第三章 遗传信息的传递

1. 第三章 遗传信息的传递 • DNA的复制 • DNA的转录 • 蛋白质的生物合成 • 基因的结构特征 • 基因表达调控

2. 第一节 DNA的复制 • DNA的复制：指以亲代DNA分子为模板合成一个新的与亲代模板结构相同的子代DNA分子的过程。 • 复制叉 • 细菌DNA复制 • 真核生物DNA复制

3. DNA半保留复制

4. DNA半保留复制实验（M. Meselson和F. Stahl，1958年 ）

5. DNA的半不连续复制

6. DNA复制所需的酶和蛋白质 • DNA聚合酶 • 引发酶 • 引发DNA合成的起始 • DNA连接酶 • 将冈崎片段连接合成一条完整的互补链 • 拓扑异构酶 • 将单、双链的线状或环状DNA分子进行扑交换的一种酶，拓扑异构酶Ⅰ、拓扑异构酶Ⅱ • 解链酶 • DNA双分子解开作为复制的模板 • 单链结合蛋白 • 与解链的DNA 单链结合，使其不回复双链状态，且保护DNA不被水解

7. DNA聚合酶 • 原核生物DNA聚合酶 • DNA聚合酶Ⅰ（Kornberg酶）： 5’→ 3’聚合酶活性 3’→5’外切酶活性 5’→ 3’外切酶活性 • DNA聚合酶Ⅲ 5’→ 3’聚合酶活性 3’→5’外切酶活性

8. 真核生物DNA聚合酶

9. 三、DNA复制一般过程

10. 四 原核生物和真核生物DNA的复制特点 • 复制的起点和速率 • 原核生物只有一个复制起点，真核生物的染色体具有多个复制起点 • 在原核生物中，第一轮复制尚未结束前，第二轮复制又从复制起点开始了；真核生物，第一轮复制结束后第二轮才开始，原核生物复制起点可以连续发动复制，真核生物则不能 • 原核生物与真核生物均为双向复制

11. 四 原核生物和真核生物DNA合成的区别

12. 第二节 DNA的转录 • 转录是以DNA为模板，在RNA聚合酶的作用下合成RNA的过程 • 转录起始 • RNA链的延伸 • RNA链的合成终止及释放

13. RNA聚合酶 • 大肠杆菌RNA聚合酶 • 真核生物RNA聚合酶

14. 大肠杆菌RNA聚合酶 • α(2) • β核心酶 • 全酶β’ • σ:无催化作用，识别启动子，参与转录的起始 • 功能 • 选择模板链，识别起始区的启动子 • 解开DNA部分双螺旋链，产生长约17bp的单链DNA模板 • 选择正确的rNTP底物并催化形成磷酸二酯键，使合成的RNA链不断延伸 • 能识别转录终止信号（termination signal），停止转录

15. 真核生物RNA聚合酶

16. 基因转录的一般过程

17. 真核生物mRNA的加工（自学） • mRNA5’端加帽 • mRNA3’端加多聚腺苷酸(polyA) • mRNA的剪接

18. 第三节 蛋白质的生物合成 • 翻译(translation)：从DNA到蛋白质的遗传信息传递过程中，贮存于DNA中的遗传信息通过转录表达为mRNA中的核苷酸序列信息，再从mRNA上的核苷酸到多肽链上的氨基酸，遗传信息的传递好象从一种语言到另一种语言，因此将蛋白质合成的过程称为翻译。 • 蛋白质合成的主要元件 • 核糖体：核糖体是蛋白质的合成场所 • mRNA：携带遗传信息，蛋白质合成的直接模板 • tRNA：负责转运特异性氨基酸进行蛋白质生物合成

19. 遗传密码 mRNA与蛋白质之间的关系是通过遗传密码的翻译实现的 ，每3个相邻核苷酸组成1个三联体密码，编码一种氨基酸 • 三联体 • 连续性 • 通用性 • 兼并性 • 起始密码：AUG • 终止密码：UAA、UAG、UGA

21. 核糖体的结构和功能 • 真核生物核糖体：60S、40S • 原核生物核糖体：50S、30S • 核糖体是蛋白质合成的场所 • 翻译功能区：肽链合成的场所，占据了核糖体的2/3 • mRNA结合位点 • 肽基tRNA和甲酰甲硫氨酸tRNA结合位点(P位点) • 氨酰tRNA结合位点(A位点) • 肽链延伸辅助因子EF-Tu和EF-G的结合位点，EF-Tu起着协助氨酰tRNA进入核糖体的作用，而EF-G负责核糖体的转位反应 • 肽基转移酶活性位点，肽基转移酶负责在肽链合成中将位于P位点的肽基tRNA的肽链转移到位于A位点的氨酰tRNA上 • 5SrRNA结合位点以及结合脱酰tRNA的E位点等 • 出口功能区(exit domain):多肽的出口，核糖体通过这个区域附着在膜上

