第十二章 遗传信息的传递与表达

1. 第十二章 遗传信息的传递与表达 • 生物的遗传信息是以 DNA 的碱基顺序形式储存在细胞之中，而生物遗传信息最终要以蛋白质的形式表现出来。 • 生物机体的遗传信息以密码由亲代传递给子代。在子代的生长发育过程中，遗传信息自DNA转录给RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使子代表现出与亲代相似的遗传性状。

2. 中心法则 • 在遗传信息传递过程中，以原来DNA分子为模板合成出相同分子的过程称为复制(Replication)。 • 生物的遗传信息从 DNA传递给mRNA的过程称为转录(Transcription)。 • 根据mRNA链上的遗传信息合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程，被称为翻译(Translation)和表达(Expression)。

3. 在某些情况下RNA也可以是遗传信息的基本携带者，例如RNA病毒能以自身核酸分子为模板进行复制。在某些情况下RNA也可以是遗传信息的基本携带者，例如RNA病毒能以自身核酸分子为模板进行复制。 致癌RNA病毒还能通过逆转录(Reverse transcription)的方式将遗传信息传递给DNA。 1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。

4. 第一节 DNA的复制 • DNA是遗传信息的载体，在遗传信息传递过程中，决定其结构特异性的遗传信息只能来自DNA本身，因此必须由原来存在的分子为模板来合成新的分子，即进行自我复制。DNA的双链结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。 • 生物遗传，实际上是通过亲代DNA传给子代的过程。因此DNA复制是保持生物种群遗传性状稳定性的基本分子机制，是DNA最重要的生物功能之一。

5. 一、DNA复制过程有关的酶 • 在DNA聚合酶催化下，DNA由 四种脱氧核糖核苷三磷酸dATP、dGTP、dCTP和dTTP聚合而成。在Mg2+存在下，DNA聚合酶催化下脱氧核糖核苷酸被加到DNA链的末端，同时释放出无机焦磷酸。 • 与DNA聚合反应有关的酶包括多种DNA聚合酶、DNA连接酶、拓扑异构酶及解螺旋酶等。

6. 1，DNA聚合酶 • DNA聚合酶催化脱氧核糖核苷三磷酸的游离3′−羟基与脱氧核糖核苷三磷酸5′−磷酸之间形成3′,5′−磷酸二酯键并脱下焦磷酸。所需要的能量来自-与-磷酸基之间高能键的裂解。DNA链由5′向3′方向延长。DNA聚合酶需要互补与DNA模板的小段RNA作引物。

7. (1)大肠杆菌DNA聚合酶 • 大肠杆菌中共含有三种不同的DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶I、II和III。DNA聚合酶I、II和III均具有5′→3′聚合酶活性和3′→5′核酸外切酶活性。 • 在正常聚合条件下，3′→5′外切酶活力受到抑制；若一旦出现错配碱基时，聚合反应立即停止，由3′→5′外切酶迅速除去错误进入的核苷酸，然后聚合反应才得以继续进行下去。3′→5′核酸外切酶活力被认为起着校对的功能，它能够纠正聚合过程中碱基的错配。

8. 大肠杆菌DNA聚合酶I的活性中心

9. 大肠杆菌DNA聚合酶I的5′→3′核酸外切酶活力 • DNA聚合酶I尚具有5′→3′核酸外切酶活力，它只作用于双链DNA的碱基配对部分。从5′末端水解下核苷酸或寡核苷酸。

10. (2)真核生物的DNA聚合酶 • 在真核生物中存在五种DNA聚合酶，分别以α、β、γ、δ和ε来命名。它们的基本特性与大肠杆菌DNA聚合酶相似均以四种脱氧核糖核苷三磷酸为底物，需Mg2+激活，聚合时必须有模板和3′-OH末端的引物链存在，链的延长方向为5′→3′。 • DNA聚合酶不能以完整的双链DNA作为模板；将DNA经脱氧核糖核酸酶处理后形成切口或缺口即能成为有效的模板。但是，真核生物的DNA聚合酶本身往往不具有核酸外切酶活力，可能由另外的酶在DNA复制中起校正作用。

11. 2，DNA连接酶（ligase） • DNA聚合酶只能催化多核苷酸链的延长反应，不能使链之间连接。而DNA连接酶(DNA ligase)能催化双链DNA切口处的5′磷酸基和3′羟基生成磷酸二酯键。大肠杆菌和其他细菌的DNA连接酶以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)作为能量来源；动物细胞和噬菌体的连接酶则以腺苷三磷酸(ATP)作为能量来源。

