分子遗传学第三章 DNA的功能

第三章DNA的功能

第一节转录TranscriptionDNA一般存在于核内，蛋白质合成则在细胞质内，那么DNA是怎样控制蛋白质的合成呢？

一.RNA是中间体：实验证据用放射性RNA前体（如尿嘧啶）作标记实验表明，最先合成的放射性RNA是在细胞核中产生的；然后用非放射性RNA前体作跟踪实验，结果：放射性RNA又流向了细胞质，这提示，在DNA和蛋白质之间的遗传信息传递过程中，RNA是一中间物。用非放射性用放射性RNA前体标记

示踪后RNA出现于细胞质中

RNA前体示踪遗传信息的流向——中心法则□如用T2噬菌体感染大肠杆菌，最明显的变化是RNA的快速合成，而且发现RNA与T2噬菌体的DNA的核苷酸成份是非常相近的。证明RNA是由DNA合成而来的，然后进入细胞质，在细胞质的特定场所指导合成特定的蛋白质，因此遗传信息的流向包括三个步骤。DNA复制转录

核RNARNA

质转译蛋白质

转录

□以DNA为模板，按照碱基互补原则合成一条单链RNA，从而将DNA中的遗传信息转移到RNA中去的过程称转录（transcription），RNA合成以5’—3’方向进行。

转录

□不对称转录：转录仅发生在DNA的一条链上。分子杂交证明，某一基因的RNA只能与其DNA的一条链有杂交反应，即说明DNA上只有一条链可作为模板合成该基因的RNA。5’3’变性分开5’3’+标记的RNA

复性

5’5’5’3’3’3’3’5’模板链（或互补链）编码链

RNA在一定时间上是由DNA的一条链转录而来的，然而在整个染色体或生活周期的各个时期并不一定由同一条链转录。在一个包含有许多基因的DNA分子中，各个基因的有意义链并不总是同一条DNA单链。在原核生物中，所有类型的RNA转录都由同一种聚合酶完成；而在高等真核生物中，有三种不同的RNA聚合酶转录不同的RNA（核仁内的RNA聚合酶催化rRNA，核内有二种RNA聚合酶分别催化合成mRNA和tRNA）。

三、转录的起始（Initiation）

1．启动子（promoter）：是DNA转录起始信号的一段序列，它能指导全酶与模板正确地结合，并活化酶使之具有起始特异性转录形式。大肠杆菌启动子序列分三个部位：R位点：RNA聚合酶识别位点；B位点：结合部位；I位点：转录起始部位。

－10区－35区

pribnowbox

TGTTGACA…15－17bp－…TATAAT…5－8bp…起始点）+1——2．RNA聚合酶

E.coliRNA聚合酶500kd，由α、β、β’、ω、σ五种不同的亚基组成，全酶：α2ββ’ωσ。核心酶：α2ββ’ω；σ因子本身无催化功能，当它与核心酶结合时可使RNA聚合酶识别启动子序列，并能特异性地在这些部位上形成稳定的复合体。3．如何起始（Initiation），首先Sigma因子和核心酶结合成全酶，全酶与DNA上识别部位结合后移至转录起始部位，并使DNA双链打开，在全酶的催化下，使底物rNTPs结合于DNA分子的起始位上，并形成第一个磷酸二酯链。σ亚基的释放表示起始的终结。四、转录延伸（Elongation）RNA合成以5’→3’方向延伸，在此过程中，DNA、酶、RNA始终维持稳定的三元复合物。在延伸中OH总是新的末端。Theearlystagesoftranscriptioninprokaryotes,showing(a)thecomponentsoftheprocess;(b)templatebindingatthe–10siteinvolvingthesigmasubunitofRNApolymeraseandsubsequentinitationofRNAsynthesis;and(c)chainelongation,afterthesigmasubunithasdissociatedfromthetranscriptioncomplexandtheenzymemovesalongtheDNAtemplate.12-8五、转录的终止（Termination）RNA聚合物也能识别链的终止信号。

1．在某些情况下，识别作用是直接的。终止子（tenminator）：转录终止的信号，其作用是在DNA模板特异位置处终止RNA的合成。在终止处RNA聚合酶作用停止，新生RNA链释放，2．识别终止信号有时需要某些蛋白质因子（rho因子）的作用，rho因子与RNA聚合酶相互作用导致RNA链释放。终止子（terminator）：DNA序列上转录终止的信号，其作用是在DNA模板的特定位置处终止RNA的合成。DNA上终止子有两个明显特征：如下图（1）链内具有对称结构，能使转录物形成发卡式结构；（2）DNA上有一串A，转录形成的RNA3’端具有多个U，A－U配对不牢固，使RNA脱落。

