遗传学第二章++遗传物质的分子基础.ppt

1、遗传学第二章+遗传物质的分子基础,第一节 DNA是主要的遗传物质,一、DNA作为主要遗传物质的间接证据,1DNA分布在染色体内，是染色体的主要成分，而染色体是直接与遗传有关的。 2细胞核内DNA的含量十分稳定，而且与染色体的数目存在着平行关系：在同一种生物的细胞中，体细胞中DNA的含量是生殖细胞中DNA含量的2倍；体细胞中染色体的数量也正好是生殖细胞的2倍。 3DNA在代谢中较稳定，不受生物体的营养条件、年龄等因素的影响。 4作用于DNA的一些物理和化学因素，如紫外线、X射线等都可以引起生物体遗传特性的改变。,二、DNA作为主要遗传物质的直接证据,图 2-1 肺炎双球菌转化实验(Griffit

2、h, 1928),阿委瑞（Avery ,1944）: 将SIII型细菌的DNA提取物与RII型细菌混合在一起，在离体培养条件下，也成功地使少数RII型细菌定向转化为SIII型细菌。 提取物不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酸酶（RNase）的影响，而只能为DNA酶所破坏。确认导致转化的物质是DNA。,图 2-2 赫尔歇等(1952)证明DNA是T2噬菌体的遗传物质,图 2-3 病毒重组实验证明RNA是TMV的遗传物质 (1956年弗兰克尔-康拉特与辛格尔),三、无DNA生物中，RNA是遗传物质及其证据,第二节 DNA和RNA的化学结构与功能,一、DNA与RNA 脱氧核糖核酸（DNA） 核酸 核糖核酸（

3、RNA）,图2-4构成苷核酸分子的碱基和核糖结构,DNA与RNA的区别 DNA RNA 五碳糖 脱氧核糖 核糖 碱基组成 腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G) A 、 G 胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T) C、尿嘧啶(U) 链的特点 较长（双链） 较短（单链） 分布 主要分布在细胞核的 核、质中都有 染色体上，细胞质中的 核中主要分布于 线粒体、叶绿体上有少量 核仁上，多数植物 分布，多数噬菌体只有 病毒只有RNA， DNA 动物病毒有些含 RNA，有些含DNA,1950年，查尔格佛（E.Chargaff）提出碱基互补规则 嘌呤碱基与嘧啶碱基的含量相等，即腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）的数目相等，鸟嘌呤（G）

4、和胞嘧啶（C）的数目相等。A+G=T+C A与T之间、G与C之间存在配对关系。 -查尔格佛法则,二、DNA的化学结构,DNA的X射线衍射图,1953年， 美国生物学家沃森（Watson J .D.)和英国物理学家克里克(Crick F.H.C.)，根据碱基互补规律和对DNA分子的X射线衍射研究结果，成功地提出了DNA分子双螺旋结构模型。 由两条互补的细长核苷酸链，彼此以一定的空间距离，在同一轴上互相盘旋起来。,DNA分子的双螺旋结构模型,脱氧核糖和磷酸基团通过3，5磷酸二脂键连接形成螺旋链的骨架。两条主链的走向为反向平行，即一条链磷酸二脂键为5-3方向，另一条链为3-5方向，两条链围绕一个中心

5、轴相互环绕，组成双螺旋（图2-7a）。两条链均为右手螺旋，磷酸与核糖主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内侧。,DNA双螺旋结构特征：,两条核苷酸链彼此依靠碱基之间的氢键（Hydrogen bond）相连，相互层叠宛如一级一级的梯子横档（图2-7b）。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，G与C之间形成三对氢键（图2-7c）。 上下碱基对之间的距离为0.34nm，每条链绕轴一周的距离为3.4nm，刚好含有10bp。双螺旋的平均直径为2nm。 在双螺旋分子的表面，大沟（major groove）和小沟（minor groove）交替出现。,发现DNA双螺旋结构的意义,解释了DNA的一切理化性质 结构与

6、功能联系起来，极大地推动了分子遗传学的发展 标志着生物科学的发展进入了分子生物学阶段。,二、RNA的化学结构,图2-8 一个RNA分子图式,一、DNA复制的一般特点 （一）半保留复制 沃森（Watson J .D.) 根据双螺旋结构模型提出了DNA半保留复制的过程。 意义：保持生物遗传的稳定性 缺点：DNA聚合酶只能从5到3的方向发挥作用，于是只有一条链能从5 3合成新链。,第三节 DNA的复制,图2-9DNA双螺旋的复制,（二）复制的起点和复制的方向,原核生物的复制是在DNA分子的特定位点开始的，这一位点被叫做复制起点（replication origin, 常用ori表示）。 复制子是指在

