1、9 遗传的分子基础,基因的概念及其发展 基因的本质 基因的表达功能 基因表达调控,9.1 基因的概念及其发展,基因的研究历史：1882年，孟德尔 遗传颗粒学说 1909年，W.Johansen (丹麦)首先使用“基因”一词 1925年，T.H Morgen证明基因是在染色体上呈直线排列的遗传单位 1957年，S.Benzer用大肠杆菌T4噬菌体为材料，在DNA分子水平上，证明基因是DNA分子上的一个特定区段，其功能是独立的遗传单位。,谈家桢先生（1909-2008）是国际著名遗传学家，50年代回国从事基因研究工作中国现代遗传学奠基人之一，是一位杰出的科学家和教育家。中国遗传学第一人。新中国成立
2、后，他在复旦大学建立了中国第一个遗传学专业，创建了第一个遗传学研究所，组建了第一个生命科学学院，并担任中国特大型综合性辞典大辞海的副主编。,80年代初，发达国家来我国采血进行基因的研究，造成基因资源的流失安徽安庆地区的农村作为采集点，是因为类似地区人口流动性小，血缘关系相对稳定，服用药物较少。 从村民的家谱推断，当地人在本地有千余年的定居历史 所以美方研究机构认为他们的基因没有被“污染”，可以更方便地查出中国人的基因特征，是非常理想的破解东方人群基因密码的试验场,9.2 基因的本质,遗传物质的确定 1、肺炎双球菌转化实验 2、噬菌体感染实验（32P、35S）因此得出结论：DNA是遗传信息的载体
3、 极少数的病毒以RNA为遗传物质，如天花病毒、流感病毒等。,以上实验说明，加热杀死的S型细菌，在其细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞，并使R型细胞获得稳定的遗传性状。,格里菲斯的实验,1944年美国的埃弗雷(OAvery)、麦克利奥特(C. Macleod)及麦克卡蒂(MMccarty)等人在格里菲斯工作的基础上，对转化的本质进行了深入的研究（体外转化实验） 从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA、RNA、蛋白质、荚膜多糖等） 对各组分进行转化试验。,证明了转化因子（DNA）是遗传物质， 证实了蛋白质不是遗传物质。,35S标记的噬菌体蛋白质外壳在感染宿主菌细胞后，并未进入宿
4、主菌细胞内部而是留在细胞外面。 被32P标记的噬菌体感染宿主菌细胞后，测定宿主菌的同位素，发现32P主要集中在宿主菌细胞内。 所以噬菌体感染宿主菌细胞时进入细胞内的主要是DNA,原核生物DNA分子中有基因重叠现象真核生物DNA分子中普遍存在非编码顺序(内含子)编码的核苷酸顺序携带着遗传信息,ATGCCGAGTCAGACTACGA,GENE1,GENE2,插入顺序,编码区,DNA:ACGTGGCCAGCC,Thr,Trp,Pro,Ala,AA:,内含子,DNA分子的结构特征,基因、DNA、染色体的关系：,基因遗传的基本功能单位 DNA基因的载体 染色体DNA的载体,中心法则,描述DNA、RNA、
5、蛋白质三者关系的过程称为遗传信息的中心法则。,9.3 基因的表达功能,DNA的复制 RNA的转录 蛋白质的生物合成,9.3.1 DNA的复制,半保留复制 复制过程,1、半保留复制,当细胞分裂, DNA进行复制时，双螺旋结构解开而成为单链，用于合成新的互补链。子代细胞出现新的DNA双链，其中一股单链是从亲代完整地接受过来的。 另一股单链完全重新合成，且按碱基配对原则互补。,DNA半保留复制的证据,2、DNA复制过程,A、DNA双螺旋的解旋,拓扑异构酶 DNA解链酶 单链DNA结合蛋白,复制叉-复制开始后由于DNA双链解开，在两股单链上进行复制，形成在显微镜下可看到的叉状结构，称为复制叉,复制叉,