12. 反应分三步进行。首先由NAD或ATP与酶反应，形成腺苷酰化的酶(酶-AMP复合物)，其中AMP的磷酸基与酶的赖氨酸的ε-氨基以磷酰胺键相结合。然后酶将AMP转移给DNA切口处的5′磷酸，以焦磷酸键的形式活化，形成AP-P-DNA。然后通过相邻链的3′OH对活化的磷原子发生亲核攻击，生成3′,5′磷酸二酯键，同时释放出AMP反应分三步进行。首先由NAD或ATP与酶反应，形成腺苷酰化的酶(酶-AMP复合物)，其中AMP的磷酸基与酶的赖氨酸的ε-氨基以磷酰胺键相结合。然后酶将AMP转移给DNA切口处的5′磷酸，以焦磷酸键的形式活化，形成AP-P-DNA。然后通过相邻链的3′OH对活化的磷原子发生亲核攻击，生成3′,5′磷酸二酯键，同时释放出AMP

13. 3，DNA引物酶 • DNA新链合成前需要先合成一段与DNA模板互补、约 7～10个核苷酸的RNA引物，合成的方向也是 5′→3′走向，然后DNA聚合酶根据碱基配对的原则，从RNA引物的 3′OH端开始合成新的DNA链。催化RNA引物合成的酶称为DNA引物酶 (primase)。 • 真核细胞DNA引物酶由 分子量58 000和 49 000 的两个亚单位组成。DNA引物酶和DNA多聚酶α紧密结合成一个复合体。

14. 4，与DNA解旋和解链有关的酶 • 在DNA 复制过程中，由于复制叉的移动速度较快，DNA的双螺旋不断解开，在复制叉前方的DNA双链会出现过度的正超螺旋甚至打结现象，阻碍DNA的继续复制，生物体系需要依靠一系列DNA解旋解链酶来不断消除产生的正超螺旋，以保证复制的正常进行。

15. （1）拓扑异构酶 • 拓扑异构酶I首先在大肠杆菌中发现，只能消除负超螺旋，对正超螺旋无作用。真核生物的拓扑异构酶I对正负超螺旋均能作用。除消除超螺旋外，拓扑异构酶还能引起DNA其他的拓扑转变。 • 拓扑异构酶I与DNA结合时，DNA的一条链断裂，并且具5′磷酸基与酶的酪氨酸羟基形成酯键。随后使原来断裂的DNA链重新连接即磷酸二酯键又由蛋白质转到DNA。整个过程并不发生键的不可逆水解，没有能量的丢失。

17. 拓扑异构酶II又称DNA旋转酶(gyrase)，它可连续引入负超螺旋到同一个双链闭环DNA分子中去，反应需要由ATP供给能量。在无ATP存在时，旋转酶可松弛负超螺旋，但不作用于正超螺旋。拓扑异构酶II又称DNA旋转酶(gyrase)，它可连续引入负超螺旋到同一个双链闭环DNA分子中去，反应需要由ATP供给能量。在无ATP存在时，旋转酶可松弛负超螺旋，但不作用于正超螺旋。

18. （2）DNA解螺旋酶(helicase) • 这类酶能通过水解ATP获得能量来解开双链，每解开一对碱基需要水解2分子ATP成ADP和磷酸盐。分解ATP的活力要有单链DNA的存在。如双链DNA中有单链末端或缺口，解螺旋酶即可结合 • 于单链部分，然后向双链方向移动。大肠杆菌解螺旋酶A、B和C 可以沿着模板链的5′→3′方向随首复制叉的前进而移动，而rep蛋白（也属于一种解螺旋酶）则在另一条模板链上沿3′→5′方向移动。这两种解螺旋酶的配合作用推动着DNA双链的解开

19. （3）单链结合蛋白 • 单链结合蛋白（SSB）主要作用是结合解开的两条单链DNA，刺激DNA聚合酶活化并与其它复制蛋白作用形成复合物。它的功能在于稳定DNA解开的单链，阻止复性和保护单链部分不被核酸酶降解。

20. 二、DNA的复制过程 1，DNA 的半保留复制 • DNA的两条多核苷酸链是互补的。一条链上的核苷酸排列顺序决定了另一条链上的核苷酸排列顺序。DNA分子的每一条链都有合成它的互补链所必需的全部信息。 • Watson 和Crick发现了DNA的双螺旋结构不久，就提出了著名DNA复制机制假说，1958年，生物学家们用实验精确地证明了DNA复制理论的正确性。

