遗传学

遗传学 Genetics 授课教师: 韩志平山西大同大学农学院 www.sxdtdx.edu.cn

第二章遗传的物质基础 • 第一节细胞的基本结构 • 第二节染色体的结构 • 第三节染色体在细胞分裂中的行为 • 第四节 DNA的结构 • 第五节 RNA的分子结构 • 第六节 DNA结构研究进展 www.sxdtdx.edu.cn

第四节 DNA的结构 • 遗传的物质基础及其结构是遗传学研究的关键问题。1944年，Avery通过细菌的转化试验，证明DNA是遗传物质；1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型。 • 1. DNA是遗传物质的证据 • （1）间接证据 • 19世纪末，Weismann就预言：遗传物质是具有特定分子结构的化合物。DNA具有遗传物质必须具备的3个基本特点：稳定性、连续性和多样性。 www.sxdtdx.edu.cn

①稳定性：同一物种的不同个体、同一个体的不同组织细胞中DNA含量恒定，而不同组织细胞中蛋白质含量变化很大；DNA在代谢上也很稳定，原子一旦被DNA摄取，在正常情况下不会离开，而蛋白质在形成的同时又不断分解。①稳定性：同一物种的不同个体、同一个体的不同组织细胞中DNA含量恒定，而不同组织细胞中蛋白质含量变化很大；DNA在代谢上也很稳定，原子一旦被DNA摄取，在正常情况下不会离开，而蛋白质在形成的同时又不断分解。 www.sxdtdx.edu.cn

②连续性：DNA可自我复制，并向后代准确传递，生殖细胞DNA含量正好是体细胞的一半，受精后又恢复到体细胞一样的水平，蛋白质在不同细胞中含量和种类变化都很大。②连续性：DNA可自我复制，并向后代准确传递，生殖细胞DNA含量正好是体细胞的一半，受精后又恢复到体细胞一样的水平，蛋白质在不同细胞中含量和种类变化都很大。 www.sxdtdx.edu.cn

③多样性：DNA由A、G、C、T 4种碱基组成，一条由n个碱基组成的DNA链有4n种排列方式，数目极大；DNA还可发生变异，每个碱基的变化都会使其代表的信息发生变化。 www.sxdtdx.edu.cn

（2）直接证据 • ①肺炎双球菌的转化实验 • 肺炎双球菌(Diplococcus pneumoniae)有两种类型：一是光滑型(S型)：细胞外有一层多糖荚膜，具有致病性，能在琼脂培养基上形成光滑的菌落；二是粗糙型(R型)：细胞外无多糖荚膜，没有毒性，形成粗糙的菌落。 • S型和R型都有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等品系。S型与R型在一般情况下不发生互变。 www.sxdtdx.edu.cn

A.Griffith的肺炎双球菌定向转化实验 • 1928年，Griffith等将加热灭活的SⅢ型菌液和活的RⅡ型菌液分别注射小白鼠，都不致死；但将加热灭活的SⅢ型菌液与活的RⅡ型菌液混合后注射小白鼠，结果都死亡，并在死亡小白鼠体内分离到大量活的SⅢ型细菌。 • 实验说明：加热灭活的SⅢ型菌液中含有某种活性物质，能使RⅡ型转变为SⅢ型，这种现象称为转化(transformation)。 www.sxdtdx.edu.cn

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B. Avery的单因子转化实验 • 1944年，Avery等在体外重复了Griffith等的实验：将SⅢ型的提取物与活的RⅡ型混合在一起，离体培养使少数RⅡ型定向转化为SⅢ型；将这种细菌分离出来繁殖，其后代不但具有荚膜而有毒，其提取物质也具有使RⅡ型转化为SⅢ型的能力。 www.sxdtdx.edu.cn

Avery等还用生化方法证明这种转化因子是DNA：将SⅢ型细菌杀死，分离出DNA、RNA、蛋白质和多糖荚膜，分别加入RⅡ型菌中，培养后仅加DNA的RⅡ型菌发生了转化，产生了RⅡ型和SⅢ型细菌；同时用蛋白酶、多糖酶、DNA酶和RNA酶处理SIII型菌的提取物，只有用DNA酶处理时不能发生转化，其他酶处理都不影响提取物的转化活性。Avery等还用生化方法证明这种转化因子是DNA：将SⅢ型细菌杀死，分离出DNA、RNA、蛋白质和多糖荚膜，分别加入RⅡ型菌中，培养后仅加DNA的RⅡ型菌发生了转化，产生了RⅡ型和SⅢ型细菌；同时用蛋白酶、多糖酶、DNA酶和RNA酶处理SIII型菌的提取物，只有用DNA酶处理时不能发生转化，其他酶处理都不影响提取物的转化活性。 • 实验首次证明：转化因子是DNA，DNA是遗传物质。 www.sxdtdx.edu.cn

