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日⑵DNA链的延长

在DNA聚合酶Ⅲ作用下，以四种脱氧核苷三磷酸(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)为底物，在RNA引物的3’端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出焦磷酸。

DNA聚合酶Ⅲ5’-3’聚合酶活性

前导链:连续合成

滞后链:分段合成

冈崎片段:在3′5′方向链上，仍按从5′

3′的方向一段段地合成的DNA单链小片段

(1000~2000bp)。第四十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA聚合酶Ⅰ：切除RNA引物（5’-3’外切酶活性）填补缺口（5’-3’聚合酶活性）连接酶：连接冈崎片段形成一条连续的单链。第四十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日⑶DNA复制的终止复制原点对面600kb终止区Ter序列（终止陷阱）:引起复制终止的序列。终止子利用物质Tus可识别并结合形成Ter–Tus复合物，阻止解旋酶的解旋，从而阻断复制第四十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日4.真核生物DNA复制的特点原核生物真核生物DNA合成的时期整个细胞生长过程细胞周期S期复制起点单个多个（自主复制序列ARS）RNA引物长度10-60bp10bp冈崎片段长度1000-2000bp100-150bp前导链与滞后链的合成聚合酶Ⅲ聚合酶δ控制前导链聚合酶α控制后随链复制速度100kb/min1-5kb/min端粒酶无有第四十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日端粒（Telomere）：真核细胞染色体末端的特殊结构，具有稳定染色体的功能,防止染色体DNA降解、末端融合。人端粒是由6个碱基重复序列(TTAGGG)和结合蛋白组成。端粒酶（Telomerase）：反转录酶，由蛋白质和RNA两部分组成核糖蛋白复合体，其中RNA是一段模板序列，指导合成端粒DNA的重复序列片段。第四十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日RNA病毒中RNA的复制方式：

RNA复制酶

反转录酶（1）含正链RNA(+)的病毒(例如，噬菌体Q)：(+)RNA充当mRNA，合成蛋白，以(+)RNA为模板，复制，合成(-)RNA，再以(-)RNA为模板合成(+)RNA组装成病毒颗粒。（2）含负链RNA(-)的病毒(例如狂犬病)：由(-)RNA合成(+)RNA，再由(+)RNA合成蛋白质、(-)RNA，组装成病毒。（3）含双链RNA的病毒(例如呼肠孤病毒)：以(-)RNA为模板合成(+)RNA，以(+)RNA为模板合成(-)RNA和蛋白，组装病毒颗粒。（

4）逆转录病毒(例如白血病毒)：由RNA反转录为DNA，以DNA为模板合成RNA，翻译蛋白质。

第四十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日PCR(PolymeraseChainReaction)

聚合酶链式反应

第四十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日第四节DNA的转录转录(transcription)是以DNA中的一条单链为模板，游离碱基为原料，在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。三种RNA分子：mRNA、tRNA、rRNA第四十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日DNA转录为RNADNA的自我复制原料NTP（核苷三磷酸）dNTP（脱氧核苷三磷酸）模板数目一条DNA双链引物引导不需要需要酶RNA聚合酶DNA聚合酶区域特定区域全部DNA校对活性缺乏有一、DNA转录的一般特点第四十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日二、原核生物DNA转录1.原核生物RNA聚合酶5种亚基α2ββ’ωσ两个α（与核心酶形成有关）β

（NTP结合位点）β′（DNA模板结合位点）ω

（DNA结合）σ（起始因子，识别模板上的信息链和启动子，一旦转录开始就被释放。）第五十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日2.原核生物DNA转录的步骤

起始----延伸----终止起始：RNA聚合酶正确识别DNA模板上的启动子并形成由酶、DNA和核苷三磷酸(NTP)构成的三元起始复合物。启动子(promoter)：是指DNA分子上被RNA聚合酶识别并结合形成起始转录复合物的区域，它还包括一些调节蛋白因子的结合位点。第五十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日启动区域：Pribonow盒-10区域（TATAAT序列）

Sextama盒-35区域（TTGACA)核苷三磷酸：一般为GTP,少数为ATP第一个核苷三磷酸与第二个核苷三磷酸缩合生成3′-5′磷酸二酯键后,启动阶段结束，进入延伸阶段。

第五十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日延伸：σ亚基脱离酶分子，留下的核心酶与DNA的结合变松，因而较容易继续往前移动。DNA双链顺次被打开,并接受新来的碱基配对，合成新的磷酸二酯键后，核心酶向前移去，已使用过的模板重新关闭起来，恢复原来的双链结构。原核RNA合成的速度：25～50nt/s第五十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日终止：包括停止延伸及释放RNA聚合酶和合成的RNA。在原核生物基因末端通常有一段终止序列即终止子，RNA合成就在这里终止。不依赖于终止因子ρ的终止体外实验中，只有核心酶和终止子就足以使转录终止。依赖于终止因子ρ的终止ρ因子存在时，核心酶终止转录两者有共同的结构特征（序列差异）第五十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期日不依赖于终止因子ρ的终止子形成一个发夹结构，可阻止转录的终止。茎（7~20bp，富含G/C）+环发夹结构末端：6~8个连续的U串依赖于ρ因子的终止子发夹结构中的G／C对含量较少，发夹结构末端没有固定特征，靠与ρ的共同作用而实现终止。第五十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期日三、真核生物DNA的转录及转录后RNA的加工

真核生物与原核生物DNA转录的区别真核生物原核生物转录翻译位置转录：细胞核翻译：细胞质核区一条mRNA编码一个基因编码多个基因RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ一种转录起始复杂简单转录因子协助需要不需要转录后加工需要不需要（边转录边翻译）第五十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期日真核生物RNA聚合酶Ⅱ启动子结构

TATA盒上游调控区：CAAT盒、

GC盒（-90附近，GGGCGG）远端调控区：增强子第五十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期日增强子:存在于基因组中的对基因表达有调控作用的DNA调控元件。位置不定，结合转录因子后，可增强基因表达。

第五十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期日真核生物的RNA聚合酶

RNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ、线粒体RNApol、叶绿体RNApol

种类分布合成的RNA类型对α-鹅膏蕈碱的敏感程度Ⅰ核仁45SrRNA前体（5.8S\18S\28S)不敏感Ⅱ核质hnRNA（核不均一RNA，

mRNA前体）、部分snRNAs敏感Ⅲ核质tRNA、部分snRNAs、5SrRNA存在物种特异性第五十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期日真核生物RNA聚合酶：8-14个亚基组成第六十页，共七十二页，编辑于2023年，星期日酵母RNA聚合酶Ⅱ的结构（12个亚基）第六十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期日真核生物转录的三种RNApol对启动子特异序列都没有识别能力，转录起始过程需要很多的辅助因子(转录因子)参与,并且按一定顺序与DNA形成复合物，协助RNApol定位于转录起始点。转录因子：能够结合在某基因上游特异核苷酸序列上的蛋白质，活化后从胞质转位至胞核，通过识别和结合基因启动子区的顺式作用元件,启动和调控基因表达。与RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相对应的有三类转录因子：TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ

第六十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期日与RNAPolⅡ联合的转录因子（6种）

第六十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期日真核生物mRNA前体的加工hnRNA是mRNA前体hnRNA：核内不均一RNA（hetero