UCCUGG·CA·U－25C·G

15－C·GG·CC·GC·G

5’UAAUCCCACAG

·

CAUUUU3’535第二节转译translation一、不同组分的RNA分子

E.coli中的RNA分子：

类型占细胞RNA% S 分子量 n.t.

rRNA80231.2×106

3700

160.55×1061700

53.6×1041700

tRNA1542.5×10475

mRNA 5异质性

核糖体ribosomes

是由核糖体蛋白和核糖体RNA（rRNA）组成的复合体。在电镜下，一个核糖体象一个墨滴。有关核糖体的精细的功能仍然是目前众多研究中的重要课题，rRNA分子如何与蛋白质相结合以及其功能目前仍然不清楚。Acomparisonofthecomponentsintheprokaryoticandeukaryoticribosome13-1

二、蛋白质合成作为化学反应的蛋白质合成，主要有以下几个过程：

合成酶1．aa1+tRNA1+GTP

aa1－tRNA1+GDP

装载型（charged）2．在核糖体上，装载型tRNA的能量转为连接aa的肽键能。

aa1-tRNA1+aa2-tRNA2

核糖体上肽基转移酶

aa1-aa2-tRNA2

+tRNA1（释放）较小的多肽

二、蛋白质合成

3．新的氨基酸通过肽键接到生长的链上：

aa3-tRNA3+aa1-aa2-tRNA2aa1-aa2-aa3-tRNA3

+tRNA2（释放）

较大的多肽4．上述过程继续进行直至aan（最后一个aa连接上),整个过程还需mRNA，核糖体，一些蛋白质因子，酶和无机离子。

三、蛋白质合成的特异性1.识别mRNA上编码特异性氨基酸的密码子是tRNA还是氨基酸?半胱氨酸--tRNA半丙氨酸—tRNA半

用杂合性的丙氨酸—tRNA半合成的蛋白在原先预期是半胱氨酸的位置上都是丙氨酸。结论：氨基酸在语言上有错误，识别密码子是由tRNA的特异性决定的。镍化氢2．反密码子（anticodon）：tRNA上能识别一个mRNA密码子的位置，这个位置上的碱基与密码子的碱基是互补的。3．tRNA的一般结构和功能区由于tRNA上反密码子环能识别mRNA相应的密码子，因此在遗传信息的转译中起十分重要的作用。4．tRNA来自何处？一个基因一条多肽的理论并不是完全正确的，有些基因编码蛋白，而另一些基因（如rRNA或tRNA基因）是编码并合成RNA作为终产物。

Holley’stwo-domensionalcloverleafmodeloftransferRNA.13-3Athree-dimensionalmodeloftransferRNA.13-4四、核糖体功能和蛋白质合成

1.转译组分

2.转译起始1.在起始因子的作用下,mRNA与小亚基结合2.在P位点上起始tRNA与mRNA的密码子相结合,起始因子IF3释放。3.大亚基结合到复合体上，起始因子IF1和IF2释放；延长因子与tRNA结合利于进入A位点Elongationofthegrowingpolypeptidechainduringtranslation.

3.延长Terminationoftheprocessoftranslation.

13-84.终止Polyribosomesvisualizedundertheelectronmicroscope.a.兔子网织红细胞血红蛋白mRNA的转译b.摇蚊巨唾液腺细胞中mRNA的转译□在原核生物中，转译并不等到mRNA合成完成之后开始，一部分mRNA合成后，核糖体能立即附着到mRNA上起动转译，而在真核生物中，转录与转译有时间和空间上的分开。第三节遗传密码TheGeneticCode

假如核苷酸对是密码中的字母，字母的不同组合会形成代表不同氨基酸的文字，要解决的问题是：1.密码是重叠还是非重叠的?2.由多少个字母组成一个文字?即密码子3.哪一种特定的密码子或哪几种密码子代表各自特定的氨基酸?

一、遗传密码的非重叠性(nonoverlapping)

1．1961年，用遗传分析证明，遗传密码是非重叠的实验证据：对TMV由亚硝酸诱发的突变的蛋白作分析表明，在某一蛋白质区段中一次只有一个氨基酸的变化。如果是重叠密码子，那么一个碱基的变化将会使蛋白质中邻近位置上多达三个氨基酸的变化。

ATT

GCT

CAG

CTTGAC

ATT

TTGTGCGCTCTCOverlappingcode

aa1

aa2aa3aa4aa512345

NucleicacidNonoverlappingcode

aa1aa2aa3aa4aa5AminoacidCodonCodonAminoacid

非重叠密码子和重叠密码子的区别

2．在某一特定蛋白质的转译中是以非重叠方式读码的，但并不排除用相应不同的读码框架（readingframes）来编码不同蛋白质的氨基酸的可能性。一种蛋白编码方式……ATT

