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第五章 基因如何编码蛋白

第五章 基因如何编码蛋白. 陈火英 上海交通大学农业与生物学院 chhy@sjtu.edu.cn. 性状与蛋白质之间是什么关系？ 基因如何决定性状？ 组成蛋白质的基本物质是什么？ DNA 和蛋白质之间是什么关系？ 什么是遗传密码？ 基因突变是怎么发生的？. 相关基础知识. DNA 作为主要遗传物质的证据 DNA 的化学结构 DNA 的复制 DNA 的组织. DNA 作为主要遗传物质的间接证据. 1. DNA 含量恒定 ： 体细胞： 2C 配子 ： 1C 多倍体 ：成倍增加

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第五章 基因如何编码蛋白

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  1. 第五章 基因如何编码蛋白 陈火英 上海交通大学农业与生物学院 chhy@sjtu.edu.cn

  2. 性状与蛋白质之间是什么关系？ • 基因如何决定性状？ • 组成蛋白质的基本物质是什么？ • DNA和蛋白质之间是什么关系？ • 什么是遗传密码？ • 基因突变是怎么发生的？

  3. 相关基础知识 • DNA作为主要遗传物质的证据 • DNA的化学结构 • DNA的复制 • DNA的组织

  4. DNA作为主要遗传物质的间接证据 1. DNA含量恒定： 体细胞：2C 配子： 1C 多倍体：成倍增加 2. 代谢较稳定： 利用放射性与非放射性元素进行标记， 其它分子：合成 分解 3. 突变： 紫外线诱发突变时，最有效的波长均为260 nm； 与DNA的紫外线吸收峰是一致； 证明基因突变与DNA分子的变异密切联系。 4. 通用性：（低等生物高等生物）

  5. DNA作为主要遗传物质的直接证据 1．细菌的转化实验： ──────────────────────── 肺炎双球菌 特征 抗原型（稳定） ──────────────────────── 粗糙型(R) 无荚膜、粗糙菌落、无毒 RⅠ、RⅡ 光滑型(S) 有荚膜、光滑菌落、有毒 SⅠ、SⅡ、SⅢ

  6. 英国人格里费斯 (1928)： 肺炎双球菌定向转化试验：   RII小鼠成活 SIII小鼠死亡 SIII65℃杀死小鼠成活 RII + SIII (65℃)小鼠死亡重现SIII型 杀死的SIII 推断：RII SIII 说明： “转化因子”使R型细菌转化成了S型细菌。

  7. 美国人Avery （1944）： 排除 糖、蛋白质、RNA 说明：DNA是转化子。

  8. Avery, Macleod, McCarty证明DNA是转化介质

  9. 烟草花叶病毒 腺病毒 T4 噬菌体 爱滋病病毒 RNA DNA DAN RNA

  10. T-even噬菌体的生命周期

  11. 噬菌体的侵染与繁殖 (1) 背景知识 • 噬菌体侵染与繁殖基本过程： • T2噬菌体浸染大肠杆菌后，遗传物质进入细菌细胞； • 利用大肠杆菌的遗传复制系统复制噬菌体遗传物质； • 利用大肠杆菌的遗传信息表达系统合成噬菌体组件； • 最后组装形成完整的T2噬菌体。 • 因此只要弄清侵染时进入细菌的是噬菌体的哪一部分，就可能证明哪种物质是遗传信息的载体。 • 另外： • P是DNA的组成部分，但不存在于蛋白质中； • S存在于蛋白质中，但DNA中没有。