7、某个复制起始点控制下合成的一段DNA序列 . 原核生物染色体只有一个复制单位或称复制子 .,图2-10原核生物的复制子,真核生物每条染色体上具有多个复制子,图2-11 真核生物多复制位点电镜图,绝大多数生物体内DNA的复制都以双向等速方式进行。在电子显微镜下观察正在复制的DNA，复制的区域形如一只眼睛，因此称为复制眼 .,图2-12DNA复制叉示意图,正在复制的地方犹如一个叉子，称为复制叉.,生物体是通过DNA聚合酶I（DNA polymerase I）采取两种方式来提高碱基互补选择的专一性。 第一，通过专一性识别使即将加入的碱基与模板上的碱基严格互补来控制合成前的错误； 第二，当发现存在错配

8、时，切除新加入的错配碱基，这种方式叫校对控制（proofreading control）。 二种方式可单独起作用，也可共同起作用，最大限度地降低DNA复制过程中发生错误的概率。,（三）DNA复制的忠实性,二、原核生物DNA复制,（一）有关DNA合成的酶 DNA聚合酶（DNA polymerase）、连接酶（ligase）、解旋酶（helicase）、拓扑异构酶（topoisomerase）等。,表 大肠杆菌三种DNA聚合酶的比较,DNA复制有关的聚合酶：DNA聚合酶I、 II和 III,三种酶在DNA复制中共同的特性,都只有5-3聚合酶的功能，而没有3-5聚合酶功能，说明DNA链的延伸只能从5

9、向3端进行。 都没有直接起始合成DNA的能力，只有在引物存在下才能进行链的延伸，因此DNA的合成必须具有引物引导。 都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中发生的错误进行校正，保证DNA复制的高度准确性。,DNA连接酶,在DNA复制过程中催化链的两个末端之间形成共价连接的酶 。 DNA连接酶能在ATP或NAD作为能源的基础上，催化双链DNA切口处的5-磷酸基和3羟基生成磷酸二脂键，使DNA成为一条完整的分子。,DNA 解螺旋酶,催化DNA两条互补链分开形成单链DNA（即解旋 ）的酶。 它打断互补碱基配对的氢键并结合、水解ATP，以大约5001000bp/秒的速率沿DNA链解旋DNA双螺旋。,DNA

10、拓扑异构酶,消除复制过程中DNA双螺旋的解旋使复制叉前面获得巨大张力的酶。 含两个亚基的酶，可将DNA双链切开一个口子，使一条链旋转一周，然后再将其共价连接，从而消除其张力。 DNA拓扑异构酶主要有两类：DNA拓扑异构酶I，只对双链DNA中的一条链进行切割，产生切口（nick），每次切割只能去除一个超螺旋，此过程不需要能量；DNA拓扑异构酶II，可以对DNA双链的二条链同时进行切割，每次切割可以去除二个超螺旋，需要ATP提供能量。,（二）DNA复制过程,DNA的复制包括起始、延伸、终止三个步骤。 1. DNA复制的起始,（1）专一识别复制起点序列的蛋白结合在复制起点上，促使其临近的DNA发生扭

11、曲，从而让DNA解旋酶和其他有关的因子进入；,（2）DNA双链在解旋酶作用下解螺旋； （3）DNA双链解开后，单链DNA结合蛋白（single-strand DNA-banding protein，SSB protein）马上结合在分开的单链上，保持其伸展状态（图2-13），否则分开的双链互补碱基间又可重新配对，或者在同一链上的互补碱基间配对形成发夹结构。,（4）一种RNA聚合酶（RNA polymerase），也称为引物酶（primase），以解旋的单链DNA 为模板，根据碱基配对原则，合成一段不超过12个核苷酸的RNA引物，提供3端自由的羟基（OH）。,2. DNA复制的延伸,2-14DN

