第4章+遺傳信息的傳遞.ppt

1、第四章 遺傳信息的傳遞,一、DNA復(fù)制 二、DNA的轉(zhuǎn)錄 三、蛋白質(zhì)的生物合成 四、基因表達調(diào)控 五、基因與性狀,遺傳信息的傳遞 主要內(nèi)容,遺傳信息的傳遞概敘,遺傳信息的傳遞（中心法則）包括以下過程：DNA復(fù)制、DNA轉(zhuǎn)錄（逆轉(zhuǎn)錄、RNA復(fù)制）、蛋白質(zhì)合成,一 DNA復(fù)制 以親代DNA分子為模板合成一個新的與親代模板結(jié)構(gòu)相同的子代DNA分子的過程。,2半不連續(xù)合成 DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，?dāng)復(fù)制開始解鏈時，親代DNA分子中一條母鏈的方向為53，另一條母鏈的方向為35。DNA聚合酶只能催化53合成方向。在以35方向的母鏈為模板時，復(fù)制合成出一條53方向的前導(dǎo)鏈，前導(dǎo)鏈的前進方向

2、與復(fù)制叉的行進方向一致，前導(dǎo)鏈的合成是連續(xù)進行的。而另一條母鏈仍以35方向作為模板，復(fù)制合成一條53方向的隨從鏈，因此隨從鏈合成方向是與復(fù)制叉的行進方向相反的。隨從鏈的合成是不連續(xù)進行的，先合成許多片段，即岡崎片段。最后各岡崎片段再連接成為一條長鏈。由于前導(dǎo)鏈的合成連續(xù)進行的，而隨從鏈的合成是不連續(xù)進行的，所以從總體上看DNA的復(fù)制是半不連續(xù)復(fù)制。,（二）、 DNA復(fù)制所需的酶及蛋白質(zhì) 1DNA聚合酶 DNA復(fù)制時，以DNA為模板，以A、T、C、G為底物，按照堿基互補配對原則，沿53方向合成新的DNA雙鏈。 原核生物DNA聚合酶包括：DNA聚合酶：具有三種功能即53 聚合酶活性、 35外切校正

3、活性、 53外切酶活性； DNA聚合酶；DNA聚合酶： 細(xì)菌DNA復(fù)制的主要聚合酶，具有53 聚合酶活性、 35外切校正活性。,真核生物DNA聚合酶有、 五種。,2引發(fā)酶 起始DNA復(fù)制。真核生物DNA聚合酶具有引發(fā)酶活性；原核生物由dnaG基因編碼。 3 DNA連接酶 將后隨鏈中的各岡崎片段連接成一條完整的互補鏈。 4、拓?fù)洚悩?gòu)酶 消除、維持、形成DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)，分、兩種。,5、解鏈酶 解開DNA分子的互補雙鏈作為復(fù)制的模板。 6、單鏈結(jié)合蛋白 結(jié)合解開的單鏈DNA，保護其不被水解和恢復(fù)DNA雙鏈結(jié)構(gòu)，又稱為雙螺旋反穩(wěn)定蛋白。,（三）、 DNA復(fù)制的過程 1DNA復(fù)制起始:蛋白質(zhì)-DNA

4、復(fù)合物形成，復(fù)制叉及引發(fā)體產(chǎn)生。 2、DNA復(fù)制延伸:復(fù)制叉前移、前導(dǎo)鏈及后隨鏈延伸。 3、DNA復(fù)制的終止:RNA引物切除、缺口補齊、岡崎片段連接。,（四）、原核生物及真核生物DNA復(fù)制的比較 1共同點： （1）都具有半保留和半不連續(xù)特征；（2）都需要特定的酶和蛋白質(zhì)；（3）復(fù)制過程都包括起始、延伸和終止三個階段。 2、不同點： （1）復(fù)制過程所需要的酶和蛋白因子不同；（2）原核生物DNA為環(huán)狀分子，采用型復(fù)制和滾環(huán)式復(fù)制；真核生物通過端粒酶識別和結(jié)合端粒，維持線性DNA分子的恒定長度；（3）原核生物只有1個復(fù)制起點，復(fù)制速度快、岡崎片段長，能連續(xù)復(fù)制；真核生物有多個復(fù)制起點，復(fù)制速度慢、岡