6、一条模板链为3 5前导链 一条模板链为5 3随后链,B、引发,DNA聚合酶合成方向5 3DNA聚合酶只能延长已存在的DNA链DNA复制时，先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物，再由DNA聚合酶从RNA引物3端开始合成新的DNA新链,5 3随后链形成冈崎片段冈崎用电子显微镜看到了DNA复制过程中出现一些不连续片段，这些不连续片段只存在与DNA复制叉上其中的一股。后来就把这些不连续的片段称为冈崎片段。随后链需要多个引物,C、冈崎片段 与半不连续复制,D、终止,由RNAH降解RNA引物并由DNA聚合酶将缺口补齐再由DNA连接酶将冈崎片段连在一起形成大分子DNA,3,真核生物染色体线性DN
7、A分子末端的结构作用： 保护染色体末端免受损伤，使染色体保持稳定 与核纤层相连，使染色体得以定位,3、真核生物的端粒,端粒本身没有任何密码功能，它就像一顶高帽子置于染色体头上。在新细胞中，细胞每分裂一次，染色体顶端的端粒就缩短一次，当端粒不能再缩短时，细胞就无法继续分裂了。这时候细胞也就到了普遍认为的分裂极限并开始死亡。因此，端粒被科学家们视为“生命时钟”。,生殖细胞和癌细胞内的染色体端粒是如何长时间不被缩短的原因：1984年，分子生物学家在对单细胞生物进行研究后，发现了一种能维持端粒长度的端粒酶，并揭示了它在人体内的奇特作用： 除了人类生殖细胞和部分体细胞外，端粒酶几乎对其他所有细胞不起作用
8、，但它却能维持癌细胞端粒的长度，使其无限制扩增。,复制过程中各种酶和蛋白质因子的作用,9.3.2 RNA的转录和加工,1、转录（不对称转录）,转录-生物体以DNA为模板合成RNA的过程转录所需的酶叫RNA聚合酶（依赖DNA的RNA聚合酶）RNA聚合酶合成方向为53,RNA聚合酶（转录酶）结合到DNA上，向前移动，使DNA双链渐渐解开 以其中具有转录活性的一条链（3 5）为模板，将游离的核苷酸单体AGCU按碱基互补原则合成RNA分子链 转录后的DNA区域又重新形成双螺旋结构,模板链,5,3,RNA聚合酶合成方向均为53方向,DNA上带有生物体的全部遗传信息，但生物体各种不同功能的细胞和组织是极其
9、复杂的，转录时只需转录那些分化细胞所需的信息。如：对红细胞，需要血红蛋白才能起到运送氧气的作用，因此必须从DNA上转录下血红蛋白基因。对胰岛细胞，需要转录的是指导合成胰岛素的基因。,复制和转录的异同点,相同点：1.都以DNA为模板2.原料为核苷酸3.合成方向均为53方向4.都需要依赖DNA的聚合酶5.遵守碱基互补配对规律6.产物为多聚核苷酸链,不同点,hnRNA（核不均一RNA）,2、转录后的修饰,A、真核生物mRNA前体的剪接,首、尾的修饰 5-端 加帽 (m7GpppApN)3-端 poly A尾巴的生成 断裂基因(split gene) 外显子(exon) 内含子(intron),B、原
10、核生物mRNA的特点,原核生物mRNA转录后不加工多顺反子转录： 几个结构基因转录在一条mRNA链上转录和翻译同时偶连， mRNA尚未转录完全，蛋白质合成就已开始，寿命短,1964年，Temin提出逆转录假设1970年， Temin和Batiomore同时分别从致癌的RNA病毒中发现逆转录酶,3、逆转录现象和逆转录酶,逆转录酶,逆转录活性 (RNA指导的DNA聚合酶)RNaseH 活性DNA聚合酶活性 (DNA指导的DNA聚合酶),mRNA-模板（半衰期短） tRNA-搬运工具 rRNA-构成核糖体作为蛋白质合成场所（含量最多）,9.3.3 蛋白质的生物合成,按细胞核中DNA指令，以mRNA为
11、模板，用tRNA为运载工具，在核糖体内把细胞质中氨基酸有序的排列起来的过程蛋白质的生物合成过程。此过程在遗传学上称为转译或翻译。,1、遗传密码,现已证明：自然界采用3个核苷酸作为一个密码子来编码一种氨基酸。 这种遗传密码又称为三联密码。（60年代破译）4种核苷酸语言 20种氨基酸语言,起始密码,Holley霍利、 Khorana科拉纳 Nirenberg尼伦伯格破译,三人因为在遗传密码(或称生命密码)方面的研究而获诺贝尔医学奖,1.读码连续性 2.简并性 3.摆动性 4.通用性 5.有起始子(AUG)和终止子(UAG,UAA,UGA),遗传密码的特点,2、 tRNA和氨基酰-tRNA,氨基酰-
