第五章 遗传信息的传递

1. 第五章　遗传信息的传递 • 第一节　DNA的复制 • 第二节　DNA的转录 • 第三节　蛋白质的生物合成 • 第四节　基因表达调控

2. 第一节　DNA的复制 • 一、DNA复制的基本规律 • 二、DNA复制所需的酶和蛋白质 • 三、DNA复制的一般过程 • 四、原核生物和真核生物DNA的复制特点

3. 复制(replication) • 是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。 (dNMP)n+ dNTP → (dNMP)n+1+ PPi

4. 一、DNA复制的基本规律 • 1、半保留复制 　　一个双链DNA分子复制所产生的两个子代双链DNA分子，一条链是新合成的，另一条则来自亲代DNA分子，即子代保留了一条亲本链，因而这种复制方式称为半保留复制。 • 2、半不连续复制 DNA复制过程中，一条子链的复制是连续的，而另一条子链的复制是不连续的，这种复制方式称为半不连续复制。

5. 1、半保留复制 • 1953年Watson和Crick发表了DNA双螺旋结构模型，同年紧接着提出了DNA半保留复制的机理。 • 1958年，M. Meselson和F. Stahl用大肠杆菌设计精巧的实验证明了半保留复制模型的正确性。

6. The Meselson and Stahl experiment The Meselson and Stahl experiment to determine　the mode of DNA replication. The bands in the centrifuge tube　are visible under　ultraviolet light. The pattern of bands (left)　comes about from semiconservative DNA replication　(right) of　15N DNA (blue) replicating in a 14N medium (red).

7. 半保留复制的意义 • 复制的这种方式可保证亲代的遗传特征完整无误的传递给子代，体现了遗传的保守性。

8. 2、半不连续复制 • DNA复制过程中，新生子链的合成只能沿5’→3’进行。 • 以3’→ 5’模板链进行互补复制时，子链的复制方向与双链的解开方向一致，可持续合成而形成一条连续的互补链，称为前导链。 • 而以5’ → 3’模板链进行互补复制时，子链的复制方向与双链的解开方向相反，不能持续合成，而是先以5’ → 3’方向不连续合成许多小片段，称为冈崎片段，最后再由DNA连接酶将这些冈崎片段连接成一条完整的互补链，称为后随链。

9. Discontinuous model of DNA replication. Lagging-strand replication requires Okazaki fragments to form　going backward, away from the Y-junction.

10. 二、DNA复制所需的酶和蛋白质 • 1、DNA聚合酶(DNA polymerase) • 2、引发酶(primase) • 3、DNA连接酶(DNA ligase) • 4、拓扑异构酶(topoisomerase) • 5、解链酶(helicase) • 6、单链结合蛋白(single strand binding protein, SSB)

11. DNA聚合酶 • 共同特点是： • （1）需要提供合成模板； • （2）不能起始新的DNA链，必须要有引物提供3'－OH； • （3）合成的方向都是5‘→3’ • （4）除聚合DNA外还有其它功能。

12. E.coli 中的三种DNA多聚酶

13. 真核的DNA聚合酶 • 真核DNA的复制至少涉及5种复制酶， • 其中α、δ、ε参与染色体DNA的复制， • α有引物要求； • β负责DNA的修复 • γ的功能是线粒体DNA的复制。

14. 三、DNA复制的一般过程 • 1、 DNA复制的起始 • 2、DNA复制的延伸 • 3、DNA复制的终止

15. A　Summary of DNA Replication

16. 四、原核生物和真核生物DNA的复制特点 • 1、复制的起点和速率 　通常原核生物只有一个复制起点，而真核生物基因组中有很多个复制起点。 • 2、复制方式 　原核生物的染色体和质粒DNA都是环状分子，采用θ型复制或滚环复制；哺乳动物的线粒体DNA（环状DNA分子）采用D环复制方式，基因组DNA采用多复制泡线性复制。 • 3、真核生物染色体末端DNA的复制 端粒(telimere)与端粒酶(telomerase)

