深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座

DNA密码深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第1页一个基因一个酶理论1902年，伽罗德研究黑尿病，有些人认为是细菌引发，但一些新生儿出生几小时后即表现此病，而此时细菌系还未建立，所以排除。此病是一个遗传缺点，经过家谱研究，发觉有遗传倾向，其中多数是表兄妹结婚。这种性状是由隐性孟德尔因子（基因）控制。只有当基因纯合时，才能表现出黑尿病症状。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第2页1908年，深入指出，这种隐性基因纯合个体不能产生一个特殊蛋白质即酶（尿黑酸氧化酶），所以尿黑酸不能分解，尿中积累，遇空气被氧化成黑色——“先天性代谢错误”。

伽罗德关于基因功效研究大大超前于他所处时代，所以当初没有引发太多注意。直到20世纪40年代初，因为比德尔等人工作，人们才对基因生理功效有了突破性认识。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第3页比德尔一个基因一个酶理论

1935年，摩尔根试验室博士后比德尔与访问学者伊佛路斯对果蝇眼色性状遗传机理进行研究。

基因怎样决定色素？深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第4页

他俩采取移植技术，把突变型果蝇幼虫眼睛成功移植到正常果蝇幼虫中，发觉果蝇都有正常褐红色。疑问：突变型果蝇基因未变，为何眼褐红色？深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第5页比德尔结论：正常细胞含某种化学物质（色素）

，突变体缺乏，移植后，突变体得到了这种物质，所以表型正常。推测：基因造成一个化学物质产生，该物质又决定基因所表示性状。基因作用与特定化学物质产生相关。

深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第6页（三）“一个基因一个酶”假说

1941年比德尔和塔特姆等提出。红色面包霉各种突变体代谢功效异常往往是因为一个酶缺点，产生这种酶缺点原因是单个基因突变，提出了“一个基因一个酶”学说。说明基因是经过控制酶合成决定代谢过程和性状发育。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第7页红色面包霉营养缺点型突变体筛选深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第8页

比德尔开辟了一个崭新思绪——性状表示方式都可归纳为某种生化性质表示，为遗传学与生物化学结合构筑了桥梁。也揭开了人类认识基因功效序幕。

深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第9页基因与蛋白质关系

蛋白质结构都由基因编码，基因里必须包含什么样信息才能决定一个特定多肽或蛋白质结构呢？

深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第10页11遗传密码是20世纪60年代说明。盖莫夫最先对这个问题进行了挑战。他以著有《奇异王国汤姆金斯》等优异科学读物而著称。因为他不是试验生物学家，所以，他专门从理论上尝试密码解读。他构想假如每种碱基与一个氨基酸相对应，那么只能产生4种氨基酸。实际上，氨基酸有20种，不可能一个字母（碱基）与一个氨基酸相对应。那么，2个碱基与1种氨基酸对应又怎样呢?4×4=16，只能产生16种氨基酸，还不够数。所以，盖奠夫认为3个碱基与一个氨基酸相对应就好了，也就是说，4×4×4=64，产生64种氨基酸。遗传密码发觉深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第11页即使64这个数字比20（种氨基酸）大两倍以上，但以后研究证实这一提议是正确。以后查明，遗传信息主要特征之一，就是连续3个碱基与1种氨基酸相对应。这种连续3个碱基称为三联体。伽莫夫推理直到这一步还是正确，但他也犯了错误。问题出在三联体中每个碱基作为信息只读一次还是重复读屡次。可能考虑到效率问题，盖莫夫认定一个碱基可能被重复读屡次。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第12页DNA密码是不是三联体、阅读方式是哪种、有没有分隔符？1961年，克里克和布伦纳利用化学诱变剂来删除或插入DNA碱基对，发觉相关碱基序列中增加或删除1个碱基，无法产生正常蛋白质，增加或删除2个碱基，也无法产生正常蛋白质。但增加或删除3个碱基，却能够产生正常蛋白质。这是为何？深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第13页JIMATETHEFATCATJIMAETHEFATCATJIMATETHEFATCATJIMATHEFATCATJIMATETHEFATCATJIMTHEFATCATJIMATE

THEFATCATJIMAHEFATCAT深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第14页深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第15页无细胞系统尼伦伯格在1961年前开创了蛋白质无细胞合成。这方法对了解mRNA怎样翻译为功效性蛋白质，作出了主要贡献。蛋白质无细胞表示系统（去掉了DNA、RNA）蛋白质生物合成机器是核糖体，假如存在有tRNA，以及必要酶和各种因子，只要提供外援RNA模版、氨基酸和能量，无需其它细胞组分（包含细胞核），蛋白质也能顺利地合成。也就是说，转录和翻译是能够彼此独立，不需偶合。而在各种细胞裂解液中几乎都含有蛋白质生物合成所需核糖体以及各种酶和因子。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第16页尼伦伯格首先把多（聚）尿苷酸[许多含U核苷酸组成多（聚）核苷酸，称为Po1y（U）]作为密码加入体系之中，结果合成了只由一个叫做苯丙氨酸氨基酸连接起来多（聚）苯丙氨酸。由此可见，对应于遗传密码UUU氨基酸是苯丙氨酸。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第17页核糖体结合技术保温

