第三章遗传物质的分子基础

第三章遗传物质的分子基础遗传学

遗传学诞生后，于二十世纪上半叶，建立了基因遗传的染色体理论，认为基因存在于染色体上。但并未对基因的化学本质作出回答，因而探索基因的物质基础成为当时遗传学研究的主题。第三章遗传物质的分子基础Page

3第一节

核酸是遗传物质一间接证据基因存在于染色体上。脱氧核糖核酸(DNA)

核酸核糖核酸(RNA)

组蛋白染色体

蛋白质非组蛋白

少量的拟脂与无机物质27%6%66%Page

4DNA通常只在核中的染色体上找到。线粒体和叶绿体也有自己的DNA，但有各自的连续性。同一种生物，不论年龄、组织，正常情况下，每个细胞核内的DNA含量恒定。精子或卵子中的DNA含量正好是体细胞的一半；而细胞内的RNA和蛋白质含量在不同细胞间变化很大。一间接证据Page

5DNA在代谢上稳定。

细胞内蛋白质和RNA分子与DNA分子不同，在迅速形成的同时，又不断分解。而原子一旦被DNA分子所摄取，则在细胞保持健全生长的情况下，保持稳定，不会离开DNA。可改变DNA结构的化学物质都可引起突变

不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长为260nm，这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。一间接证据Page

6第一节

核酸是遗传物质1、细菌的转化

肺炎双球菌两种类型：光滑型(S型)：被一层多糖类的荚膜所保护，具有毒性，在培养基上形成光滑的菌落，IS、IIS、IIIS粗糙型(R型)：没有荚膜和毒性，在培养基上形成粗糙的菌落，IR、IIR、IIIR二、直接证据Page

7首次将IIR→IIS，实现了细菌遗传性状的定向转化。被加热杀死的IIIS型肺炎链球菌必然含有某种促成这一转变的活性物质。（1）1928,Griffith肺炎链球菌转化试验（2）Avery1944肺炎链球菌体外转化试验SⅢ分离提取杀死细菌多糖脂类RNA蛋白质DNADNA+DNaseRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ+SⅢRⅡRⅡRⅡRⅡPage

9（3）噬菌体的侵染与繁殖

Hershey和Chase等用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质。Page

10（4）烟草花叶病毒的感染和重建

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

不发病说明在不含DNA的TMV中RNA才是遗传物质Page

11为了进一步论证上述的结论，Frankel-Conrat和Singer实验：*核酸的构成单元是核苷酸，是核苷酸的多聚体*每个核苷酸包括三部分：戊糖、碱基、磷酸第二节

核酸的分子结构Page

12Page

13构成核苷酸分子的碱基结构Page

14两种核酸的主要区别：DNA：脱氧核糖，A、C、G、T双链，分子链较长RNA：核糖，A、C、G、U单链，分子链较短糖苷键核苷酯键单核苷酸3’5’磷酸二酯键5´3´Page

151.DNA的分子结构Page

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DNA分子模型主要特点：两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，以一定的空间距离，环绕于同一轴相互盘旋而成;反向平行：5’－3’，3’－5’

两条单链间以碱基间氢键配对相连：

AT，CG每个螺旋3.4nm，含10bp，直径约为2nm分子表面大沟和小沟交替出现DNA构型变异：B－DNA：右手双螺旋构型,是DNA在生理状态下的构型（沃森和克里克模型）A－DNA：在较小湿度下存在，脱水构型，每个螺圈含11bp

Z－DNA:左旋，高阳离子浓度下存在，

每个螺圈含12bp。Page

17DNA分子结构所具有的生物学意义碱基序列存储大量遗传信息双螺旋碱基互补是其复制和修复的基础是现代分子生物学技术-分子杂交的基础Page

19碱基排列顺序的多样性

A-T和C-G两种核苷酸对分子链内排列的位置和方向只有四种形式:A--TC--GA--TG--CC--GA--TG--CA--T假设某一段DNA分子链有1000bp，则该段就可以有41000种不同的排列组合形式，反映出来的就是41000种不同性质的基因.2.DNA的复制（1）DNA复制的基本规律复制方向：只能5’-3’复制方式：半保留复制半不连续复制起点：大多数细菌只有一个复制起点，一个复制子；真核生物是多起点的，多个复制子Page

20Page

21半保留复制Meselson-Stahl实验（1958）；Taylor蚕豆染色体放射自显影实验（1958）；Carins大肠杆菌放射自显影实验（1963）。1953年最初模型由沃森和克里克提出，20世纪50年代，对半保留复制产生质疑，又提出全保留复制模型和分散模型，究竟何种复制方式急需证明：Meselson-Stahl实验（1958）：Page