5、崎片段短，不能連續(xù)復(fù)制。,二、DNA的轉(zhuǎn)錄 (Transcription),以DNA為模板，A、U、C、G為底物，按照堿基互補配對原則從53方向合成RNA的過程，稱轉(zhuǎn)錄。,2、真核生物的RNA聚合酶,2mRNA前體的加工 (1)5末端帽子的生成 過程：一個m7G連接到mRNA的5端形成（脫Pi、甲基化），真核生物有0、1、2三種類型帽子結(jié)構(gòu)。 功能： 維持mRNA的一級結(jié)構(gòu)，避免磷酸酶和核酶的攻擊； 提供核糖體的識別部位。 (2)3末端多聚A尾的生成 通過識別加尾信號AATAAA，在其下游20bp處加上100-200個A，形成polyA尾巴； 功能：增加mRNA的穩(wěn)定性；方便mRNA從細(xì)胞核進

6、入細(xì)胞質(zhì)；增強翻譯效率；,(3)剪接作用 在核酸內(nèi)切酶作用下剪切掉內(nèi)含子，然后在連接酶作用下，連接各部分外顯子。 (4) RNA編輯 在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中插入、刪除或取代一些核苷酸殘基，生成具有正確翻譯功能的模板，此即所謂 RNA的編輯作用。 編輯過程由一個或多個小分子的“指導(dǎo)RNA”提供mRNA的編輯信息，并作為模板指導(dǎo)其進行編輯，在編輯體的幫助下進行編輯。,(5)甲基化修飾 原核生物mRNA分子中不含有稀有堿基，但真核生物的mRNA中則含有甲基化核苷酸，除了在hnRNA的5端帽子結(jié)構(gòu)中含有23個甲基化核苷外；在分子內(nèi)部還會有l(wèi)2個m6A存在于非編碼區(qū)。在序列中， m6A總是位于胞苷之后，形成了NC

7、 m6A N序列。 m6A的生成是在hnRNA的剪接作用之前發(fā)生的。 真核生物的CpG島的C容易形成甲基化，常常突變成T。在基因的末端通常存在一些富含雙核苷酸“CG”的區(qū)域，稱為“CpG島”（CpG island）。在人類基因組內(nèi)，存在有近3萬個CpG島；在大多數(shù)染色體上，平均每100萬堿基含有515個CpG島，其中有1.8萬多個CpG島的GC含量為60%70%。通常，這些CpG島不僅是基因的一種標(biāo)志，而且還參與基因表達的調(diào)控和影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)。Epigenetics,3tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工 在核酸內(nèi)切酶 RNaseP作用下，從5末端切除多余的核苷酸； 在核酸外切酶 RNaseD作用下，從3末

8、端切除多余的核苷酸； 核苷酸轉(zhuǎn)移酶催化， 3末端加CCA-OH，為tRNA加I特有反應(yīng)； 核酸內(nèi)切酶催化進行剪切反應(yīng)，剪掉內(nèi)含子，由連接酶連接外顯子部分； 化學(xué)修飾作用，如甲基化、脫氨基、還原反應(yīng)。,4. rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工 原核生物有 16S、23S及 5S三種 rRNA，這三種rRNA均存在于30S的rRNA前體中。轉(zhuǎn)錄作用完成后，在RNase催化下，將rRNA前體切開產(chǎn)生16S、25S及 5S rRNA的中間前體。進一步在核酸酶的作用下，切去部分間隔序列，產(chǎn)生成熟的 16S、23S及5S rRNA，還有成熟的 tRNA。并對16S rRNA進行甲基化修飾，生成稀有堿基。與4S rRNA

9、加I變化不大。 真核生物的核蛋白體中有18S、58S及5S rRNA。 5SrRNA自己獨立成體系，在成熟過程中加工甚少，不進行修飾和剪切。 45S rRNA前體中包含有 18S、58S及 28SrRNA。在加工過程中，分子廣泛地進行甲基化修飾，主要是在28S及18S中。甲基化作用多發(fā)生于核糖上，較少在堿基上。隨后45 S rRNA前體經(jīng)核酸酶順序剪切下生成18S、5.8S、28S rRNA。,三、蛋白質(zhì)的合成-翻譯 (Translation),基因的遺傳信息在轉(zhuǎn)錄過程中從DNA轉(zhuǎn)移到mRNA，再由mRNA將這種遺傳信息表達為蛋白質(zhì)中氨基酸順序的過程叫做翻譯，即蛋白質(zhì)的合成。,（一）、 蛋白質(zhì)