硝酸纤维滤膜过滤分析留在滤膜上核糖体-AA-tRNA

确定与核糖体结合AA特定三核苷酸为模板+核糖体

+20种AA-tRNA深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第18页1966年科学家霍拉纳创造了一个新RNA合成方法，经过这种方法合成RNA能够是2个、3个或4个碱基为单位重复序列，比如:将A、C两种核苷酸缩合为ACACACACAC……长链，以它作人工信使进行蛋白质合成，结果发觉产物是苏氨酸和组氨酸多聚体，说明苏氨酸密码子可能是ACA，也可能是CAC；一样，组氨酸密码子可能是CAC，也可能是ACA。另一组试验，以（CAA）n为人工mRNA，蛋白质合成产物为谷氨酰胺、天冬酰胺和苏氨酸多聚体。三者密码子都可能是CAA、AAC、ACA。两组试验进行比较，能够发觉ACA是苏氨酸密码子，CAC必定就是组氨酸密码子。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第19页遗传密码字典深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第20页遗传密码性质简并性指一个氨基酸含有两个或两个以上密码子。密码子第三位碱基改变往往不影响氨基酸翻译。摆动性

mRNA上密码子与转移RNA（tRNA）上反密码子配对识别时，大多数情况恪守碱基互补配对标准，但也可出现不严格配对，尤其是密码子第三位碱基与反密码子第一位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。

通用性

蛋白质生物合成整套密码，从原核生物到人类都通用。但已发觉少数例外，如动物细胞线粒体、植物细胞叶绿体。

深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第21页乳糖操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表示调控学说。由法国巴斯德研究所著名科学家Jacob和Monod在试验基础上于1961年首先提出。乳糖操纵子深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第22页β-半乳糖苷酶催化水解和异构化反应深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第23页乳糖对乳糖代谢酶诱导假如供大肠杆菌生长培养基中没有乳糖，那么细胞内参加乳糖分解代谢三种酶，即β-半乳糖苷酶、乳糖透过酶和巯基半乳糖苷转乙酰酶极少，如每个细胞β-半乳糖苷酶平均含量只有0.5个~5个。可是一旦在培养基中加入乳糖或一些乳糖类似物，则在几分钟内，每个细胞中β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5000个，有时甚至可占细菌可溶性蛋白5％~10％。与此同时，其它两种酶分子数也快速提升。由此可见，新合成β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被称为诱导物。葡萄糖效应和乳糖诱导深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第24页大肠杆菌乳糖操纵子结构1个调整基因（lacI）——位于Plac附近，有其本身开启子和终止子，转录方向和结构基因转录方向相反，呈低水平组成型表示，编码阻遏蛋白1个操纵基因（lacO）——位于Plac和lacZ基因之间，为阻遏蛋白结合位点1个开启子（Plac）3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码β-半乳糖苷酶，催化极少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半乳糖透过酶，其功效是使环境中β-半乳糖苷能透过细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基酶。转录时，RNA聚合酶首先与Plac结合，经过lacO向右，按lacZ→lacY→lacA方向进行转录，每次转录出来一条mRNA上都带有这3个基因。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第25页乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点结构特征及其作用深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第26页乳糖操纵子正调控葡萄糖效应——在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环境中葡萄糖，即使有诱导物乳糖存在，乳糖操纵子也处于被抑制状态，直到葡萄糖被消耗完后才能解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说明乳糖存在仅仅是乳糖操纵子开放必要条件，但还不是充要条件。同时有乳糖和葡萄糖情况下，乳糖操纵子也不能正常开放原因是乳糖操纵子开放还需要一个称为cAMP受体蛋白（CRP）激活蛋白正调控。只有在负调控不起作用、正调控起作用条件下，乳糖操纵子才能开放。CAP正调控作用深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第27页乳糖操纵子操纵基因和CAP-cAMP结合位点序列深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第28页CAP-cAMP在CAP位点上与RNApol相互作用

深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第29页CAP-cAMP与其结合位点结合以后造成DNA发生弯曲深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第30页为何乳糖操纵子既要受到负调控，又要受到正调控？一是使细胞能够优先利用葡萄糖，而优先利用葡萄糖对细胞来说是有益，因为参加葡萄糖分解基因均是管家基因，这么葡萄糖能够快速地被分解，为细胞提供能量；二是lac开启子序列是一个弱开启子，而CAP-cAMP激活就填补了其开启子活性“先天不足”。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第31页发觉乳糖操纵子意义使得人们对DNA和蛋白质之间关系了解愈加全方面。首先，DNA决定着蛋白质，它碱基序列决定蛋白质氨基酸序列；另外，蛋白质也对DNA起着反作用，它能够经过和DNA结合，直接和DNA发生交互作用，进而控制基因活动。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第32页1968年FrancisCrick在他论文“基因密码起源”一文中提到“可能第一个酶是含有复制能力RNA”时，没有些人给予注意。20年后，在1987年第52届冷泉港定量生物学国际讨论会上AlanWeiner做会议总结时又重复了20年前FrancisCrick话，会议注意力已集中到最近发觉含有酶活性RNA分子上。核酶发觉深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第33页

1981年，Cech发觉四膜虫rRNA前体在没有蛋白质情况下能专一地催化寡聚核苷酸底物切割与连接，含有分子内催化活性。

深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第34页1983年，Altman等发觉大肠杆菌RNaseP蛋白质部分除去后，在体外高浓度Mg2+存在下，与留下RNA部分（M1RNA）含有与全酶相同催化活性。

1986年，Cech又证实rRNA前体内含子能催化分子间反应。深圳大学理科选修遗传学发现DNA密码专家讲座第35页核酶发觉对于全部酶都是蛋白质传统观念提出了