22. 蛋白质生物合成的过程 • 合成的起始：核糖体大小亚基、tRNA和mRNA在起始因子的协助下组合成起始复合物的过程 • 肽链的延伸 • 进位：氨基酰-tRNA进入核糖体的A位 • 肽链形成：氨基酰-tRNA进位后，在转肽酶的催化下，P位的肽基-tRNA的肽链转移到A位的氨基酰- tRN A的氨基上，从而形成肽键 • 移位：肽键形成后，核糖体沿mRNA向3’方向移动一个密码子的距离。 • 翻译的终止：终止密码子进入A位，标志着翻译的结束

23. 蛋白质生物合成的过程

24. 中 心 法 则

25. 第四节 基因的结构特征 • 基因的概念发展 • 基因的一般结构特征 • 真核生物基因组的特点

26. 基因的概念发展 • 基因概念的演变 • 1865年，孟德尔，颗粒性遗传因子 • 1909年， Johannsen，更名为“基因” • 1910， Morgan等，基因存在于染色体上，线性排列 • 1926年，Morgan等,“三位一体”：结构单位、功能单位、突变单位和交换单位 • Avery （1944年）、Hershey和Chase （1952年）证明DNA是遗传物质

27. 基因功能的研究 • 1908年，Garrod：one mutant gene-one metabolic block， Early evidence that enzymes are controlled by genes • 1941年，Beadle and Tatam: One gene-one enzyme • One gene-one polypeptide • The products of gene are protein, tRNA and rRNA

28. 基因精细结构的研究 • 1957年，Benzer：顺反子学说，基因是DNA分子上一个决定一条多肽链的完整功能单位，内部是可分的，包含多个突变和重组单位。 • 1961年，Jacob等：操纵子模型学说，功能上相关的结构基因在染色体上往往紧密联系在一起 • 1977年，Sharp等发现断裂基因 • 1978年，Sanger发现了重叠基因

29. 现代基因的概念 • 基因：是有功能的DNA片段，含有合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遗传的结构和功能单位。

30. 基因的一般结构特征 • 外显子和内含子 • 信号肽序列 • 侧翼序列和调控序列

31. 基因的一般结构特征 （一）外显子和内含子 • 原核生物的基因是DNA分子的一个片段，连续编码；真核生物的结构编码序列往往是不连续的，被非编码序列隔开。编码序列称为外显子，非编码序列称为内含子。 • GT-AG法则：每个内含子的5’端起始的两个核苷酸都是GT，3’端末尾的两个核苷酸都是AG，这就是RNA剪接的信号，这种接头形式被称之为GT-AG法则。 • 开放阅读框(open reading frame) ：结构基因内从起始密码子开始到终止密码子的一段核苷酸区域，其间不存在任何终止密码，可编码完整的多肽链，这一区域被称为开放阅读框。

32. 基因的一般结构特征 （二）信号肽序列 在分泌蛋白基因的编码序列中，起始密码子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列(Signal peptide sequence)。它所编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。

33. 基因的一般结构特征 （三）侧翼序列和调控序列 • 侧翼序列(flanking sequence)：每个结构基因在第一个和最后一个外显子的外侧，都有一段不被转录的非编码区。 • 5 ’非翻译区（5’-untranslated region 5’-UTR）：从转录起始位点至起始密码子的一段非翻译区。 • 3’非翻译区（3’-untranslated region 3’-UTR）：从终子密码子至转录终止的一段非翻译区。 • 调控序列(regulator sequence)，对基因的有效表达起着调控作用的特殊序列，包括启动子，增强子，终止子，核糖体结合位点，加帽和加尾信号等。

34. 调控序列 • 启动子：是指准确而有效地启始基因转录所需的一段特异的核苷酸序列。TATA框、CAAT框、GC框 • 增强子和沉默子 • 增强子：使启动子发动转录的能力加强，具有组织特异性和细胞特异性。 • 沉默子：是另一种与基因表达有关的调控序列，通过与蛋白的结合，对转录起阻抑作用。 • 终止子 ：一段位于基因3’端非编码区中与终止转录过程有关的序列，它由一段富含GC碱基的颠倒重复序列以及寡聚T组成，是RNA聚合酶停止工作的信号。 • 加尾信号 真核生物mRNA的3’端都有一段多聚A尾巴(polyA tail)，它不是由基因编码，而是在转录后通过多聚腺苷酸聚合酶作用加到mRNA上的。这个加尾过程受基因3’端非编码区中一种叫做加尾信号序列的控制。 • 核糖体结合位点 在原核生物基因翻译起始位点周围有一组特殊的序列，控制着基因的翻译过程，SD序列是其中主要的一种。