GCT

CAG

CTTG……

另一种蛋白解读时移动一个碱基：

……ATTG

CTC

AGC

TTG……二、密码中字母的数目

理论上推测：至少三个核苷酸对组成一个密码子：43=64种

三、利用抑制基因证明密码三联体性质60年代初，Crick等用遗传学实验验证了密码子的三联体特征：1．原黄素能诱发T4的rII突变（不能在K上生长），其作用是在DNA链中造成单个核苷酸对的插入或缺失：

插A—TATCT

A

GTCTTAGA

T

CAGAATCTGTCTTAGACAGATAGACAA

缺C—G

ATCTGTT开始由原黄素诱导的突变体称FCO突变体，FCO再经黄原素处理会自发产生能在E.coliK（λ）上形成野生型噬菌斑的“回复突变体”（revertants）。对这些突变体作遗传分析发现，与真正的野生型不同，其回复突变的表型是由于在FCO的同一顺反子中不同位点上发生了第二个突变。这种第二个突变抑制了原先FCO突变的表达

突变抑制基因（Suppressormutation）：能反作用于或抑制另一突变的效应。（1）抑制基因与它被抑制的那个基因的位置不同；（2）可位于同一基因内，也可位于不同的基因内；（3）不同的抑制基因有不同的功能。

利用重组可以从原初的正向突变体分离到抑制基因突变体。奇怪的是，发现该抑制基因自身也是一种rII突变。

rII’(–FCO)rII’rII’’回复rII’rII’’++rII’rII’’和分离FCO和抑制基因Wildtype怎样解释上述结果？原黄素诱导的单个核苷酸对的插入或缺失会引起移码突变（frame-shiitmutation），从而引起大多数密码的错读，但是在某个地方由于插入和缺失的补偿作用，会恢复合适的读码，只在两个突变位点之间产生一小段错误的密码：（用三字母英文单词代表密码子）

THEFATCATATETHEBIGRAT

缺C：THEFAT

ATATETHEBIGRAT

插A：THEFAT

ATA

ATETHEBIGRAT插入恢复了信息中大多数密码的含义，从而抑制了缺失的效应大多数密码的错读大部分恢复合适的读码假定FCO突变是由于一个核苷酸对的插入，那么第二个突变即抑制基因突变就应该是一个缺失，因为只有这样才能恢复该基因的读码框。假定密码由三字母组成：野生型：CAT

CAT

CAT

CAT

CAT……

rII’插入A：CAT

ACA

TCA

TCA

TCAT……√××××不正确rII’rII’’缺失A：

CAT

ACA

TCT

CAT

CAT……√××√√正确结论在抑制性基因型中只有少数密码子错误，大部分可恢复原来野生型的密码子，从而产生近乎正常的酶。因此具有类似野生型表型。这与Crick发现的抑制基因突变体表型回恢的遗传事实相符。2．符号突变如果将FCO突变的插入定为“+”，那么抑制基因突变就可自动地定为“－”，一个突变与它的抑制因子的符号相反，实验证明：一个“+”不能抑制一个“+”，一个“－”也不能抑制一个“－”，相同符号的两个突变永远不会相互抑制。

Crick用巧妙的遗传学实验提供了三联体密码学说的第一个证据：*构成“+++”或“－－－”的三重突变组合共同作用可以恢复到野生型表型，这一发现说明：遗传密码的单词是由三个连续的核苷酸对组成的。恢复合适的读码进一步图解：

CAT

CAT

CAT

CAT

CAT

CAT

CAT……

CAT

ACA

TAT

CAT

CAT

CAT……正常√××√√√*结论：只有密码子是三联体才会使一个基因内的三个插入或三个缺失自动恢复正确读码,才可以恢复到野生型表型.Deletions

四、遗传密码的兼并性（degeneracy）一个氨基酸具有两个或多个不同的密码子称作密码的兼并性。如果只有20种三联密码有意义，其余44种为无意义，那么大多数移码突变将导致蛋白质合成的终止。小结有关密码的基本知识：（1） 密码是非重叠的。（2） 密码子是三联体。（3） 读码从一固定的起始点开始一直连续不断地读至编码序列的末端，移码突变会改变序列中其余密码子的排列。（4） 密码子是兼并的，一个氨基酸不只有一种密码子。第四节遗传密码的破译Crackingthecode

遗传密码的破译——确定每种三联体的含义，这是过去近四十年来遗传学中最重大的突破之一。一、破译密码的试验1．制备单一核苷酸的mRNA。Nurenberg（1961）用大肠杆