10、合成體系 1、mRNA提供遺傳密碼 在mRNA中，每3個相互鄰接的核苷酸，其特定排列順序，在蛋白質(zhì)生物合成中可被體現(xiàn)為某種氨基酸或合成的終止信號者稱為密碼子，統(tǒng)稱遺傳密碼。它具有連續(xù)性、簡并性、通用性。UAA、UAG、UGA為肽鏈的終止信號，不代表任何氨基酸，稱為終止密碼子；密碼子AUG不僅代表一定氨基酸，而且位于mRNA啟始部分，稱起始密碼子。編碼同一氨基酸的稱同義密碼子。起編碼氨基酸作用的稱有義密碼子。,遺傳密碼及相應(yīng)的氨基酸,2、tRNA轉(zhuǎn)運氨基酸 tRNA上有由3個核苷酸組成的反密碼子，與mRNA上的密碼子按堿基互補配對原則結(jié)合， tRNA與對應(yīng)氨基酸結(jié)合成為氨基酰tRNA，氨基酰tR

11、NA才能準(zhǔn)確的在mRNA上對號入座。 3、核糖（蛋白）體提供裝配場所 核蛋白體相當(dāng)于裝配體，當(dāng)核蛋白體在mRNA上每向前移動一個密碼子的位置，肽鏈上即增加一個新的氨基酸，直至終止信號。 4、氨基酸為合成原料 20種氨基酸,（二）、 蛋白質(zhì)合成過程 1啟動階段 在蛋白質(zhì)生物合成的啟動階段，核蛋白體的大、小亞基，mRNA與一種具有啟動作用的氨基酸t(yī)RNA共同構(gòu)成啟動復(fù)合體。 2肽鏈延長階段 根據(jù) mRNA上密碼子的要求，新的氨基酸不斷相應(yīng)的被特異的tRNA運至核蛋白體受位，形成肽鍵。 3終止階段 當(dāng)多肽鏈合成已完成，并且“受位”上已出現(xiàn)終止信號，此后即轉(zhuǎn)入終止階段。終止階段包括已合成完畢的肽鏈被水

12、解釋放，以及核蛋白體與tRNA從mRNA上脫落的過程。,（三）、 翻譯后加工 1一級產(chǎn)物的修飾：(1)去除N-甲酰基或N-蛋氨酸；(2)個別氨基酸的修飾；(3)水解修飾；(4)切除部分肽鏈（連接肽、信號肽）。 2高級結(jié)構(gòu)的修飾：肽鏈釋放后可自行根據(jù)其一級結(jié)構(gòu)的特征折疊、盤曲成高級結(jié)構(gòu)。此外，高級結(jié)構(gòu)的修飾還包括(1)折疊、(2)亞基聚合、(3)輔基連接等行為。 3.蛋白質(zhì)合成的靶向輸送：蛋白質(zhì)合成后，定向地到達其執(zhí)行功能的目標(biāo)地點，稱為靶向輸送；（2）切除。,四、基因表達的調(diào)控,（一）、 基因及其結(jié)構(gòu) 1基因概念的發(fā)展 (1)1866年孟德爾在植物雜交試驗中提出的遺傳因子概念，是基因雛形名詞。

13、(2)1909年丹麥遺傳學(xué)家約翰遜在精密遺傳學(xué)原理中提出“基因”概念來替代孟德爾假定的“遺傳因子”。 (3) 1926年摩爾根的巨著基因論出版，提出基因以直線形式排列，決定特定性狀，能發(fā)生突變和交換，它不僅是決定性狀的功能單位，而且是一個突變單位和交換單位。 (4) 1957年法國遺傳學(xué)家本滋爾提出順反子學(xué)說，認(rèn)為基因是DNA分子上一段核苷酸順序，負(fù)責(zé)著遺傳信息傳遞。,2基因的幾個相關(guān)概念 (1)基因：可轉(zhuǎn)錄一條完整的RNA分子或編碼一條多肽鏈的一段DNA序列；產(chǎn)物具有一定的生物學(xué)功能； (2)假基因(pseudo gene)：同已知的基因相似，但位于不同位點，因缺失或突變而不能轉(zhuǎn)錄或翻譯，是

14、沒有功能的基因。 (3)等位基因(allele)：位于同源染色體上，位點相同，控制著同一性狀的基因。 (4)結(jié)構(gòu)基因(structural gene)：可編碼RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列。 (5)調(diào)控基因(regulator gene)：其產(chǎn)物參與調(diào)控其他結(jié)構(gòu)基因表達的基因。 (6)重疊基因overlapping gene：同一段DNA的編碼順序，由于閱讀框架的不同或終止早晚的不同，同時編碼兩個或兩個以上多肽鏈的基因。,(7)隔裂基因(split gene)：一個結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部為一個或更多的不翻譯的編碼順序，如內(nèi)含子(intron)所隔裂的現(xiàn)象。 (8)跳躍基因(jumping gene)：可