12、A合成模型,DNA聚合酶III把新生链的第一个核苷酸加到RNA引物的3羟基上，按照碱基互补配对原则，开始新生链的延伸合成过程。,2-14DNA合成模型,一般把从5-3方向延伸的链称为前导链。它是连续合成的。而另一条链先沿5-3方向合成一些片段，也叫冈崎片段（Okazaki fragment），然后由DNA连接酶连接起来，成为一条完整的链，这条链称为后随链，其合成是不连续的。,3. DNA 复制的终止,一般都具有终止区域，含有多个位点，可结合终止蛋白，从而使复制在终止区域不能离开。DNA到达终止区域后，DNA聚合酶I利用其有5-3端核酸外切酶的功能，将引物RNA切除，同时利用其5-3聚合酶的功能

13、，以对应的DNA链为模板，合成DNA，置换切除RNA引物链区域，最后由DNA连接酶连接起来，形成一条完整的新链。,三、真核生物DNA的合成的特点,（1）DNA复制发生在细胞周期的特定时期。真核生物的DNA复制只在细胞周期的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可以进行DNA复制或合成。,（2）真核生物的DNA聚合酶多。有DNA聚合酶、和等5种。 聚合酶位于线粒体，其他位于核中。 对DNA合成起作用的主要是聚合酶和，而聚合酶、可能与DNA的修复等功能有关。 聚合酶 控制前导链的合成，聚合酶则控制不连续的后随链的合成。 真核生物中DNA聚合酶在细胞内的拷贝数量众多。如真核生物的每个细胞内聚合

14、酶可以达到50000多个拷贝，而大肠杆菌的聚合酶III只有1020个拷贝。,（3）原核生物DNA复制速度约为50个核苷酸秒，复制是单起点的，而真核生物的复制的速度仅为原核生物的110，复制为多起点的，无终止位点或区域。真核生物的一条染色体上的DNA含量远大于原核生物整个细胞DNA的含量，而且真核生物的DNA聚合酶活性比原核生物DNA聚合酶活性低，因此要在比较短的时间内完成DNA的合成，必须有多个复制起点。真核生物中前导链的合成不像原核生物那样是连续的，而是以半连续的方式，由一个复制起点控制一个复制子的合成直到另一个复制子的起点为止，最后由连接酶将其连接成一条完整的新链。,（4）真核生物DNA复

15、制中合成的冈崎片段比原核生物的短。原核生物中，后随链上合成的冈崎片段长度为10002000个核苷酸，而真核生物中的冈崎片段长度约为原核生物的十分之一，只有100150个核苷酸。,（5） 核小体的复制 真核生物细胞的DNA同各种组蛋白复合组成染色体。染色体上的DNA是半保留复制的，而组蛋白八聚体则以全保留的方式传递给子代分子，即亲本的组蛋白八聚体在复制过程中并不解离，而新组蛋白的8个亚基则完全重新合成。而且在DNA复制过程中亲代八聚体仍与亲本链保持一定的结合，并不完全从亲本链上脱落下来，从而导致复制后所有的亲代八聚体都分布在一条子链上，而新的八聚体分布在另一条子链上。,（6）真核生物染色体端粒的

16、复制。真核生物染色体为线状，存在端粒，保持线状染色体的稳定性。真核生物的新链DNA合成完毕后，RNA引物被切除，就没有3端的自由羟基为DNA合成引物，5末端的DNA就无法自动合成形成端粒。端粒的合成是在一种特殊聚合酶端粒酶（telomerase）作用下完成的。端粒酶是一种核糖核蛋白，含有RNA分子。在RNA上存在复制端粒亚单位所需要的关键核苷酸模板，从而合成端粒或保持端粒的长度。,3名美国科学家因为“解释了端粒如何保护染色体的末端以及端粒酶如何合成端粒” 获得2009年度诺贝尔生理学或医学奖,卡萝尔格雷德,伊丽莎白布莱克本,杰克绍斯塔克,四、RNA的复制,在RNA聚合酶作用下，先以自己的RNA

17、作为模板合成一条互补的单链,单链噬菌体RNA合成示意图,第四节 RNA的转录与加工,一、三种RNA分子 1、mRNA 功能：把DNA上的遗传信息准确无误地转 录下来。 穿过核膜，将携带的遗传信息在核 糖体上翻译成蛋白质。,模板链(template strand)：可作为模板转录为RNA的那条链，该链与转录的RNA碱基互补（A-U, G-C）。在转录过程中，RNA聚合酶与模板链结合，并沿着模板链的35方向移动，按照53方向催化RNA的合成。 编码链（coding strand）：双链DNA中，不能进行转录的那条DNA链,该链的核苷酸序列与转录生成的RNA的序列一致（在RNA中是以U取代了DNA中