21. DNA复制的要点 • （1）在复制开始阶段，DNA的双螺旋拆分成两条单链。 • （2）以DNA单链为模板，按照碱基互补配对的原则, 在DNA聚合酶催化下，合成与模板DNA完全互补的新链，并形成一个新的DNA分子。 • (3) 通过DNA复制形成的新DNA分子, 与原来的DNA分子完全相同。 经过一个复制周期后，子代DNA分子的两条链中，一条来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，所以又称为半保留复制。 • 在此过程中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。

22. 2、DNA的半不连续复制 • 由于DNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链构成的，一条链的走向为5′→3′，另一条链为3′→5′。两条链都可以作为模板合成子代 DNA。但是， DNA聚合酶只能催化5′→3方向的新生链合成。 • 以复制叉向前移动的方向为标准，一条模板链是3′→5′走向，在其上DNA能以5′→3′方向连续合成，称为前导链；

23. 另一条模板链是5′→3′走向，在其上DNA也是从5′→3′方向合成，但是与复制叉移动的方向正好相反，所以随着复制叉的移动，形成许多不连续的片段（称为冈崎片段），最后连成一条完整的DNA链，该链称为滞后链。这种前导链连续复制，滞后链不连续复制的方式称为DNA半不连续复制。另一条模板链是5′→3′走向，在其上DNA也是从5′→3′方向合成，但是与复制叉移动的方向正好相反，所以随着复制叉的移动，形成许多不连续的片段（称为冈崎片段），最后连成一条完整的DNA链，该链称为滞后链。这种前导链连续复制，滞后链不连续复制的方式称为DNA半不连续复制。

24. 冈崎片段的合成需要RNA引物。RNA引物是在DNA模板链的一定部位合成并互补于DNA链，合成方向也是5′→3′，催化该反应的酶称为引物合成酶。冈崎片段的合成需要RNA引物。RNA引物是在DNA模板链的一定部位合成并互补于DNA链，合成方向也是5′→3′，催化该反应的酶称为引物合成酶。 • 引物的长度通常为几个核苷酸至10个核苷酸。RNA引物的消除和缺口的填补是由DNA聚合酶I来完成的。最后由DNA连接酶将冈崎片段连成长链。

25. 3，DNA复制的基本过程 • DNA复制的基本过程主要包括复制起始、链延伸和复制终止。在整个复制过程中，需要多种特异性酶、蛋白质的参与，并且涉及到蛋白质、DNA以及RNA等生物大分子之间的相互作用。

26. DNA复制的起始 • DNA的复制都是在染色体上一个特定的起始部位开始的，这个部位通常称为Ori。大多数原核生物基因组和细菌质粒只有一个Ori位点，而真核生物染色体中有多个Ori位点，由一个复制起始点构成的DNA复制单位称为复制子。 • 大肠杆菌在Ori C处起始复制依赖于Dna A蛋白，Dna A蛋白在ATP存在下，能识别Ori C处9bp的重复序列，形成多聚体后跨越2040bp，诱导邻近的A-T富含区解链。Dna A蛋白还能协助Dna B螺旋酶结合到起始复合物中。

27. DNA复制的起始

28. 引发过程 • DNA聚合酶能催化3′-OH端与dNTP形成3′,5′-磷酸二酯键，使新生链不断延长，但不能催化两个dNTP间形成磷酸二酯键。DNA在复制时，先在复制区的模板链上合成一段RNA引物，提供聚合酶3′-OH，然后在DNA聚合酶催化下合成新生链，合成引物的过程称为引发。

29. DNA链的延伸 • 原核生物DNA链的延伸：引发一旦完成，DNA聚合酶就在RNA引物的3′-OH端按照模板链的碱基序列，以碱基互补的原则延伸DNA 链。前导链按5′→3′方向连续合成，滞后链按5′→3′方向合成多个RNA引物，再延伸合成多个冈崎片段，最后连接起来。

30. 复制的终止 • 有些环状DNA分子含有复制终止位点，复制叉到达该位点后停下来。复制终止后，两个子代的DNA分子互相铰链在一起，需要借助拓扑异构酶II在其中一条DNA链上打开一个缺口，使两个子代DNA分子分离开，然后再将缺口连接起来。 • 线性DNA复制过程中，当复制叉到达复制末端时，复制既终止，两个子代 DNA自行分开。