15、作為插入因子和轉(zhuǎn)座因子移動的DNA序列，也稱轉(zhuǎn)座因子。 (9)主基因(major gene)：對于性狀的作用比較明顯，容易從雜種分離世代鑒別開來。 (10)修飾基因(modifying gene)：一組效果微小的基因能增強或削弱主基因?qū)Ρ硇偷淖饔?，這類微效基因在遺傳學(xué)上稱為修飾基因。 (11)管（持）家基因：某些基因是維持細(xì)胞基本代謝所必須的基因，其在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達，稱為； (12)奢侈基因：有些基因在一些分化細(xì)胞中活動，是細(xì)胞分化、生物發(fā)育的基礎(chǔ),稱為。,3基因的結(jié)構(gòu),5側(cè)翼區(qū)(5 Flanking Region) ：基因5端部到轉(zhuǎn)錄起始點間的部分； 5UTR： 5非翻

16、譯區(qū)(Un-translated Region)； 啟動子：指RNA聚合酶結(jié)合并起動轉(zhuǎn)錄的DNA序列，通常包括TATA框等結(jié)構(gòu)； 轉(zhuǎn)錄起始點 轉(zhuǎn)錄終止點 起始密碼子(Start Codon)：通常為ATG； 終止密碼子(Stop Codon)：通常為TAA/G； Poly（A）信號：決定加尾（轉(zhuǎn)錄終止）位置； 外顯子（Exon）：出現(xiàn)在成熟RNA中的有效DNA區(qū)段； 內(nèi)含子（Intron）：基因內(nèi)部的部分序列并不出現(xiàn)在成熟mRNA中，這些間隔序列稱為內(nèi)含子, 符合“GT-AG”規(guī)則。,真核生物基因的普通結(jié)構(gòu),(二）、基因表達的概敘 1、概念 基因表達就是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。在一定調(diào)節(jié)機制控制

17、下，大多數(shù)基因經(jīng)歷基因激活、轉(zhuǎn)錄及翻譯等過程，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子，但并非所有基因表達過程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)， tRNA、rRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達。 2、基因表達的時間性及空間性 基因表達的時間、空間特異性由特異基因的啟動子和增強子與調(diào)節(jié)蛋白相互作用決定。（1）時間特異性：按功能需要，某一特定基因的表達嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生，這是基因表達的時間特異性。 多細(xì)胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性。（2）空間特異性：在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這就是基因表達的空間特異性。又稱細(xì)胞特異性或組織特異性。,4、基因表達的復(fù)雜性表現(xiàn)為

18、(1)多級調(diào)控：染色體和基因的結(jié)構(gòu)活化、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運、mRNA降解、翻譯及翻譯后加工及蛋白質(zhì)降解等均為基因表達調(diào)控的控制點。(2)多要素綜合作用：DNA序列、調(diào)節(jié)蛋白和RNA聚合酶等的結(jié)合作用。 5、基因表達的生物學(xué)意義：主要體現(xiàn)在適應(yīng)環(huán)境，維持生長、增殖、個體發(fā)育和分化等方面。,（三）、原核生物基因表達調(diào)控 1、操縱子學(xué)說 -原核生物的基因表達可在 DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平三個層次進行調(diào)控，其中轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是基因表達調(diào)控的主要環(huán)節(jié)； -操縱子是原核生物轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的主要方式，操縱子由調(diào)節(jié)基因R、操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因S組成； -操縱子通過調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白開啟或關(guān)閉操縱

19、基因，調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達； -如果調(diào)節(jié)蛋白關(guān)閉基因表達活性，稱為負(fù)調(diào)控；反之，調(diào)節(jié)蛋白開啟基因表達活性，稱為正調(diào)控； -一些小分子物質(zhì)可作用于調(diào)節(jié)蛋白，開啟轉(zhuǎn)錄活性的為誘導(dǎo)物，反之為輔阻遏物、超阻遏物。,A,轉(zhuǎn) 乙 酰 酶,- 半 乳 糖 苷 透過酶,Z,Y,2、操縱子結(jié)構(gòu)和功能 -乳糖操縱子模型； -乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)；,P R,-乳糖操縱子的功能（負(fù)調(diào)控機制）,3、操縱子的其他調(diào)控形式 （1）色氨酸操縱子； （2）半乳糖操縱子（gal operon） （3）阿拉伯糖操縱子（ara operon） 4、基因表達的時空調(diào)控 噬菌體SPO1侵染枯草桿菌：侵染后，早期基因立即轉(zhuǎn)錄；4-5m后，轉(zhuǎn)為中