35. Genestructure (a) Typical prokaryotic gene

36. 真核生物基因的一般结构示意图

37. Gene structure (b)Typical eukaryotic gene

38. 三、真核生物基因组的特点 • 基因组与C值 • 单一序列 • 重复序列 • 高度重复序列 • 中度重复序列 • 基因家族和假基因

39. （一）基因组与C值 • 基因组(Genome)：一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。 • C值(C value)：该物种的每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量是特异的，被称为C值。不同物种的C值差异极大。

40. （二）单一序列 • 单一序列(unique sequence)又称非重复序列(nonrepetitive sequence)，指在基因组中只有一个或几个拷贝的DNA序列。 • 原核生物除了短片段的反向重复序列以及18S，28S，5S rRNA和tRNA基因外，皆为单一序列 • 真核生物单一序列所占的比例为40%-70%，动物基因组中将近50%DNA是单一序列，真核基因组中大多数结构基因是单拷贝的，如果蝇的α4-微管蛋白(tubulin)基因，鸡的α2I型胶原蛋白(collagen)基因，卵清蛋白基因以及蚕的丝心蛋白，血红蛋白和珠蛋白基因等

41. （三）重复序列 • 中度重复序列中度重复序列在真核生物基因组中占25%-40%，分散地分布于整个基因组的不同部位。根据重复单位的片段长度和拷贝数的不同，中度重复序列可分为二种类型：短分散重复序列(SINEs)，长分散重复序列(LINEs)。 • SINEs的重复单位的长度为300-500bp，拷贝数可达105以上。如Alu家族(Alu family)是人类及哺乳动物基因组中十分典型的短分散重复序列 • LINEs的重复单位长度为5000-7000bp，重复次数为102-105次。例如人类的Kpn I家族(Kpn I family)和哺乳动物的LINE1家族。

42. 2．高度重复序列 • 高度重复序列：就是在基因组中存在大量拷贝的序列，其重复次数高达106-108。 （通常这些序列是由很短的碱基组成的，长度为2-200bp。 • 卫星DNA(satellite DNA)：有些高度重复序列常含有异常高或低的GC含量，当基因组DNA被切断成数百个碱基对的片段进行氯化铯密度梯度超离心时，这些重复序列片段常在主要DNA带的前面或后面形成一个次要的DNA区带，这些小的区带就象卫星一样围绕着DNA主带。 • 可变数目串联重复序列(variable number tandem repeats，VNTR)：在卫星DNA中有一类以少数核苷酸为单位多次串联重复的DNA序列，以6-25个核苷酸为核心序列(core sequence)的串联重复序列称为小卫星DNA，以2-6个核苷酸串联重复序列称为微卫星DNA。

43. 小鼠DNA经CsCl密度梯度离心显示出主带和卫星DNA带小鼠DNA经CsCl密度梯度离心显示出主带和卫星DNA带

44. （四）基因家族和假基因 • 基因家族(gene family):真核生物基因组中有许多来源相同，结构相似，功能相关的基因，一组基因称为一个基因家族。 • 基因簇(gene cluster)：一个基因家族的基因成员紧密连锁，成簇状集中排列在同一条染色体的某一区域。 • 假基因(pseudogene) ：在多基因家族中，某些成员并不产生有功能的基因产物，但在结构和DNA序列上与相应的活性基因具有相似性。 • 例如α珠蛋白基因簇中有假基因ψα和ψξ，其中一个是由于移码突变或者终止密码子突变而不能表达，而且缺少两个内含子；另一个假基因由于碱基突变不能产生有功能的蛋白质。

45. 基因作用与性状表达 基因（DNA） 转录 mRNA 翻译 蛋白质酶（蛋白质） （直接）某种物质 性状表达（可见） （间接）

47. 第五节 基因表达的调控 原核生物基因调控的模式 真核生物的基因调控

48. 我们可以把某种生物的遗传密码比作一本密码字典，每个细胞都有这本字典。每个细胞中的密码并不全部译出，而是各取所需，不同细胞密码不同，同一细胞在不同的发育时期也译出不同的密码我们可以把某种生物的遗传密码比作一本密码字典，每个细胞都有这本字典。每个细胞中的密码并不全部译出，而是各取所需，不同细胞密码不同，同一细胞在不同的发育时期也译出不同的密码

49. 基因作用的调控机理相当复杂，原核生物有原核生物调控模式，真核生物有真核生物的调控模式。基因作用的调控机理相当复杂，原核生物有原核生物调控模式，真核生物有真核生物的调控模式。

50. 原核生物基因调控的模式 以大肠杆菌为例 能利用乳糖作为唯一碳源