12、tRNA合成酶具有绝对专一性,DNA双链 转录 翻译 均为反向互补,tRNA的3端CCA-OH是氨基酸的结合位点 tRNA的反密码子环与mRNA的密码配对,3、活化氨基酸的缩合,起动、延长、终止三个阶段 这三个阶段在原核生物和真核生物类似现以原核生物中的过程加以介绍,A、起动阶段： 30S起动复合物的形成： 30S-mRNA-fmet-tRNAfmet,起动因子： 原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。 在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合,SD序列,先形成mRNA-30S-IF3复合物 然后在IF1、IF2参与下,
13、mRNA-30S-IF3进一步与fmet-tRNAfmet 、GTP相结合，并释放IF3，形成30S起始复合物：,原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核蛋白体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。,70S起动复合体的形成： 50S大亚基与复合体结合， GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。 此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的P位（给位）。,B、肽链延长阶段：进位：与mRNA下一个密码相对应
14、的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。,成肽：在转肽酶的催化下，将P位上的tRNA所携带的肽酰基转移到A位(受位)上的氨基酰tRNA上，与其-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。P位上已失去肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。,移位：核蛋白体向mRNA的3-端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从A位移到P位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体的A位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。,C、肽链终止阶段：核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。
15、1识别：释放因子RF识别终止密码，进入核蛋白体的A位。2水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。 3解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。,多聚核糖体,在一条mRNA链上，多个核糖体呈串珠状排列（间隔80个核苷酸），多个核糖体同时在一条mRNA上进行翻译大大加速蛋白质合成的速度，提高了mRNA的利用率,蛋白质合成示意图,9.3.4 蛋白质的加工,切除N端的fMet或Met 形成二硫键 磷酸化 糖基化,原核生物：不能进一步加工 真核生物：内质网、高尔基体对蛋白质进一步加工,原核生物基因表达调控 真核生物基
16、因表达调控,9.4 基因表达调控,原核生物：转录水平 真核生物：转录、翻译等多层次水平,9.4.1 原核生物基因表达调控 操纵子学说, 操纵子原核基因表达的协同单位,操纵子,结构基因（编码蛋白质，S）,控制部位,操纵基因（operator, O）,启动子（premotor, P）,19601961年由雅各布（FJacob）和莫诺（JMonod）对E.coli研究基础上提出,调节基因,阻遏蛋白,启动子,操纵基因,大肠杆菌乳糖操纵子模型,葡萄糖效应（降解物阻遏）,大肠杆菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，细菌首先利用葡萄糖，不利用乳糖当葡萄糖消耗尽时，细菌经过一个停滞期，再在乳糖的诱导下产生乳糖