体外单因子转化正实验 www.sxdtdx.edu.cn

②Hershey和Chase的噬菌体感染实验 • 噬菌体(bacteriophage)结构十分简单，由蛋白质外壳和核酸组成，其中蛋白质是唯一含S的物质，DNA是唯一含P的物质。 • 噬菌体能利用大肠杆菌(E. coli)合成DNA和蛋白质的材料来合成自己的DNA和蛋白质，组装形成完整的子代噬菌体。 www.sxdtdx.edu.cn

1952年，Hershey和Chase用同位素32P和35S分别标记T2噬菌体并使其繁殖，再用标记噬菌体去感染无放射性的E. coli，培养10 min后用搅拌器甩掉细菌表面的噬菌体。结果： • 35S标记下，80%的放射性活性见于被甩掉的外壳中，细菌内只有20%，且不能传递给子代； • 32P标记下，70%的放射性活性见于细菌内，被甩掉的外壳中只有30%，并可传递给子代。 • 实验证明：遗传物质是DNA，不是蛋白质。 www.sxdtdx.edu.cn

③烟草花叶病毒的重建实验 • 有些病毒只含有RNA而没有DNA。烟草花叶病毒(Tobacco mosaic virus, TMV)是由蛋白质外壳和RNA核心组成的管状病毒，不含DNA。 www.sxdtdx.edu.cn

1957年，Fraenkel-Conrat和Singer将两种不同的TMV株系（S系和HR系）的蛋白质外壳和RNA核心分别提取出来，相互对换后重建形成两种杂种病毒，再去感染烟草叶片。结果：叶片上产生的病斑形态与杂种TMV的RNA一致，而与蛋白质无关。实验证明：病斑的遗传是由RNA决定的，在不含DNA的病毒中，RNA是遗传物质。1957年，Fraenkel-Conrat和Singer将两种不同的TMV株系（S系和HR系）的蛋白质外壳和RNA核心分别提取出来，相互对换后重建形成两种杂种病毒，再去感染烟草叶片。结果：叶片上产生的病斑形态与杂种TMV的RNA一致，而与蛋白质无关。实验证明：病斑的遗传是由RNA决定的，在不含DNA的病毒中，RNA是遗传物质。 www.sxdtdx.edu.cn

2. DNA的化学组成 • 核酸是以核苷酸为基本结构单位的高分子多聚化合物，每个核苷酸都由五碳糖、磷酸和含氮碱基3部分组成，核苷酸之间由磷酸二脂键相连。 www.sxdtdx.edu.cn

含氮碱基共有5种：两种双环结构的嘌呤（A、G）和三种单环结构的嘧啶（C、T、U）。含氮碱基共有5种：两种双环结构的嘌呤（A、G）和三种单环结构的嘧啶（C、T、U）。 www.sxdtdx.edu.cn

含氮碱基的分子结构模式 www.sxdtdx.edu.cn

核酸有两种：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。核酸有两种：核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。 • RNA与DNA的区别：①以U代替了T；②用核糖代替了脱氧核糖；③DNA通常是双链，RNA多为单链；④DNA的碱基组成具有A/T=G/C=1的特点，RNA一般无此特点；⑤真核生物DNA主要存在于核内染色体上，少量存在于叶绿体和线粒体中；RNA在细胞核和细胞质中都有，核内主要集中在核仁上，少量在染色体上。 www.sxdtdx.edu.cn

核酸分子的化学组成 www.sxdtdx.edu.cn

Wilkins • 3. DNA的双螺旋结构模型 • 1953年，Watson和Crick根据Chargaff提出的DNA分子碱基互补配对规律及Wilkins和Franklin拍摄的DNA结晶X射线衍射照片，提出了著名的DNA双螺旋结构模型(Double helix structure model of DNA)。 www.sxdtdx.edu.cn

DNA双螺旋结构模型的主要特点 • ①DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成，形成右手双螺旋； • ②双螺旋直径是2 nm，相邻两个碱基对的距离是0.34 nm，每个螺旋有10bp，螺距为3.4 nm； • ③糖-磷酸键在双螺旋的外侧，碱基对通过氢键相连，碱基对的平面与轴线垂直； • ④糖与附着在糖上的碱基近于垂直； • ⑤碱基配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶； • ⑥双螺旋表面有大沟和小沟交替出现。 www.sxdtdx.edu.cn

DNA双螺旋结构模型 • DNA双螺旋结构模型为DNA的半保留复制奠定了基础。 www.sxdtdx.edu.cn

DNA的半保留复制 • 1953年，Watson和Crick又提出了DNA半保留复制模型(semi-conservative replication)：DNA从其双链一端的氢键断开，以拆开的两条单链为模板，以游离核苷酸为原料，在一些聚合酶催化下，通过碱基间氢键配对方式连接起来，各自形成一条新的互补链，并与原来的模板链盘旋在一起，形成两个新的DNA分子，都保留有亲本DNA双链的其中一条单链。 www.sxdtdx.edu.cn

第五节 RNA的分子结构 • RNA的一级结构：RNA单链中核糖核苷酸的排列顺序； • RNA的二级结构：RNA分子的多核苷酸单链可以在某些部分弯曲折叠，形成局部双螺旋结构； • RNA三级结构：在二级结构的基础上进一步弯曲折叠形成的结构。 www.sxdtdx.edu.cn