18、的T）。,(2) tRNA,功能：蛋白质合成原料的运载者，根据mRNA的遗传密码，依次准确地将携带的氨基酸连成多肽。,图 tRNA的三维结构,图2-15tRNA的三叶草构型,5端具有G(大部分)或C。 3端都以ACC的顺序终结。 有一个富有鸟嘌呤的环。 有一个反密码子环，在其顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子，该密码子可与mRNA链上同自己互补的密码子配对。 有一个胸腺嘧啶环。,共同特征：,3,5,（3）rRNA,rRNA与核糖体蛋白质结合在一起，形成核糖体蛋白质合成的中心。 在大肠杆菌中，rRNA占细胞总RNA量的7585%，而tRNA占15%左右，mRNA仅占35%。,原核生物的核糖体所含

19、的rRNA有5S、16S和23S三种。5S含有120个核苷酸，16S含有1540个核苷酸，而23S则含有2900个核苷酸。 真核生物的核糖体比原核生物复杂，含有5S、5.8S、18S和28S等4种rRNA和约80种蛋白质，4种rRNA具有的核苷酸数分别为120、160、1900和4700个。,其它RNA,小核RNA（snRNA）：存在于真核细胞的细胞核内，为小分子核糖核酸，长度为106-189个核苷酸。作用：参与hnRNA 的剪接和转运。（hnRNA：核内不均一RNA，是成熟mRNA的前体。）,反义RNA：反义RNA (antisense RNA)是指mRNA互补的RNA分子。这种反义RNA能

20、与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工与翻译，是原核细胞中基因表达的调控的一种方式。,二、RNA合成的一般特点,1、 所用的原料为核苷三磷酸，而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸； 2、 RNA链的合成不需要引物，而DNA合成一定要引物的引导；,3、只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时两条链分别用作模板； 用作模板进行RNA转录的DNA链称作为模板链(template strand)；而另一条则称为非模板链(nontemplate strand).也叫编码链。 4、相对于DNA复制而言，RNA合成的速度比DNA慢得多，一般每秒只有40个核苷酸左右，而DNA复制时每秒可达上

21、千个核苷酸。,启动子：RNA的转录起始于RNA聚合酶与特定的启动部位的结合，该启动部位称为启动子（promotor），转录起始的第一个碱基称为启动点，在RNA聚合酶的作用下合成RNA，至终止子（terminator）结束。 转录单位：由启动子到终止子的序列称为转录单位（transcription unit）。在细菌等原核生物中一个转录单位通常含有多个基因，而在真核生物中大多只含有一个基因。,三、原核生物RNA合成,转录起始点前面的序列称为上游（upstream），后面的序列称为下游（downstream）。因为RNA的转录总是从53端进行，所以上游指RNA分子的5端，下游为其 3端。起始点为+

22、1，上游的第一个核苷酸为-1，依此类推。,1、RNA聚合酶,一个多蛋白亚基组成的复合酶。其分子量约为480000，含有、和等4种不同功能的多肽，其中为两个分子，因而其全酶（是指酶蛋白及其辅酶构成的有功能的复合物）的组成是2 。,亚基与全酶结合疏松，容易脱落，把脱落后的部分称为核心酶（core enzyme)。 亚基与RNA聚合酶的四聚体核心(2)形成有关； 亚基具有核苷三磷酸结合的位点； 亚基含有与DNA模板结合的位点； 亚基有多种不同的类型，它们参与全酶的组装和识别不同的启动子，与链的延伸没有关系，一旦转录开始，将脱落下来，而链的延伸由核心酶催化。,亚单位 分子量 亚单位数目 功 能 365

23、12 2 决定哪些基因被转录 150618 1 与转录全过程有关 155613 1 结合DNA模板 702632 1 辨认起始点,大肠杆菌RNA聚合酶,2、启动子,典型的原核启动子有四大要素 ：转录起始位点，-10区，-35区和-10区与-35区之间的间隔。 原核基因转录起始位点通常是嘌呤，其序列为CAT（A为起始位点）。 -10区是一个6碱基保守序列TATAAT，有助于DNA的解链。 -35区是另一个6碱基保守序列TTGACA,启动子是一段特定的直接与RNA聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的DNA序列。,3、终止子,在RNA转录过程中，提供转录终止信号的序列称为终止子 .,一类

