1微生物的遺傳物質(zhì)

1、第1章 微生物的遺傳物質(zhì)第一節(jié) 證明遺傳物質(zhì)是dna(或rna)的經(jīng)典實驗第二節(jié) dna的結(jié)構(gòu)和復制第三節(jié) 原核生物的染色體及其復制第四節(jié) 真核生物染色體及其復制第五節(jié) 基因結(jié)構(gòu)和基因組第一節(jié)證明遺傳物質(zhì)是dna（rna）的三個經(jīng)典試驗n細菌的轉(zhuǎn)化n噬菌體感染實驗n病毒重建實驗1、細菌的轉(zhuǎn)化實驗1928, 英國griffith, streptococcus penumoniae菌株毒力莢膜菌落野生型有產(chǎn)生光滑smooth突變型無不產(chǎn)生粗糙roughgriffith認為,加熱殺死的s型菌中存在某種能使活的r型菌轉(zhuǎn)變成s型菌的因子,并把此因子稱為轉(zhuǎn)化因子.這種一種生物由于接受了另一種生物的遺傳物質(zhì)

2、而表現(xiàn)出后者的遺傳性狀,或發(fā)生遺傳性狀改變的現(xiàn)象叫做轉(zhuǎn)化.結(jié)論:轉(zhuǎn)化因子是dnaavery等的轉(zhuǎn)化實驗2、噬菌體感染實驗1952，hershey & chase, t2噬菌體結(jié)論：在感染過程中，噬菌體的dna進入細菌細胞中，它的蛋白質(zhì)外殼并不進入細胞中去。推論：決定t2噬菌體的蛋白質(zhì)外殼的遺傳信息的攜帶者是dna3、病毒重建實驗1956，fraenkel-corat, tobacco mosaic virus, tmvtmv protein tmv rna s protein+hr rnashrs rna+hr protein結(jié)論：rna是tmv的遺傳物質(zhì)第二節(jié)dna的結(jié)構(gòu)和復制一、d

3、na的結(jié)構(gòu)4種脫氧核苷酸由3 5磷酸二酯鍵聚合而形成dna的堿基順序一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)dna double helix dna double helix modelmodelwatson & crick, 19533.4nm1nmb-dna是在有堿金屬存在及92%濕度條件下,經(jīng)x光衍射分析得到的.a-dna是在75%濕度條件下 dna纖維通過x光衍射分析得到的.右手雙螺旋結(jié)構(gòu)1979年,發(fā)現(xiàn)了左手雙螺旋dna,稱為z-dna是由兩條反向平行的多聚核苷酸相連而成的. z-dna可能在基因表達調(diào)控中起作用,但確切的生物學功能尚待研究.三級結(jié)構(gòu)e. coli 的染色體長度1mm,比其細胞本身長

4、1000倍,所以一定存在著超螺旋結(jié)構(gòu);在真核生物中核小體的形成引入負超螺旋,在細菌和古細菌中是dna回旋酶引起超螺旋.dna的不同形式有： 環(huán)狀和線狀 通常細菌的染色體dna，質(zhì)粒dna，以及真核生物的線粒體dna和葉綠體dna為環(huán)狀 二、二、dna的復制特點的復制特點和幾種主要的復制方式和幾種主要的復制方式1. 基本概念基本概念2. 復制起點與方向復制起點與方向 3. semi-conservation replication 4. 復制的方式復制的方式 1. 基基 本本 概概 念念 ( basic concept ) watson & crick:watson & cric

5、k: 一種遺傳物質(zhì)，必須能行使兩種 功能，即自我復制和對細胞的高 度特異性的影響遺傳物質(zhì)的基本屬性遺傳物質(zhì)的基本屬性：基因的自我復制基因的自我復制 基因的突變可以控制性狀的表達基因的突變可以控制性狀的表達dna復制復制 親代雙鏈親代雙鏈dnadna分子在分子在dnadna聚合酶的作用下，分別以聚合酶的作用下，分別以 每單鏈每單鏈 dnadna分子為模板，聚合與自身堿基可以互補分子為模板，聚合與自身堿基可以互補 配對的游離的配對的游離的dntpdntp, , 合成出兩條與親代合成出兩條與親代dnadna分子完分子完 全相同的子代全相同的子代dnadna分子的過程。分子的過程。 replicon

6、replicon; ; replisome; 每一個復制起點及其復制區(qū)稱為一個復制單位每一個復制起點及其復制區(qū)稱為一個復制單位 the multi protein (30the multi protein (30) structure that assembles ) structure that assembles at replicating fork to undertake synthesis of dna at replicating fork to undertake synthesis of dna 復制機理的復雜性復制機理的復雜性 d.s. dnas.s. dna 能量的供求能

