基因的表达与调控本科10’

OC
GC
T
IS
由于II型启动子无-35区，也没有 因子，因此，RNA pol II与 启动子的结合至少与4种转录因子（TFIIA～D）有关。
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总之, 病毒、原核生物以及真核生物所贮存的遗传信 息量有着巨大的差别。病毒基因组结构简单，所含结 构基因很少；原核生物基因组所含基因数量较多，且 有较为完善的表达调控体系；真核生物基因组所含基 因数量巨大，表达调节系统也更为精细。
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（一）核酸的一级结构
核酸的基本组成单位是核苷酸（nucleotide），核苷酸则 由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。构成核苷酸的碱 基（base）主要有五种，腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞 嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）及尿嘧啶（U）。 核酸的一级结构就是指核酸分子中核苷酸的排列顺序，而 正是在核酸的一级结构中储存着生物的遗传信息。如果核 苷酸的排列顺序发生变化，它的生物学含义也就随之改变。
核酸（nucleic acid）是以核苷酸为基本组成单位的生物大 分子。天然存在的核酸有两大类，一类为脱氧核糖核酸 （deoxyribonucleic acid, DNA），另一类为核糖核酸 （ribonucleic acid, RNA）。DNA存在于细胞核和线粒体内， RNA存在于细胞质和细胞核内。DNA和RNA是遗传的物质基 础。（prion(朊病毒)是否也是遗传物质？）
由于真核基因不组成操纵子，不形成顺反子，真核基因表达受 到多级调控系统的调节。
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DNA
hnRNA ei
转录
splicing
mRNA
翻译
蛋白质 26
（1）三种真核RNA 聚合酶（RNA polymerase）
酶
RNA pol I RNA pol II RNA pol III
定位
核仁 核质 核质
转录产物
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2.原核生物的RNA聚合酶和启动子 （1）原核RNA 聚合酶（RNA polymerase）
亚基
’
基因
ropA ropB ropC ropD
数目
2 1 1 1
组成
核心酶 核心酶 核心酶 全酶
功能
结合启动子，连接和’ 结合碱基，合成RNA 结合启动子-10区（TATA box） 结合启动子-35区，其始转录
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非编码序列
5′
3′
调控序列

内含子
(intron)
编码序列 非编码序列 (外显子, exon)
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三、基因组（genome）和基因组结构
1.基因组（genome）：细胞或生物体中，一套完整单倍体 的遗传物质的总和。如人类基因组包含22条染色体和X、Y 两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞浆线 粒体上的遗传物质（线粒体基因组）。 2.基因组结构：主要指不同的基因功能区域在核酸分子中 的分布和排列情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。
基因组中能单独进行复制的单位称为复制子，复制子中控制 复制起始的位点称为复制起始点。在开始时，复制起始点处呈 一叉形（Y型），称为复制叉。复制进行时，复制叉向前移动。 复制的方向可有三种不同形式：一是从两个起始点开始，各以 相反的单一方向复制出一条新链，形成两个复制叉；二是从一 个起始点开始，以同一方向复制出两条链，形成一个复制叉； 三是从一个起始点开始，同时沿两个相反的方向各复制出两条 链，形成两个复制叉。
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8
DNA、RNA与蛋白质的关 系:
中心法则：DNA mRNA 蛋白质
DNA排列顺序 RNA排列顺序 蛋白质(aa)排列顺序
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（二）DNA的二级结构
是指由两条DNA单链形成的双螺旋、三股螺旋及四股螺 旋结构。 1.双螺旋结构 即典型的DNA双螺旋结构，且一般为右旋。 但还发现有左手双螺旋DNA，这种左手双螺旋DNA可能参 与基因表达的调控。
加复杂的结构，即螺旋的螺旋或超螺旋结构。
（四）RNA的种类与功能
1.mRNA 信使RNA(messenger RNA)占1%-5% 携带遗传信息 2.tRNA 转运RNA(transfer RNA) 占15% 转运氨基酸 3.rRNA 核糖体RNA(ribosomal RNA) 占80% 合成场所 4.具有催化活性的RNA——核酶(ribozyme)