24、为内在终止子，只要核心酶与终止子结合就足以使转录终止，不依赖其他辅助因子，为强终止子； 另一类终止子必须在因子（factor）的存在下核心酶才能终止转录，因此称为依赖因子的终止子.,发夹结构与发夹结构末端紧跟着连续的U串 .,共同的序列特征:即在转录终止点之前有一段回文结构,因而所产生的mRNA可形成茎环状的发夹结构,在回文序列的下游的寡聚U,是使RNA聚合酶脱离模板的信号.,（四）RNA的合成,第一步：RNA转录的起始。 RNA聚合酶在因子的作用下结合于DNA的启动子部位，并在RNA聚合酶的催化下使DNA双链解开，形成转录泡（图2-16），为RNA 合成提供模板，并按照碱基配对原则，结合核苷

25、酸，然后在核苷酸之间形成磷酸二酯键，使其连接，形成RNA新链。,图2-16RNA合成形成的转录泡,第二步：RNA链的延伸 。因子在RNA链伸长到9个核苷酸后就被释放（图2-17），然后由核心酶催化链的延伸。核心酶不仅能够解开DNA双链，而且还会使分开的DNA双链重新闭合。因此随着RNA链的延伸，RNA聚合酶使DNA双链不断解开和重新闭合，转录泡也不断前移合成新的RNA分子。,图2-19因子结合与释放示意图,第三步：RNA链的终止及释放。当RNA链延伸遇到终止信号时，转录复合体就发生解体，新合成的RNA链释放出来。,图2-19因子结合与释放示意图,四、真核生物RNA的转录及加工,1、真核生物RN

26、A的转录在细胞核内。RNA其存在的时间就比原核生物的长，可达数小时。 2、真核生物一个mRNA分子一般只编码一个基因。 3、真核生物RNA聚合酶较多但都不能独立转录RNA。 RNA聚合酶I、II、III等三种，每一种都含有10种以上的亚基。它们都不能直接结合到启动子上，而必须要有另外的启动蛋白结合在启动子上后，才能结合上去启动转录。每一种聚合酶转录不同的RNA。,（一）真核生物RNA转录的特点,真核生物的RNA聚合酶,4、真核生物的启动子比原核生物复杂。真核生物中每种RNA聚合酶结合的启动子都不同，其中以RNA聚合酶II的启动子结构最复杂。每种启动子含有保守序列的数量和组合也存在差异，构成了真

27、核生物启动子的复杂性。,转录因子(transcription factor)是起正调控作用的反式作用因子。转录因子是转录起始过程中RNA聚合酶所需的辅助因子。真核生物基因在无转录因子时处于不表达状态，RNA聚合酶自身无法启动基因转录，只有当转录因子(蛋白质)结合在其识别的DNA序列上后，基因才开始表达。 增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。,（二）真核生物RNA转录后的加工,1. rRNA转录后加工 真核生物有4种rRNA，即5.8S rRNA、18S rRNA、28S rRNA和5S rRNA。对成熟的rRNA结构研究发现，有一个显著的特点是其结构上，特别是保守区域有大

28、量的甲基化位点，甲基基团主要加在核糖上。甲基化多数在细胞核内完成，少量被运送到细胞质中进行。 前体rRNA还需要进一步去掉不需要的序列 。,（1）5-端加帽(capping) mRNA前体的5-端加甲基化鸟苷(7mG)，其作用： 为核糖体识别mRNA提供信号 使mRNA更稳定 增加蛋白质合成的效率 帽子结构对mRNA前体的剪接是必需的,图2-19mRNA转录后的加工,2、mRNA加工,（2) 3-端接多聚腺苷(poly(A) 在mRNA前体3端接上一个约200250个腺嘌呤核苷酸(A)的尾巴。 poly(A)尾巴的作用： 有利于mRNA通过核孔； 参与稳定mRNA； 增强翻译效率。,图2-19mRNA转录后的加工,（3）hnRNA被剪接，除去由内含子转录来的序列，将外显子的转录序列连接起来。 内含子（introns）在转录后的加工中，从最初的转录产物除去的内部的核苷酸序列。也指编码相应RNA内含子的DNA中的区域（非编码序列）。 外显子（exons）既存在于最初的转录产物中，也存在于成熟的RNA分子中的核苷酸序列。（编码蛋白质合成的序列）。,图2-19mRNA转录后的加工,图真核生物mRNA的加工,一、遗传密码（Geneti