7、量的供求構(gòu)型的變化構(gòu)型的變化 超螺旋超螺旋線狀，開環(huán)狀線狀，開環(huán)狀多種酶類的互作多種酶類的互作replisomedna復制起始控制機理知之甚少復制起始控制機理知之甚少復制的準確性復制的準確性 （修復，校正）（修復，校正）研究試材的特殊性研究試材的特殊性（溫度敏感型（溫度敏感型ts，突變抑制體系，突變抑制體系su）dna復制速度復制速度(e.coli 105 bp/min ，高速解旋，高速解旋 112 km/h ?)缺乏統(tǒng)一的模式缺乏統(tǒng)一的模式 (d.s. dna, s.s. dna, linear dna.) 原核生物的復制起點（origin of replication ，簡稱ori）例如，

8、e.coli 的oric，長度為245bp真核生物多個復制起點，例如釀酒酵母，約有400個復制起點（autonomously replicatory sequence，ars），每個長度為100-200bp。2. 復制起點與方向復制起點與方向（replication origin & direction ） isolation of ori rich at & palindromrich at & palindrom enzymes binding site enzymes binding site 300 bp300 bp in replication origin

9、in replication origin 0f prokaryote 0f prokaryoteat rich復制起點的特征復制起點的特征at rich真核生物復制起點的研究是以酵母為基礎的ars (automatic replication sequence) 自主復制序列ars1 (a, b1,b2,b3) a區(qū)具有高度保守性 a/ttttatg/attta/tb區(qū)變化較大 “呼吸呼吸現(xiàn)象現(xiàn)象” dna復制原點處氫鍵迅速斷裂與再生，復制原點處氫鍵迅速斷裂與再生， 導致兩條導致兩條dna鏈不斷解鏈與聚合，鏈不斷解鏈與聚合， 形成瞬間的單泡狀結(jié)構(gòu)的過程。形成瞬間的單泡狀結(jié)構(gòu)的過程。 在富含在

10、富含at的區(qū)域內(nèi)尤為明顯的區(qū)域內(nèi)尤為明顯 子鏈子鏈dna延伸方向延伸方向 dna polymerase reacts on the 3 end onlydna polymerase reacts on the 3 end onlynew dna elongation from 5 to 3 direction new dna elongation from 5 to 3 direction 進化中保留進化中保留的深刻的、的深刻的、選擇與適應選擇與適應的、化學及的、化學及功能的根源功能的根源 5 oht c at c a c 5 oh 3ppp oh c+ ppi 如果如果dna的延伸方向是的延

11、伸方向是 3 5 a t c g + 5 ppp oh 3 g ppp oh g a t c g 5 ppp oh 3 a t c g + 5 ppp oh 3 g ppp oh g 5 ppp因能量的需要，因能量的需要， dna的的5 端必須帶有端必須帶有ppp游離游離dntp具有具有pppppp oh 3 a t c g 在在0.2m nacl 的生理環(huán)境中，磷酸基團間的強電負性，使的生理環(huán)境中，磷酸基團間的強電負性，使dntp難以聚合到難以聚合到dna的的5端，而且端，而且 雙鏈雙鏈dna的的5端堿基配對困難端堿基配對困難 需要其他機制以解脫需要其他機制以解脫 堿基發(fā)生錯配后的校正堿基發(fā)

12、生錯配后的校正 費時、費能、增加脫磷酸、加磷酸的能量消耗費時、費能、增加脫磷酸、加磷酸的能量消耗 a t c g ppp oh+ pppap oht c gppp oh t c gt c gpp p oh 3. dna的半保留復制的半保留復制（semi-conservation replication） three replication hypotheses(cscl(cscl gradient centrifuge) gradient centrifuge) n15 n14 dnadnasemi-conservation replicationm. meselson and f. w. s

13、tahl, sciences 44:675, 1958.b) 半不連續(xù)復制半不連續(xù)復制 （semi-discontinuous replicationsemi-discontinuous replication） 后隨鏈后隨鏈前導鏈前導鏈533535534. dna復制的方式復制的方式 (dna replication model)(dna replication model) 型復制型復制1963年，cairns根據(jù)e.coli的環(huán)狀染色體復制的中間產(chǎn)物自顯影實驗提出的。形狀象 “ ”滾環(huán)方式滾環(huán)方式 d.s. dna nickelongation rolling合成互補鏈，形成雙鏈合成互補

14、鏈，形成雙鏈a蛋白識別起點，產(chǎn)生切口蛋白識別起點，產(chǎn)生切口poliii催化延長正鏈環(huán)化正鏈環(huán)化形成雙鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生a蛋白,識別復制起點 置換式置換式 或或 d-loop （displacement formdisplacement form） d.s. dna in mitochondrial dna in mitochondrial dna also in chloroplasm also in chloroplasm dna dna s.s. dna as template new s.s. dna displacement d-loop重鏈復制d-環(huán)延伸形成d-環(huán)輕鏈開始復制重鏈復制完成輕鏈