17. DNA Replication Models

18. DNA Replication Models

19. DNA Replication Models

20. 复制叉的结构

21. 真核生物端粒的复制 • 在真核生物，由端粒酶（telomerase）催化, 在真核线性DNA的末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成端粒（telomere）。

22. 端粒由成百个6个核苷酸的重复序列所组成（人为TTAGGG，四膜虫为TTGGGG）。 端粒由成百个6个核苷酸的重复序列所组成（人为TTAGGG，四膜虫为TTGGGG）。 • 端粒的功能为稳定染色体的末端结构，防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链5′-末端在消除RNA引物后造成的空缺。 • 复制可使端粒5′末端缩短，而端粒酶（telomerase）可外加重复单位到5′-末端上，结果使端粒维持一定的长度。

23. DNA复制的忠实性 • 在大肠杆菌DNA的复制中，每聚合10的9次方到10的10次方个碱基的才出现一个错误 • 1、碱基配对原则 • 2、引物RNA的作用 • 3、DNA聚合酶的校正阅读作用

24. 第二节　DNA的转录 • 一、DNA转录的基本特征 • 二、RNA聚合酶 • 三、基因转录的一般过程 • 四、mRNA的加工

25. Transcription is the process that synthesizes RNA from a DNA template

26. Visualizing transcription Image of DNA before (a) and after (b) E. coli RNA polymerase (bright oblong object in b) binds to a promoter. Pictures are by scanning force microscopy,a new laser technique that images molecules in water. Image sizes are 300 by 300 nm. Dark brown represents substrate level; the highest point is white at about 10 nm high. Intermediate colors represent intermediate heights.

27. DNA transcription Under the electron microscope Under the electron microscope, DNA molecules undergoing transcription exhibit Christmas-tree-like structures. The trunk of each “Christmas tree” (a transcription unit) represents a DNA molecule; the tree branches (granular strings attached to the DNA) are RNA molecules that have been transcribed from the DNA. As the transcription apparatus moves down the DNA, transcribing more of the template, the RNA molecules become longer and longer.

28. 一、DNA转录的基本特征 • 1、多数哺乳动物细胞中只有约1%的DNA序列最后被表达成为成熟的mRNA进入细胞质中，指导蛋白质的合成。 • 2、转录时只有一条链为模板，这条链称为模板链或反义链，而另一条与mRNA具有相同序列的DNA单链称为有意义链。 • 3、转录的底物是A\U\C\G，4种核糖核苷三磷酸 • 4、真核生物基因和rRNA、tRNA基因经转录生成的初级转录物一般都需经过加工，才能成为具有生物功能和成熟的RNA分子。 • ……

29. 二、RNA聚合酶 • RNA聚合酶最基本的活性是在RNA合成中指导rNTP底物与模板DNA碱基配对，催化磷酸二酯键的形成。

30. 三、基因转录的一般过程 • 1、转录的起始 • 2、转录的延伸 • 3、转录的终止 • 4、mRNA的加工

31. A transcription unit A transcription unit includes a promoter, an RNA-coding region, and a terminator.

32. (a) An RNA polymerase II　preinitiation　complex at a　promoter. TFIID binds　to the TATA box (red). The other transcription　factors are then recruited with the　polymerase. (b) Two　activators (yellow) are　shown bound at one end (their DNA　domains) to enhancers (blue and green)　upstream on the DNA. The activators are　bound at their other ends (their　transcriptional activation domains) to other　proteins associated with the　polymerase　machinery. 　hosphorylation of the　polymerase initiates activated transcription. 转录的起始

33. In transcription, nucleotides are always added to the 3end of the RNA molecule. 转录

34. 4、mRNA的加工 • 真核生物基因的初始转录产物一般缺乏生物活性，必须经过剪接加工后成为有活性的成熟mRNA分子，再从细胞核转移到细胞质内，指导蛋白质的合成。 • 主要包括：在mRNA的5‘末端加“帽子”，在3’端加上多聚腺苷酸(polyA)尾巴以及进行RNA的剪接等。