31. 三、DNA的损伤与修复 • 某些物理化学因素，如化学诱变剂、紫外线和电离辐射等都可以引起基因突变和细胞凋亡，其化学本质是这些物理化学因素直接作用与DNA，造成其结构和功能的破坏。 • 生物体都具有一系列起修复作用的酶系统，可以除去DNA上的损伤，恢复DNA的正常双螺旋结构。 • 目前已知有多种修复系统：光复活修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复和重组修复等。

32. 1，光复活修复 • 光复活是一种酶促反应过程，它可以完全修复因紫外线照射引起的嘧啶二聚体的DNA损伤。

33. 光修复酶结合到嘧啶二聚体上，吸收蓝光光子，通过电子转移，使环断裂，恢复正常的碱基配对结构。光修复酶结合到嘧啶二聚体上，吸收蓝光光子，通过电子转移，使环断裂，恢复正常的碱基配对结构。

34. 2，碱基切除修复 • 主要修复小段的DNA损伤，例如烷化剂、氧化和电离辐射造成的碱基损伤。碱基切除修复过程主要涉及到的酶有DNA糖苷酶、AP内切核酸酶、DNA聚合酶和DNA连接酶等。 • 碱基切除修复首先由DNA糖苷酶水解损伤的碱基或碱基残留物与脱氧核糖之间的糖苷键，产生无碱基脱氧核糖核酸（AP）；再由AP内切核酸酶分别水解无碱基脱氧核糖核酸两侧的磷酸二酯键；然后由DNA聚合酶进行复制补平切除后产生的缺口；最后由连接酶连接切口。

35. 3，错配修复 • 如果DNA在复制过程中发生错误的配对，如G与T配对，可以通过DNA聚合酶的3′→5′外切酶活性校正，使基因编码信息可以得到恢复，但是如果这个错误没有被校正，复制的 DNA在这个部位含有一个错配的碱基对，引起基因突变。这个错误可以被细胞的错配修复系统校正，该系统能够对新复制的DNA进行扫描，搜索错配的碱基对或单个碱基插入和删除所产生的复制错误。

36. 四、RNA指导下的DNA合成 • 以RNA为模板，即按照RNA的核苷酸顺序合成 DNA，这与通常转录过程中遗传信息传递从DNA到RNA的方向相反，因此称为逆转录。 • 催化逆转录反应的酶（RNA指导的 DNA 聚合酶）一般称为逆转录酶。

37. 1，RNA病毒与逆转录酶 • 逆转录病毒的基因组由两条相同的正链RNA组成，RNA链的长度依病毒的种类不同而定，一般为3.5～9.0kb（碱基），3′端有poly A，5′端有帽子，类似与真核细胞的 mRNA结构，中间是编码序列。 • RNA病毒颗粒携带有逆转录酶，该酶具有以下功能：依赖于RNA的DNA聚合作用；RNA酶 H作用和依赖于DNA的DNA聚合作用。 • 逆转录酶催化的 DNA合成同样以四种脱氧核糖三磷酸核苷为底物，需要Mg2+，Mn2+作辅助因子，并要求有模板和引物的存在。

38. 2，逆转录酶的作用机制 • 逆转录病毒感染宿主细胞后，逆转录酶以基因组RNA为模板，宿主的tRNA为引物，按5′→3′方向合成出与模板互补的DNA链（负链）。

39. 新生的DNA链与模板3′端R配对互补，5′→3′方向继续合成DNA负链，直到模板的5′端。新生的DNA链与模板3′端R配对互补，5′→3′方向继续合成DNA负链，直到模板的5′端。 • RNA酶H以新合成的DNA链为模板合成DNA正链，并降解tRNA。 • 此时，发生第二此跳跃，负链3′端引物结合序列与新合成的正链3′引物结合部位配对互补，以负链为模板合成全长的正链。再以全长的正链为模板，补充合成3′端的序列。

40. 病毒携带的整合酶（integrase）与双链DNA结合并除去两条DNA链3′-末端各两个核苷酸，使双链末端成为5′-端突出的粘端。病毒携带的整合酶（integrase）与双链DNA结合并除去两条DNA链3′-末端各两个核苷酸，使双链末端成为5′-端突出的粘端。 • 病毒DNA与整合酶的复合物又与宿主DNA结合，整合酶随机切割宿主DNA链，使5′-端产生突出的4～6个核苷酸的粘端，病毒DNA与宿主DNA末端对接，并由宿主的酶系统将末端修补连接。病毒DNA就这样随机整合到宿主基因组中。

41. 第二节 DNA指导下的RNA合成 • 细胞内的各种RNA（包括mRNA、tRNA和rRNA）都是以DNA为模板，在RNA聚合酶催化下合成的，最初转录的RNA产物通常需要一系列断裂，拼接，修饰和改造才能成为成熟的 RNA分子。

