第四章生命的延续 不朽的基因2

转录( transcription)： DNA指导下的RNA合 成。
RNA聚合酶( RNA polymerase)： 以DNA为模板合成RNA的酶。 真核生物有三种： RNA聚合酶I：转录rRNA RNA聚合酶II：转录mRNA RNA聚合酶III：转录tRNA和5s rRNA 原核生物仅有一种RNA聚合酶。
DNA子链5’末端的 RNA引物切除后， DNA聚合酶无法补 平，造成DNA每复制 一次，其子链5’末端 将缩短一段 。
解决方案：端粒与端粒酶
端粒：染色体末端的重复DNA 序列，使得DNA复制中缩短的 5’末端不致影响到基因的编码 区。（照片中蓝色为染色体DNA，红点
为端粒）
端粒酶：能够合成端粒的酶， 以自身含有的RNA作为模版， RNA序列端粒序列互补。
真核mRNA前体转录后加工2： 剪接（RNA splicing, 去除内含子)
5’端非翻译区
3’端非翻译区
断裂基因( split genes)：绝大多数真核生物基因都是不连 续的，被一些不编码序列隔开。1977年，Richard Roberts 和Phillip Sharp发现 , 1993获诺贝尔奖 。 外显子( extron)：断裂基因中编码成熟RNA的部分。 内含子( intron)：断裂基因中间隔外显子的部分。
演化的密码
• 密码子的组合和编码 氨基酸的种类是自然 选择的结果，将翻译 蛋白质过程中产生的 错误最小化。 • 生物对于选择使用何 种密码子编码某一个 氨基酸有偏好。 • 有些生物的密码子偏 离编码规则。
海洋伞藻将终止密码子 （UAG,UAA)翻译为甘氨酸
三. 从DNA到蛋白质
1．基因与蛋白质之间的联系是如何建立的？ 2．遗传密码：三个核苷酸决定一个氨基酸 3． RNA的合成:转录 4．真核mRNA转录后加工 5．蛋白质的合成：翻译 6． 基因突变影响蛋白质功能
用T2噬菌体感染细菌，用不同的同位素分别标记噬菌体的蛋白和DNA；通过离心 附着在细菌外壁上的噬菌体外壳与细菌分离。检测细菌细胞内的同位素，发现进入 细菌使其发生转化的为DNA。
DNA是遗传物质 的证明 2 病毒DNA转化细 菌的实验 （Hershey and Chase，1952）
DNA是遗传物质的最终证明： Watson & Crick根据X 射线衍射数据建立了DNA双螺旋模型（1953年）
三. 从DNA到蛋白质
1．基因与蛋白质之间的联系是如何建立的？ 2．遗传密码：三个核苷酸决定一个氨基酸 3． RNA的合成：转录 4．真核mRNA转录后加工 5．蛋白质的合成：翻译 6． 基因突变影响蛋白质功能
真核mRNA前体转录后加工1： mRNA前体末端的改变
蛋白编码区 多聚腺苷酸信号
5’UTR
3’ 5’
X
3’ 5’
复制叉的移动方向
3’ 5’
解决方案：半不连
续复制， 先导链 ( leading atrand)和 后续链(lagging strand)的合成
因为DNA聚合酶只能由5’到 3’合成核酸，所以两条新链 中一条是连续合成的，另一 条随着DNA双链的解开不连 续合成。连续合成的链叫做 先导链；不连续合成的链叫 做后续链，不连续的片段称 为岗崎片段Okazaki fragment，长1000碱基左 右，靠连接酶( ligase)连接起 来成为后续链。
转录因子TBP（TATA box结合蛋白）与DNA结合的构象
转录的延伸(elogation)
DNA指导的RNA聚合 酶：该酶以ATP, GTP, CTP, UTP作底物，以 DNA的一条单链为模 板，按照碱基互补配 对原则，从5’到3’从 头合成RNA。
转录的终止( termination)
• 转录进行到终止密码之后，RNA上的转录 终止序列形成发卡结构，RNA聚合酶在一 些因子的配合下，脱离DNA模板，转录终 止。
终止密码子(stop code)： UAA， UGA，UAG
遗传密码的特性： 1．不间断 2．不重叠 3．简并性(一种氨基酸 有多个密码） 4．密码第一二位基本 固定，第三位具有摇摆 性（wobble） 5．通用性（适用于各 物种）
密码子通用性的表现