35. In eukaryotic DNA, intervening sequences, or introns, are removed from the RNA in the nucleus before the　mRNA is transported into the cytoplasm and translated. Other　modifications consist of splicing, 5capping, and 3　polyadenylation. mRNA的加工

36. Mature eukaryotic mRNA is produced when pre-mRNA istranscribed and undergoes several types of processing.

37. 第三节　蛋白质的生物合成 • 一、遗传密码 • 二、核糖体的结构和功能 • 三、蛋白质生物合成的过程 • 四、肽链的修饰 • 五、中心法则及其发展

38. Proteins serve a number of biologicalfunctions and are central to all living processes The light produced by fireflies is the result of a light-producing reaction between luciferin and ATP catalyzed by the enzyme luciferase.

39. Proteins serve a number of biologicalfunctions and are central to all living processes The protein fibroin is the major structural component of spider webs.

40. Proteins serve a number of biologicalfunctions and are central to all living processes Castor beans contain a highly toxic protein called ricin.

41. The genetic code consists of 64 codons and the amino acids specified by these codons. The codons are written 5→3, as they appear in the mRNA. AUG is an initiation codon; UAA, UAG, and UGA are termination codons. 一、遗传密码

42. 遗传密码 • 除甲硫氨酸和色氨酸对应一种密码子外，其它的氨基酸对应着一种以上的密码子，这种多种密码子编码同一氨基酸的现象称为密码的简并(degenecy)，编码相同氨基酸的密码子称为同义密码子(synonymous condon)。

43. 二、核糖体的结构和功能 • 核糖体是蛋白质合成的场所，在细菌细胞中其蛋白量和RNA量分别占总蛋白量和总RNA量的10%和80%. • 核糖体可分为翻译功能区和出口功能区，前者是肽链合成的场所，后者是多肽的出口，核糖体通过这个区域附着在膜上。

44. 三、蛋白质生物合成的过程 • 1、合成的起始 • 2、肽链的延伸 • 3、翻译的终止

45. The initiation of translation in bacterial cells requires several initiation factors and GTP.

46. The elongation oftranslation comprises three steps

47. Translation ends when a stop codon is encountered. Conclusion: When a stop codon is encountered, release factors associate with the ribosome and bring about the termination of translation.

48. 四、肽链的修饰 • 1、肽链中氨基酸残基的化学修饰 • 2、肽链N端甲硫氨酸或甲酰氨酸的切除 • 3、信号肽的切除 • 4、肽链的折叠 • 5、切除前体中功能不需要的肽段 • 6、二硫键的形成

49. 五、中心法则及其发展 • 20世纪40年代，汉墨林（J·Hammerling）和布拉舍（J·Brachet）分别发现伞藻和海胆卵细胞在除去细胞核之后，仍然能进行一段时间的蛋白质合成。这说明细胞质能进行蛋白质合成。 • 1955年李托菲尔德（Littlefield）和1959年麦克奎化（K·McQuillen）分别用小鼠和大肠杆菌为材料证明细胞质中的核糖体是蛋白质合成的场所。

50. 1955年，布拉舍用洋葱根尖和变形虫为材料进行实验，他用核糖核酸酶（RNA酶）分解细胞中的核糖核酸（RNA），蛋白质的合成就停止。而如果再加入从酵母中抽提的RNA，蛋白质的合成就有一定程度的恢复。1955年，布拉舍用洋葱根尖和变形虫为材料进行实验，他用核糖核酸酶（RNA酶）分解细胞中的核糖核酸（RNA），蛋白质的合成就停止。而如果再加入从酵母中抽提的RNA，蛋白质的合成就有一定程度的恢复。 • 同年，戈尔德斯坦（Goldstein）和普劳特（Plaut）观察到用放射性标记的RNA从细胞核转移到细胞质。因此，人们猜测RNA是DNA与蛋白质合成之间的信使。