17、酶，并开始利用乳糖。对代谢降解物敏感的操纵子受到降解物的阻遏,乳糖操纵子的降解物阻遏,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CAP,O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,CAP：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）,使CAP呈失活状态,增强启动基因与RNA聚合酶的结合，增加mRNA转录活性,9.4.2 真核细胞基因表达调控,比原核细胞要精细的多，也复杂得多，是多层次的调控可发生在,DNA水平 转录水平最重要的调控 转录后加工 翻译水平 翻译后蛋白质的修饰,转录水平调控,增强子 转录因子 组蛋白修饰
18、DNA甲基化,增强子(enhancer),增强基因启动子工作效率的顺式作用序列(DNA序列)有效的增强子可以位于基因的5端，也可位于基因的3端，有的还可位于基因的内含子中。可使基因转录效率提高10200倍，甚至上千倍,沉默子,减弱或抑制启动子的活性,绝缘子(insulator)：,长约几百个核苷酸对 通常位于启动子同正调控元件(增强子)或负调控因子之间的一种调控序列绝缘子本身对基因的表达既没有正效应，也没有负效应，其作用只是不让其他调控元件对基因的活化效应或失活效应发生作用。,转录因子,能识别启动子、增强子或特定序列而调控基因表达的蛋白质。,组蛋白修饰,当核小体串珠盘绕成螺旋状时，染色质纤维呈
19、致密结构，因此DNA无法进行转录在核小体核心组蛋白的“尾巴”上存在着可被化学修饰的氨基酸当核小体核心组蛋白的“尾巴”发生高度乙酰化后，染色质纤维成疏松状态，使DNA易于转录,DNA甲基化,主要是胞嘧啶被甲基化，形成5-甲基胞嘧啶甲基化若发生于启动子附近，则抑制转录 只是暂时关闭基因转录,1、为什么DNA复制一定是从5 3? 2、癌细胞如何使其染色体端粒保持在一定长度上?,1、染色体的基本结构单位是（ ） A、端粒 B、核小体 C、染色体纤维 D、着丝粒2、下列对端粒描述不正确的是（） A、端粒的作用是保护染色体末端 B、端粒和核纤层相连，使染色体定位 C、正常细胞中端粒保持不变 D、癌细胞中端
20、粒保持不变,习题,3、最不稳定的RNA是（），细胞中数量最多的RNA是（） A、mRNA B、rRNA C、tRNA D、都可能4、关于DNA复制错误的说法是（） A、首先由拓扑异构酶解旋 B、形成复制叉 C、冈崎片段按 3端到5端复制 D、引物由RNA担任5、反密码子位于（ ）上 A、mRNA B、rRNA C、tRNA D、DNA,6、蛋白质的合成是直接以（）上的密码子的信息指导氨基酸单体合成多肽的过程 A、mRNA B、rRNA C、单链DNA D、双链DNA7、下列对遗传密码描述不正确的是（） A、最早的遗传密码是Matthei和Nirenberg破译的 B、遗传密码有三个起始密码 C
21、、遗传密码中第三位是易变的，称为“摆动” D、遗传密码有三个终止密码,8、下列对原核基因表达调控描述不正确的是 （ ） A、操纵子包括启动基因、操纵基因和结构基因 B、乳糖操纵子使大肠杆菌在乳糖和葡萄糖共存时优先利用葡萄糖 C、阻遏蛋白可以和结构基因结合，阻止结构基因的表达 D、乳糖可以和阻遏蛋白结合9、乳糖操纵子是（ ）中基因表达调控系统 A、原核生物 B、真核生物 C、原核生物和真核生物都有 D、植物10、操纵子模型中，调节基因的产物是（） A、诱导物 B、阻遏物 C、调节物 D、以上都是,11、真核生物基因的转录发生在 （ ）A、细胞核内 B、细胞质内C、细胞膜上 D、内质网上12、下列不属于真核细胞mRNA修饰的有 （ ）A、加5帽 B、加3帽 C、加5多聚A尾 D、加3多聚A尾,一条DNA编码链部分序列是： 5- TTACTAGTAGCATG- 3 请写出： (1)互补DNA链的序列； (2) DNA序列转录得到的mRNA序列。,