后 显 现 荧 光 。 烟 草 中 转 入 萤 火 虫 的 荧 光 素 酶 基 因
转录起始( initiation)
转录起始位点 启动子( promoter)：转录起始 核苷酸上游的特殊序列，长度 为20～200bp不等，供RNA聚 合酶结合并启动转录，本身不 被转录。真核生物的启动子常 为TATA box（-25区）， CAAT box(-75区），GC box(90区）。 原核生物启动子包括： TATAAT，Pribnow box(-10 区）；TTGACA（-35区） 转录因子( transcription factor)：与启动子结合并帮助 RNA聚合酶结合启动子，启动 转录的蛋白。 转录起始复合物( transcription initiation complex)：RNA聚合 酶，转录因子，启动子形成的 复合物。
DNA聚合酶发挥外切 酶活性时的构象
P：聚合活性位点；E：外切活性位点
DNA复制总结
DNA的损伤 修复(DNA repair)
着色性干皮病患者由 于缺失DNA修复相关 的7个基因，对紫外 线非常敏感，微弱阳 光即会导致产生大量 黑色色素斑点，极大 提高致命性皮肤癌的 患病几率。
患着色性干皮病（xerderma pigmentosum, XP）的男孩
端粒酶RNA 组分的其 余部分
端粒酶的 蛋白组分 端粒酶RNA 组分作为模 板的部分
端粒酶在生殖细胞和 癌细胞活性很高，这 些细胞可以分裂很多 次，甚至无限分裂。 体细胞中，端粒酶活 性很低或无活性，细 胞只能分裂一定次 数，与端粒的有限长 度相关。因此端粒被 称为“生物钟”。
端粒酶蛋白 组分的活性 区域 染色体的 其余部分 新合成的 端粒DNA
DNA复制方式的测定实验： Meselson-Stahl 实验（1958）
大肠杆பைடு நூலகம்培养
分别标记亲代大 肠杆菌的DNA和子 代大肠杆菌的DNA
DNA复制的起始：解开双螺旋
细菌细胞中DNA解旋酶( helicase)负责解开DNA双链
DNA复制的起始：单链结合蛋白( single-strand binding protein)负责稳定双螺旋解开后DNA单链的构象
第二节 遗传的分子基础
一. DNA是遗传物质的证明 二. DNA的复制与修复 三. 从DNA到蛋白质 四. 基因的表达调控 五. 癌的分子遗传学
DNA是遗传物质的证明 1
转化（transformation)：细胞由于吸收外源DNA而导致基因型 和表型的改变。
肺炎双球菌转化试验（Griffith，1928） 用蛋白酶预处理热灭活的s菌株对转化无影响，而用DNA酶处理热灭 活的s菌株使转化完全受阻。由此证明使细菌转化的物质为DNA。 (Avery, 1944)
DNA复制的三种可能方式
全保留复制：亲代的 双链保持完整，子链 由两条新合成链构 成。 (Conservative model)
半保留复制：两条母链分 开，每条分别作为模版复 制子链，每条子代DNA双 链均包含一条模板链。 (Semiconservative model)
随机复制：每条子链 分子都由部分新链和 部分旧链形成。 (Dispersive model)
从基因到蛋白质的两个关键步骤：转录和翻译
原核细胞中DNA转录出的mRNA 立即翻译为蛋白质，真核细胞中 转录与翻译分别在核内,外进行， mRNA前体Pre-mRNA(初级转录 产物，primary transcript)经过 加工成为成熟的mRNA。
遗传密码 （genetic code, 三联体密 码）：三个核 苷酸决定一个 氨基酸
3’UTR
5’端加“帽子”结构（5’cap,7-甲基鸟苷三磷酸）：为核糖体识 别mRNA所需，同时保护mRNA的5’端在由核到细胞质的运 输过程中不被酶水解。 3’端加多聚A尾（30～200个腺苷酸，poly-A tail）：保护 RNA免受核酸酶攻击。 5’UTR：5’ untranslated region, 5’端非翻译区 3’UTR：3’untranslated region, 3’端非翻译区
端粒酶结构模式图
DNA复制过程中的酶
母链双螺旋解开，提供单链的DNA模版 （解旋酶，单链结合蛋白）