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2、半不连续复制 DNA双螺旋的两条链是反向平行的，一 条是5′ 3′方向，另一条是3′ 5′方向，两条链都能作为模板 合成新的互补链。但是，生物体内所有DNA聚合酶的催化 方向都是5′ 3′，在复制过程中，DNA聚合酶以3′ 5′方向为 模板，随着复制叉的移动方向，连续合成新的互补链（称 为前导链，leading strand）。但是DNA聚合酶不能随着复 制叉的移动方向合成另一条模板链的互补链。另一条互补 链是如何合成的呢？
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（一）病毒基因组的结构特征 1.病毒基因组的类型 病毒（virus）是最简单的生命形式。病毒基因组（ virus genome）的核酸有DNA，也有RNA。可分为以下 几种： （1）双链DNA （2）单链正股DNA （3）双链RNA （4）单链负股RNA （5）单链正股RNA
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2.病毒基因组的结构特征 （1）不同病毒基因组大小差异较大 （2）不同病毒基因组可以是不同结构的核酸 （3）病毒基因组有连续的也有不连续的 （4）病毒基因组的编码序列大于90% （5）单倍体基因组 （6）基因有连续的和间断的 （7）相关基因丛集 （8）基因重叠 （9）病毒基因组含有不规则结构基因
①真核基因的TATAbox为TATAA／TAT／A，并且距离IS较远。
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②没有-３５区。 ③在IS上游还有ＣＡＡＴ box、ＧＣbox和Ｏｃｔａｍｅｒ（八聚体）
等结构，并与ＴＡＴＡ盒一起组成II型基因的启动子。必须明确，并不 是所有的II型基因都具备这４种调控元件，有的基因就没有ＴＡＴＡ盒
（如ＳＶ４０的早期基因）。
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第二节 遗传信息的复制
基因组中的遗传信息决定着物种的遗传和变异。各种生 物均通过其自身基因组核酸的完整复制将亲代的遗传信 息忠实地传给子代，保证了物种的连续性。遗传信息的 复制实际上就是基因组全部核酸序列的复制。基因组核 酸的复制在不同生物中主要有四种形式，即DNA复制、 DNA通过RNA中间体进行复制、RNA复制、RNA通过DNA 中间体进行复制。
从IS到-10区之间的5-10bp间隔称5’-leader sequence(前导 序列）。
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⑤大肠杆菌基因启动子图示
启动子 5’
5＇-leader
+1
-35
-10
IS
上游
下游
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（三）真核基因的结构特证
大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分隔， 以 不 连 续 的 方 式 排 列 在 DNA 上 ， 因 此 这 类 基 因 也 叫 断 裂 基 因 （split gene）。不编码序列称内含子（intron），被分隔的编码 序 列 叫 外 显 子 （ exon ） 。 因 此 ， 从 DNA 转 录 来 的 初 级 转 录 物 是 mRNA的前体，称核不均一RNA（ nuclear heterogenous RNA， hnRNA），在进行翻译前必需通过转录后加工除去内含子，形成 成熟mRNA，这一过程叫拼接（splicing）。
2.三股螺旋结构 除了最常见的DNA双螺旋结构形式外， DNA也可以形成三股螺旋结构——三股螺旋DNA（也称三 链DNA，triple strand DNA,tsDNA）:
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分子内三链DNA形成的4种同分异构体 12
（a）三股螺旋DNA （b）三股螺旋DNA三维投影图 13
（三）DNA的三级结构 DNA双螺旋进一步盘曲形成更
mRNA)互补的RNA,又称反意义RNA、调节RNA。
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二、基因的概念
基因（gene）是DNA分子中的某一特定的核苷酸序列，经 过复制可以传递给后代，经过转录和翻译可以产生维持正 常生命活动的生物大分子（RNA和蛋白质）。基因具有可 遗传性、可表达性、可移动性（转座单元、跳跃基因）、 不连续性（内含子intron、断裂基因）和重叠性（重叠基因） 的特征。
第二讲 基因的表达与调控
Song Fangzhou
2010.9
1
生命科学的中心法则
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第二章 遗传信息（基因）的表达
第三章 基因表达的调控
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第一节 核酸与基因组的结构
一、核酸的结构 二、基因的概念 三、基因组（genome）和基因组结构
第二节 遗传信息的复制