20、期基因表達；8-12m后轉(zhuǎn)為晚期基因表達。 5、DNA序列重排的調(diào)控 DNA序列的重排調(diào)控基因的表達，如鼠傷寒沙門氏菌的相轉(zhuǎn)變機制（包括P的DNA倒位）。,（四）、真核生物基因表達調(diào)控 1、真核基因組結(jié)構(gòu)特點：基因組(Genome)是指一特定生物體的整套(單倍體)遺傳物質(zhì)的總和 。 （1）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大：哺乳類動物基因組DNA長達10 9個bp。 （2）單順反子：真核基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子，即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個 mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。順反子表示一個起作用的單位，其所包括的一段DNA與一個多肽鏈的合成相對應(yīng)，是基因的基本功能和轉(zhuǎn)錄單位，一個基因可有幾個順反子，一個順反子產(chǎn)

21、生一條mRNA。 （3）重復(fù)序列：在原核、真核DNA中都有重復(fù)出現(xiàn)的核苷酸序列，但在真核更普遍。根據(jù)重復(fù)頻率可將重復(fù)序列區(qū)分為高度重復(fù)序列（10 6次)、中度重復(fù)序列（10 310 4)及單拷貝序列。單拷貝序列在整個基因組中只出現(xiàn)一次或很少的幾次。 （4）基因不連續(xù)性：真核結(jié)構(gòu)基因兩側(cè)存在不被轉(zhuǎn)錄的非編碼序列，往往是基因表達的調(diào)控區(qū)。在編碼基因內(nèi)部尚有一些不為蛋白質(zhì)所編碼的間隔序列，稱內(nèi)含子，而編碼序列稱為外顯子，因此真核基因是不連續(xù)的。,2、真核基因表達調(diào)控特點 （1）真核RNA聚合酶有三種，即RNA pol、，分別負(fù)責(zé)三種RNA轉(zhuǎn)錄，TATA盒結(jié)合蛋白為三種聚合酶所共有。 （2）活性染色體

22、結(jié)構(gòu)變化 ：（1）對核酸酶敏感；（2）DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。 天然狀態(tài)的雙鏈DNA以負(fù)性超螺旋的構(gòu)象存在。當(dāng)基因活化時，RNA聚合酶前方的轉(zhuǎn)錄區(qū)DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為正性超螺旋，后面的DNA則為負(fù)超螺旋，正性超螺旋不僅阻礙核小體結(jié)構(gòu)形成，而且促進組蛋白 H 2AH 2B二聚體的釋放，有利轉(zhuǎn)錄。（3）DNA堿基修飾變化。 在真核DNA有約5的胞嘧啶被甲基化為5甲基胞嘧啶，甲基化范圍與基因表達程度是反比關(guān)系。處于轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)的基因CpG序列一般是低甲基化的。（4）組蛋白變化。 H 1樣組蛋白減少。H 2AH 2B二聚體不穩(wěn)定性增加。組蛋白修飾：最常見的修飾有乙?；?、泛素化，修飾后使核小體結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。H3組蛋白巰基暴露。 （3）正性調(diào)節(jié)占主導(dǎo)，提高了蛋白 -DNA相互作用的指導(dǎo)性，經(jīng)濟有效 ； （4）轉(zhuǎn)錄與翻譯間隔進行，真核細(xì)胞有細(xì)胞核及胞漿等區(qū)間分布，轉(zhuǎn)錄與翻譯在不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中進行。（5）轉(zhuǎn)錄后修飾、加工 。,3、原核與真核生物基因表達調(diào)控的比較 （1）共同點： a 結(jié)構(gòu)基因有調(diào)控序列； b 表達的復(fù)雜性； c 表達的時空性； （2）不同點： a 真核生物更復(fù)雜； b 基因及基因組的結(jié)構(gòu)特點； c 轉(zhuǎn)錄與翻譯的間斷性； d 轉(zhuǎn)錄后加工過程； e 正負(fù)調(diào)控機制 f RNA聚合酶,五、基因與性狀,1、基本概念 基因：Gene 性