42. 一、核糖核酸的酶促合成 • DNA中储存的遗传信息的表达首先是以DNA为模板转录出互补的 RNA分子，转录过程与 DNA的复制过程有较多相似之处。在转录过程中，需要以DNA为模板，以4种核糖核苷三磷酸ATP、GTP、CTP和UTP为底物，在RNA聚合酶催化下进行。 • 转录出互补的RNA 碱基序列与DNA的另一条链基本相同，只是T被换成U。

43. 在体外，RNA 聚合酶能使DNA的两条链同时进行转录，但在体内，DNA分子的两条链仅有一条链可用于转录；或者某些区域以这条链转录，另一些区域以另一条链转录；对应的链只能进行复制，而无转录的功能。 • 在RNA聚合反应中，RNA聚合酶以完整双链DNA为模板，DNA碱基顺序的转录是全保留方式，转录后，DNA 仍然保持双链的结构。虽然转录时，双链结构部分的解开，但天然的（双链）DNA作为模板比变性的（单链）DNA更有效。

44. 二、RNA聚合酶及转录因子 1，RNA聚合酶 • 在原核细胞中只有一种RNA聚合酶，大肠杆菌的RNA聚合酶全酶的分子量约50万，由5个亚基（2）组成，没有亚基的酶叫核心酶（2）。 • 核心酶只能使已经开始合成的RNA链延长，但不具有起始合成RNA的能力，因此称亚基为起始因子。

45. 目前已知的真核细胞RNA聚合酶有3种，它们在结构上具有极大的相似性，都是由两个大亚基和多个小亚基构成，3种酶的大亚基的氨基酸序列有同源性，某些小亚基为3种酶共有。 • RNA聚合酶在结构上虽有相似性，但分工不同，RNA聚合酶I负责转录出rRNA前体（前体中不包括5S rRNA ）；RNA聚合酶II转录编码蛋白质的基因和snRNA基因；RNA聚合酶III合成5S rRNA、tRNA、U6RNA及7SRNA等。

46. 2，真核转录因子 • 真核基因转录过程中，RNA聚合酶须在一系列转录因子的辅助下才能与启动子结合，形成稳定的起始复合物。根据转录因子的功能，可以分为3类： • （1）普遍因子与DNA聚合酶一起在转录起始点周围形成复合物。 • （2）上游因子是DNA结合蛋白，能够特异地识别转录起点上游的顺式作用单元（特异的DNA调控序列）并与之结合。 • （3）可诱导的因子也是一种DNA结合蛋白，其作用方式与上游因子相同。

47. 三、原核细胞的转录过程 1，RNA聚合酶与DNA模板的结合 • RNA聚合酶需要先与DNA 模板的一定部位结合，并局部打开DNA双螺旋，然后开始转录。DNA上与酶结合的部位称为启动子。与酶结合的启动子核苷酸中常有高AT含量的区域，双链比较容易打开。 亚基能够增强RNA聚合酶对启动子的识别能力。

48. 2，转录的开始 • 当RNA聚合酶进入合成的起始点后，遇到起始信号而开始转录，即按照模板顺序选择第一个和第二个核苷三磷酸，使两个核苷酸之间形成磷酸二酯键，同时释放焦磷酸。 • 转录开始后， 亚基对便从全酶中解离出来，与另一个酶结合，开始另一转录过程。 与DNA合成不同，RNA的合成不需要引物。在新合成的RNA链的5′-端通常为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷（pppG或pppA），也就是说合成的第一个底物必定是GTP或ATP。

49. 3，链的延长 • RNA链的延长反应由核心酶催化，聚合酶在DNA模板上以一定速度滑行，同时根据被转录DNA链的核苷酸顺序选择相应的核苷三磷酸底物，使RNA链不断延长。 • RNA链的合成方向是5′→3′。由于DNA链与合成的RNA链具有反平行的关系，所以RNA聚合酶是沿着DNA链的3′→5′方向移动。

50. 4，链的终止 • DNA分子具有终止转录的核苷酸序列信号。在这些信号中，有些能被RNA聚合酶本身所识别，转录进行到此即行终止，mRNA与RNA聚合酶便会从DNA模板上脱落下来。 • 另外还有一些信号可以被一种参与转录终止过程的蛋白质ρ因子所识别，ρ因子能辨别DNA上特殊的终止位点（ρ位点），使mRNA从DNA模板上脱离，而RNA聚合酶却不脱离。