根据其结构和功能，RNA分子可分为三种类型： • 1. tRNA分子 • tRNA是分子量最小的RNA，占RNA总量的16%。 • 主要功能：转运活化了的氨基酸，参与蛋白质的生物合成。 • 各种tRNA的二级结构都呈三叶草形，主要特征： • ①氨基酸臂的3’末端是CCA-OH序列，可与氨基酸连接； • ②有一个富含鸟嘌呤的二氢假尿嘧啶环（D环）； • ③有一个反密码子环，其顶端为3个暴露的碱基，可识别mRNA分子上的密码子； • ④有一个胸腺假尿嘧啶环(TψC环)，与结合核糖体有关； • ⑤有的tRNA还存在额外环。 www.sxdtdx.edu.cn

tRNA的倒L形三级结构 www.sxdtdx.edu.cn

2. mRNA • mRNA含量最少，约占RNA总量的2%。 • 生物功能：传递DNA的遗传信息，指导蛋白质的生物合成。 • 真核生物mRNA一级结构的特点： • ①3’端有一个多聚腺苷酸(polyA)尾巴，功能：增加mRNA的稳定性，提高mRNA翻译蛋白质的效率； • ②5’端有一个7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸(m7Gppp)的帽子，功能：防止被RNA酶降解，帮助识别翻译的起始位置。 www.sxdtdx.edu.cn

核不均一RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)：真核细胞核内合成的mRNA初级产物，含有大量非编码序列，只有在核内经过加工、剪接成为成熟的mRNA，才能运出细胞核最后翻译为蛋白质。 www.sxdtdx.edu.cn

原核生物核糖体的组装 • 3. rRNA • rRNA是含量最多的RNA，约占RNA总量的82%。 • 主要功能：与多种蛋白质结合形成核糖体，作为蛋白质生物合成的装配机。 • 原核生物的rRNA：5S rRNA、16S rRNA、23S rRNA等3种；真核生物的rRNA：5S rRNA、5.8S rRNA、18S rRNA、28S rRNA等4种。 www.sxdtdx.edu.cn

原核生物和真核生物的核糖体均由大小两个亚基组成。原核生物和真核生物的核糖体均由大小两个亚基组成。 • 小亚基的功能：识别mRNA上起始密码AUG，并与起始密码结合成复合体；大亚基的功能：提供肽链转移酶，为肽链延长提供受体部位和供体部位。 www.sxdtdx.edu.cn

RNA的转录 • RNA的转录过程可分为三步：转录起始、链的延伸、链的终止和释放。 www.sxdtdx.edu.cn

原核生物与真核生物mRNA合成过程的比较 www.sxdtdx.edu.cn

真核生物mRNA在转录后的加工 www.sxdtdx.edu.cn

第六节 DNA结构研究进展 • 1.DNA构型的变异 • 已知有3种不同构象DNA双螺旋： • （1）B-form：即Watson-Crick右手双螺旋DNA，是正常生理条件下绝大多数DNA的构象，在一定条件下可转变成其他构象。 • B-DNA每转一圈是10.4 bp。 www.sxdtdx.edu.cn

（2）A-form：也是右手双螺旋，是在高盐或脱水状态下的构象，每转一圈11bp，大沟深而窄，小沟宽而浅。（2）A-form：也是右手双螺旋，是在高盐或脱水状态下的构象，每转一圈11bp，大沟深而窄，小沟宽而浅。 • 细胞内DNA-RNA或RNA-RNA双链结构与A-DNA构型非常相似。 www.sxdtdx.edu.cn

（3）Z-form：1979年，Rich用X射线衍射法分析人工合成的DNA片段时发现的一种左手螺旋结构。结构特点：（3）Z-form：1979年，Rich用X射线衍射法分析人工合成的DNA片段时发现的一种左手螺旋结构。结构特点： • 两条链反向平行，每个螺旋约12 bp，螺距4.5 nm，直径1.8 nm；富含G-C，C的糖环呈反式构象，但G的糖环呈顺式构象；C与G交替排列，使核糖磷酸骨架呈“Zig-Zag”走向，故称Z-DNA；小沟深而窄，大沟推到表面不再成沟。 www.sxdtdx.edu.cn

DNA的三种构象 www.sxdtdx.edu.cn

H-DNA • 2. 三链DNA • 1957年，Felsenfeld等发现当双链核酸的一条链都为嘌呤核苷酸、另一条链都为嘧啶核苷酸时会转化为三链核酸结构；1987年，Mirkin等发现了DNA的三螺旋结构，称为绞链DNA（Hinged DNA）。 www.sxdtdx.edu.cn

三链DNA的基本结构类型：嘧啶-嘌呤-嘧啶型和嘌呤-嘌呤-嘧啶型。三链DNA的基本结构类型：嘧啶-嘌呤-嘧啶型和嘌呤-嘌呤-嘧啶型。 www.sxdtdx.edu.cn

遗 传 学

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