22Taylor蚕豆染色体放射自显影实验（1958）Page

23T氚（3H）DNA乳胶紧紧覆盖玻片，氚裂解释放β离子使乳胶中银离子还原，乳胶还原显影，即可确定T的位置秋水仙素半不连续复制：Page

24真核生物染色体多起点DNA复制电镜照片Page

25Page

26滚环复制θ-型复制线粒体的D环复制（2）环状双链DNA复制方式Page

273、端粒复制端粒的结构与功能短的串联重复序列组成，Gn(A/T)m表示。一般形成环状结构，3’末端折回取代上游相同序列，形成t环结构，由端粒结合蛋白（TRF2）催化形成。复制由端粒酶催化合成第三节、基因与表达基因化学：DNA片段，含有编码氨基酸的序列一、基因的基本组成

物理：染色体线状排列、交叉互换、传递功能：控制生物体某个特异特征的表达Page

28基因基因（gene）是基因组中携带遗传信息的最基本的物理和功能单位，人类基因可分为：为蛋白质编码的基因及为RNA编码的基因两大类。Page

29（一）蛋白质编码的基因也称结构基因（structuralgene），大部分结构基因呈现出不连续性，即基因内部被不编码的插入序列所隔开，又称割裂基因（splitgene）。外显子-内含子结构ExonIntronGT-AGlawPage

30外显子与内含子编码序列称为外显子（exon），间隔的非编码序列称为内含子（intron）。内含子在转录后的加工中会被切除。Page

31外显子和内含子数目数目可变，对一个基因exon=intron+1不同基因差异较大Page

32外显子保守的，内含子变异的外显子和内含子的长度Page

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剪接位点外显子和内含子接头部位有一段高保守序列；内含子5’端：拼接供体位点，GT；内含子3’端：剪接受体，AG；GT-AG法则。Page

34基因家族基因家族（genefamily）是指一个基因经过重复和变异形成的一组来源相同、结构相似、功能相关的基因。

由一个基因产生多次拷贝，具有相同的基因序列，成簇的排列在一条染色体上，形成基因簇（geneclusrer）。Page

35一个多基因家族的不同成员成簇地分布在几条染色体上，成员间序列有所不同，编码一组关系密切的蛋白质。基因家族Page

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假基因（pseudogene）也称拟基因，是基因组中存在的一段与正常基因非常相似但不能表达的DNA序列，是人类基因中常见的一类基因（DNA序列），常用ψ表示。假基因Page

37（二）RNA编码的基因tRNA基因：tRNA通过其所含的反密码子在蛋白质合成中运输相应的氨基酸。线粒体和核基因组（NO:6、1chr)；rRNA基因：人类基因组含6种rRNA基因，均为核糖体大、小亚基的亚单位，都参与蛋白质的合成；snRNA基因：为剪接体的亚单位，负责内含子的剪切和外显子的拼接；siRNA、miRNA基因等：基因沉默或调解基因转录等功能。Page

38侧翼序列：每个基因5’和3’端两侧都有一段不转录的DNA序列，称为侧翼序列。对基因的转录表达起重要的调控作用。启动子：位于起始为点上游100-200bp，激活RNA聚合酶，特定位置起始RNA合成。

Ⅰ类启动子：富含GC，主要调控rRNA基因的编码，包括核心元件（-45至+20bp），上游调控元件（-156至-107bp）。（三）人类基因组调控元件Page

39CAATboxGCboxTATAboxExonIntronⅡ类启动子：主要调控蛋白质和小RNA基因TATA框：5’端上游-25至-30bp，TATAA(A/T)AA(A/T)，转录因子TFⅡ结合再与RNA聚合酶Ⅱ形成复合物，准确识别起始位点，启动转录因子。CAAT框：5’端上游-70至-80bp，GGC(A/T)CAATCT，能与转录因子CTF结合，提高转录效率。GC框:有些基因无TATA和CAAT，但富含G和C序列，由GGCGGG组成，能与转录Spl结合，促进转录。Page

40Ⅲ类启动子：包括A、B、C盒，能够调控5SrRNA、tRNA、U6snRNA等RNA分子的编码基因，位置独特，如tRNA基因启动子A、B、C三盒分别位于+10bp到+20bp以及+50bp到+60bp两个区域。Page