先导链的合成： 引物合成（引物酶） 延伸（DNA聚合酶III） 将RNA引物置换为DNA （DNA聚合酶I）
后续链的合成： 冈崎片段的引物合成（引物酶） 冈崎片段延伸（ DNA聚合酶III ） 将RNA引物置换为DNA（DNA聚合酶I） 冈崎片段连接（连接酶）
第四节 遗传的分子基础
一. DNA是遗传物质的证明 二. DNA的复制与修复 三. 从DNA到蛋白质 四. 基因的表达调控 五. 癌的分子生物学
在DNA复制( DNA replication)过程中，碱基 配对( base pairing)使得DNA的双链能够作为 模版( template)复制互补链 。
中
心 法
DNA
则
复制
DNA
转录
RNA
翻译 蛋白质
遗传信息储存在核酸中 遗传信息由核酸流向蛋白质
基因与蛋白质之间的联系是如何建立的：一个基因 一个酶的假说 (Beadle and Ephrussi,1930s)
红色面包酶精氨酸代谢突变体实验
来自基础 培养基
“一个基因一个酶”
“一个基因一个蛋白”
“一个基因一个肽”
DNA模板的单链区 形成局部的“发夹” 结构，不利于DNA 子链的合成 单链结合蛋白
真核细胞DNA复制的起始
复制起点（replication origin） ：复制起始的特殊序列 复制泡( replication bubble) ：DNA复制起点处解开双链形成的泡状结构 复制叉( replication fork)：复制泡末端新合成的子链延伸的地方 原核细胞每条DNA含有1个复制起点；真核细胞每条染色体有几百上千个复 制起点
密码子：mRNA上编 码一个氨基酸的三 联体核苷酸
1961-1964，Nirenberg，Khorana和Holley 破译了全部64个遗传密码（其中61种编码 氨基酸），1968年获诺贝尔奖
多聚U 多聚C 多聚A
苯丙氨酸 赖氨酸 脯氨酸
起始密码子(start code)： 密码表 AUG（同时编码甲硫氨 酸）
DNA复制准确性的保证：DNA聚合酶III具有 3’→5’外切酶活 性，能够矫正错配的核苷酸。
DNA复制的问题1：DNA双链是反平行的 ，DNA聚合酶 只能沿5’-3’的方向合成子链（母链方向为3’-5’），那么 5’-3’方向的母链如何合成互补子链？
母链 — 子链 —
5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’
原核细胞（细菌）的环 状染色体的复制
1. 仅有一个复制起点 2. 两个复制叉从同一起点 向相反方向移动 3. 复制叉相遇时复制中止 4. 双螺旋彼此分离
DNA复制的延伸
5’ 3’ 5’
DNA聚合酶 3’ ( DNA polymerases)以 dATP、dGTP、 dCTP 和dTTP为 底物，以母链为 模板，按照碱基 互补配对的方式 合成子链。合成 方向为5’→3’，无 法从头合成，需 要引物。
DNA复制准确性的保证
• DNA聚合酶对底物核苷酸的选择性（碱基 配对原则）。 • DNA聚合酶的保真性—自我核对并修复。 DNA聚合酶具有3’→5’外切酶的活力，每加 入一个核苷酸，就要核对正确与否，若正 确，继续合成下一个。若不正确，则切 除，换上正确的。 • 复制完成后的纠错功能
DNA聚合酶发挥聚合 活性时的构象
复制叉移动的方向
DNA复制的问题 2： DNA聚合酶无
法从头合成DNA， 需要有一段核酸作 为引发合成的引物 (primer)。
解决方案：由引物
酶( primase)合成长 几个~10个核苷酸的 RNA作为引物。 DNA合成完成后，由 DNA聚合酶I切去 RNA引物，填补空 缺。
DNA复制的问题 3：真核生物线形
第四节 遗传的分子基础
一. DNA是遗传物质的证明 二. DNA的复制与修复 三. 从DNA到蛋白质 四. 基因的表达调控 五. 癌的分子遗传学
三. 从DNA到蛋白质
1．基因与蛋白质之间的联系是如何建立的？ 2．遗传密码：三个核苷酸决定一个氨基酸 3． RNA的合成：转录 4．真核mRNA转录后加工 5．蛋白质的合成：翻译 6． 基因突变影响蛋白质功能