15、正在復制輕鏈復制完成封閉新合成鏈上的缺口第三節(jié) 原核生物的染色體及其復制n原核生物染色體80%以上dnarna蛋白質(zhì) 環(huán)狀雙鏈dna分子存在于細胞內(nèi)相對集中的區(qū)域，成為擬核。無核膜。 習慣上把原核生物的dna分子也稱為染色體。一、原核生物染色體的數(shù)目和大小e.coli有1條環(huán)狀染色體，4.7mbb.subtilis有1條環(huán)狀染色體，4.2mbagrobacterium tumefaciens有1條線性染色體，2.1mb；1條環(huán)狀染色體，3.0mb。二、細菌染色體的結(jié)構(gòu) 參與dna折疊的蛋白質(zhì)類組蛋白與dna結(jié)合后，幫助dna進行高度折疊，除類組蛋白外，dna還與其他蛋白質(zhì)相結(jié)合。如與復制、轉(zhuǎn)錄

16、和加工有關的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，這樣，其環(huán)狀染色體dna以緊密纏繞的、致密的、不規(guī)則小體形式存在，該小體即是擬核。電鏡下呈圓形或橢圓形。擬核：三、細菌染色體的復制細菌的復制基因與酶類細菌的復制基因與酶類 initiate genes dna b prepriming 300kd 20 copies/cell hexamerrnapol primase for leading s. dna c acts with dnab 25kddna g primase for lagging s. 60kd 25 (okazaki fragment ) monomer ssb binding with s.

17、s.dna 74kd 300 prevents from anneal monomer elongate genes dnae dna polymerase iii() 140kd 20dnaz dna polymerase iii() 52kd 20pola dna polymerase i 109kd 400polb dna polymerase ii 90-120kd 100 topoisomerase topa topi (swivelase)100kdsuperhelix d.s.helixtopoisomerase gyr topii (gyrase)gyr d.s.helix s

18、uperhelixcut d.s. dnaatpligatetopoisomerase rep relaxed protein (helicase) d.s. dna s.s. dnalig ligase hdp helix di-stabilizing protein no atpase binding s. s. dna decrease tm prevents from anneal b) dna聚合酶聚合酶 （dna polymerase） prokaryoteprokaryote i pola 109kd 3-5和5-3外切酶活性 切除rna引物和參與后隨鏈合成中的缺口填充反應ii

19、polb 3-5外切酶活性iii 10種不同的亞基組成 核心酶和全酶top i , top ii helicase (rep protein) single strand binding protein (ssb)helix destabilizing protein (hdp) dnab proteindnac protein primase ung-ase dna polymerase iii dna polymerase i ligase for primosome復復制制體體進進 化化 中中 形形 成成 了了 靈靈 活活 的的 多多 酶酶 復復 合合 體體 replisome進進 化化

20、 中中 形形 成成 了了 靈靈 活活 的的 多多 酶酶 復復 合合 體體 replisome 位于復制叉處的多酶復合體位于復制叉處的多酶復合體完成完成 lagging strand dna延伸時延伸時 必須快速從一個岡崎片段移到另一岡崎片段必須快速從一個岡崎片段移到另一岡崎片段 in lagging strand 多酶系統(tǒng)多酶系統(tǒng)必須完成多次反復的啟動與擴展必須完成多次反復的啟動與擴展 e.coli 啟動啟動20004000次的岡崎片段復制次的岡崎片段復制replisomereplisome model model復制起點at豐富dna識別位點dna box 5-ttatccaca-313個富

21、含at的單核苷酸 5-gatctnttntttt-3大腸桿菌染色體復制起點oric 的結(jié)構(gòu)dna復制過程鏈的生長原理起始階段:識別oric起始階段:雙鏈分開起始階段:引物的合成延伸階段:the termination of dna replication e.coli (單起點雙方向單起點雙方向)兩復制叉的相遇處具有多個終止位點兩復制叉的相遇處具有多個終止位點(不是復制叉簡單相遇）不是復制叉簡單相遇） tere, d, a terf, c, b (22bp保守區(qū)保守區(qū))f bterminus utilization substance（tus 36kd）cadeter-tus復合體終止階段:

22、tere, d, a 僅對反時針方向的復制叉具有終止效應僅對反時針方向的復制叉具有終止效應 terf, b, c 僅對順時針僅對順時針方向的復制叉具有終止效應方向的復制叉具有終止效應 f bcadeter-tus復合體復合體 (rep. fork trap)終止終止dnab(螺旋酶螺旋酶)防止防止dna過度復制過度復制避免出現(xiàn)避免出現(xiàn)dna多聚體，高拷貝多聚體，高拷貝四、細菌染色體的分離機制第五節(jié)基因結(jié)構(gòu)和基因組n基因結(jié)構(gòu)和基因概念的發(fā)展n基因組學n大腸桿菌的基因組nx174噬菌體的基因組n真核生物的基因組及其特點原核基因結(jié)構(gòu):-35,-10區(qū)的特征真核基因結(jié)構(gòu):增強子,外顯子,內(nèi)含子一、基因結(jié)構(gòu)和基因概念基本概念ngenenpromoternorfnterminatornintronnexonntata boxncaat boxnenhancernsilenceroverlapping genesplit genepseudogenemovable gene二、基因組學基因組的大小: 病毒103bp 原核生物106bp 真核生物109bp基因組:單倍體細胞核內(nèi)整套染色體所含的dna分子及其所攜帶的全部基因map of the mycoplasma genitalium genomemap of the haemophilus influenzae ge