41增强子：可以增强真核基因启动子转录效率的顺式作用元件，特异性的与反式作用因子结合，在启动子和增强子之间形成DNA环，促进增强子的结合蛋白与启动子的结合蛋白相互作用，或者与RNA聚合酶相互作用，增强基因转录活性。沉默子：与增强子性质相似，但结合反式作用因子，对转录起遏制作用。终止子：多聚腺苷酸附加信号AATAAA和一段回文序列组成，转录后形成发夹结构遏制RNA聚合酶的活动，使基因沉默。隔离子：处于抑制状态与活化状态的染色质结构域之间，阻止不同状态染色质结构域向两侧扩散，保护基因免受临近凝缩染色质沉默效应的影响。Page

42逆转录DNARNA蛋白质复制转录翻译复制二、基因的表达

基因表达：DNA序列所携带的遗传信息，通过转录和翻译形成具有生物活性的蛋白质的过程。Page

43（一）转录

一个特定基因的DNA双链分子中只有一条链带有遗传信息，称为编码链（codingstrand），互补链称为反编码链（anticodingstrand）。转录（transcription）是指在RNA聚合酶的催化下，以DNA反编码连为模板，按照碱基互补配对原则（A=T,C-G），以4种NTPs(ATP、UTP、CTP、GTP)为原料合成RNA的过程。Page

44mRNA的加工：剪接：GU-AG法则

选择性剪接戴帽：m7G加尾：poly(A)Page

45mRNA的加工：翻译：

遗传信息由mRNA的碱基序列转变为多肽链的氨基酸的过程，称为翻译（translation）。翻译过程即细胞内蛋白质（多肽链）生物合成的过程。整个过程按进位、转肽、移位和脱落等步骤不断重复，直至终止密码子（UAA，UAG或UGA）。Page

46IF3IF2IF3-mRNA-30S三元复合物IF2-30S-mRNA-fMet-30S-mRNA-50S-fMet-tRNAf大亚基IF2GTPUACfMet大亚基小亚基IF3IF2IF3小亚基A位UACfMetGTPGDP+PiACUUAG3,AUGGCCUCUGGAACG5,CGG丙CGG丙肽基转移酶形成肽键fMetP位A位CGG丙3,AUGGCCUCUGGAACG5,EF-G易位酶G因子GTPGDP+PiP位A位fMetCGG丙ACUUAG3,AUGGCCUCUGGAACG5,AGA丝EF-TGTP氨酰基-tRNA进入A位肽键的形成移位(由A位转移至P位）P位A位ACUUAG3,AUGGCCUCUGGAACG5,AGA丝fMet丙P位A位UGA释放因子RF丝fMet丙甘苏RF30S50SCGGUAC肽链合成的终止与释放ACUUAG3,AUGGCCUCUGGAACG5,UACfMetCGG丙UGAIF3A位A位P位A位UGA丝fMet丙甘苏ACUUAG3,AUGGCCUCUGGAACG5,RFUACfMetCGG丙UGC苏丝fMet丙甘丝fMet丙甘苏多肽链的合成Page

47Page

48遗传密码子的简并性：

不同密码子编码同一氨基酸的特性称为遗传密码子的简并性。如亮氨酸和丝氨酸分别由6个密码子编码。mRNA密码子64个，细胞质tRNA反密码子30个，线粒体22个，摇摆假说，即第一和第二个碱基A-U和C-G，第三个发生摇摆可出现G-U。翻译后的修饰：

脱甲酰基、乙酰化、磷酸化、糖基化和链切割等。Page

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第3章遗传物质的分子基础

第四节中心法则及其发展

一.中心法则与遗传信息流classicalcentraldogma

二.中心法则的修正与发展

(一).fromRNAtoRNA:

RNAvirusanditsbeingdiscovered

poliomyelitisvirusViralRNApoliomyelitisvirus分离specialRNAreplicase病毒RNA与cRNA的双链病毒RNAcRNAproteinRNAforfilialvirus合成Newpolio-myelitisvirus组装翻译分离JohnFranklinEnders

(February10,1897～September8,1985)USAHarvardMedicalSchool;ResearchDivisionofInfectiousDiseases,Children'sMedicalCenter

Boston,MA,USAThomasHuckleWeller

(June15,1915～)USAResearchDivisionofInfectiousDiseases,Children'sMedicalCenter

Boston,MA,USAFrederickChapmanRobbins(August25,1916～August4,2003)USAWesternReserveUniversity

Cleveland,OH,USATheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1954tothem:

“fortheirdiscoveryoftheabilityofpoliomyelitisviruses