一、DNA复制的基本特点 二、原核生物染色体DNA的复制 三、其它环状DNA分子的复制 四、真核生物染色体DNA复制的特点
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大多数生物通过DNA复制完成基因组的复制，少数DNA 病毒是通过RNA中间体复制其基因组DNA，许多RNA病毒 是通过RNA复制完成其基因组的复制，逆转录病毒则是 通过DNA中间体复制其基因组RNA。真核生物的端粒可通 过逆转录完成复制过程。
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一、DNA复制的基本特点 （一）复制的起始点和方向
rRNA（18S，28S，5.8S） hnRNA（mRNA）， snRNA tRNA，5SrRNA，某些snRNA
对-Amaniting的敏感性
— + 有种属特异性
与原核生物的RNA pol不同，真核RNA pol不能单独与启动 子结合，必需要有转录因子的参与。
（2）真核基因的II型启动子（promoter）
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1968年日本学者冈崎等发现了DNA连接酶并提出了不 连续复制模型，即以5′ 3′方向模板链为模板合成的互补 链也是5′ 3′方向延伸，但与复制叉的前进方向相反，只 能倒着合成许多片段，这些片段称为冈崎片段（Okazaki fragment）；DNA连接酶再将冈崎片段连接成完整的 DNA链，称为随从链（lagging strand）。由于前导链的 合成是连续进行的，而随从链的合成是不连续进行的， 所以DNA的复制是半不连续复制。随从链的合成比前导 链迟一些，所以二者是不对称进行的。
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第三节 遗传信息的表达
一、转录 二、逆转录 三、原核生物RNA的生物合成 四、真核生物RNA的生物合成 五、翻译
第四节 外源基因的表达
一、外源基因在原核系统中的表达 二、外源基因在真核系统中的表达外源 三、外源基因表达的几种方式
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第一节 核酸与基因组的结构
一、核酸的结构
众所周知，遗传信息储存与表达的物质基础是核酸。
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（二）原核基因的结构特征
1.原核基因组形式
原核基因组常以操纵子（operon）的形式作为表达和调控的基 本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，受调节 基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。
阻遏蛋 白基因
启动子
操纵基因
结构基因
lacI P lacO lacZ
lacY
lacA
大肠杆菌乳糖操纵子结构
（2）原核启动子（promoter）
①启动子是基因5′端上游的一段启动基因转录的核苷酸 序列，是RNA pol 和其他转录因子结合的部位。
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②原核基因的启动子定位在转录起始位点（initiation site， IS）上游5-10bp处，由-35区和-10区组成，从启动子到终止 子（terminator）为一个转录单位。
③ -10区的碱基序列较保守，由T和A组成，大肠杆菌的10区为TATAAT，故称TATA box或 pribnow box。
④ -35区的碱基序列以TTG最为保守，大肠杆菌的-35区为 TTGACA， 因子识别并结合-35区，RNA聚合酶的特异性由 因子决定，而启动子的强弱则由-35区和因子的特异性和 亲和力决定。
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a.2个起始点，2个复制叉
旧链
起始 点1
起始点2 c.1个起始点，2个复制叉
复制叉 复制叉
b.1个起始点，1个复制叉
复制叉
复制叉
起始点
起始点
复制叉
DNA链复制方向的三种形式
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（二）复制方式 1、半保留复制 DNA复制时，DNA双链中的互补碱基 之间的氢键断裂，解为两条链，各以一条单链为模板， 按碱基互补原则合成新的互补链，新合成的两个DNA分 子和亲代DNA分子是完全一样的。在子代DNA分子中一 条单链来自亲代，另一条单链是新合成的。这种复制方 式称为半保留复制（semi-conservative replication）。
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5.核内不均一RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA) 即 mRNA前体，经过一系列加工处理后才变成成熟的mRNA。 6.小分子核内RNA(small nuclear RNA,snRNA) 300个碱基以下 7.反义RNA(antisense RNA) 碱基序列正好与有意义mRNA(sense