  12. Hershey和Chase的实验 赫尔歇 (Hershey)实验 : 同位素: 32P-DNA* 35S-蛋白质* 结论： 进入菌内的是DNA 遗传给子代噬菌体DNA

  13. 反应区紫外吸收光谱与核酸、蛋白的紫外吸收光谱的比较反应区紫外吸收光谱与核酸、蛋白的紫外吸收光谱的比较

  14. A.D.Herskey和M.Chase在1952年用T2噬菌体证明噬菌体的遗传物质是DNA的实验。先用32P标记噬菌体的DNA，用35S标记噬菌体的蛋白质，使噬菌体吸附在大肠杆菌上，然后用组织捣碎器将二者分开，这时发现几乎全部35S的放射性都可以从细胞上拉下来，而大部分32P则被注入到细胞内，噬菌体在细胞内照样正常地进行增殖。至于进入细胞内的少量35S，在后代噬菌体中几乎没有出现，相反一半以上的32P出现在后代噬菌体的DNA中。明确了噬菌体的DNA将新的信息带进细胞，从而产生与亲代噬菌体遗传性完全一样的子代噬菌体。这个实验证明噬菌体的DNA是决定遗传性的物质。A.D.Herskey和M.Chase在1952年用T2噬菌体证明噬菌体的遗传物质是DNA的实验。先用32P标记噬菌体的DNA，用35S标记噬菌体的蛋白质，使噬菌体吸附在大肠杆菌上，然后用组织捣碎器将二者分开，这时发现几乎全部35S的放射性都可以从细胞上拉下来，而大部分32P则被注入到细胞内，噬菌体在细胞内照样正常地进行增殖。至于进入细胞内的少量35S，在后代噬菌体中几乎没有出现，相反一半以上的32P出现在后代噬菌体的DNA中。明确了噬菌体的DNA将新的信息带进细胞，从而产生与亲代噬菌体遗传性完全一样的子代噬菌体。这个实验证明噬菌体的DNA是决定遗传性的物质。

  15. 烟草花叶病毒的感染和繁殖 烟草花叶病毒简称TMV(TobacooMosaicVirus)。 （1）TMV的蛋白质外壳和单螺旋RNA接种: TMV 蛋白质 烟草  不发病 分离不到 TMV颗粒 TMV RNA 烟草  发病 分离到新的TMV TMV RNA + RNA酶 烟草  不发病 • 核酸酶（Nuclease）是以核酸为底物，催化磷酸二酯键水解的一类酶。

  16. （2）重组TMV的感染 A=TMV B=HRV—霍氏车前花叶病毒 结论：提供RNA的亲本决定了其后代的 RNA和蛋白质,在不含DNA的TMV中，RNA是遗传物质。

  17. DNA的化学结构 • 一级结构 戊糖＋碱基＝核苷 核苷＋磷酸＝核苷酸 核苷酸 核酸 DNA长度：bp－base pair kbp (kb)－klio-bp 磷酸二酯键

  18. 问题：RNA 与 DNA区别 ？P34

  19. 3’-5’磷酸二酯键的生成 • 核苷酸链

  20. 嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖的化学结构

  21. 2. DNA二级结构： A-DNA：右手螺旋，大小沟，11nt / 圈， 高盐，DNA-RNA，RNA-RNA B-DNA：右手螺旋，大小沟， 10.4 nt / 圈，生理状态DNA。P35 Z-DNA：左手螺旋，单沟，12 nt / 圈。

  22. DNA双螺旋结构

  23. DNA的组织 贝克等(Bak, A. L., 1977)：染色体四级结构模型理论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程 • 1. 核小体+连接丝 • 2. 螺线体(solenoid) • 3. 超螺线体(super-solenoid) • 4.染色体

  24. DNA双螺旋结构模型的意义 • DNA双螺旋模型结构同时表明： • DNA复制的明显方式——半保留复制。Waston和Crick在1953年就指出：DNA可以按碱基互补配对原则进行半保留复制。而在此之前对复制方式人们对一无所知。 • 基因和多肽成线性对应的一个可能的理由：DNA核苷酸顺序规定该基因编码蛋白质的氨基酸顺序；DNA中的遗传信息就是碱基序列；并存在某种遗传密码(genetic code)，将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸顺序。 • 在其后的几十年中，科学家们沿着这两条途径前进，探明了DNA复制、遗传信息表达与中心法则等内容。

  25. DNA的复制 • 半保留复制 • 引物－RNA • 3. 冈崎片段

  26. rRNA如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。rRNA如发生致死突变，不能形成核糖体，易死亡。 tRNA发生突变后， 多肽链改变。 转录 某段 DNA mRNA 直接 翻译 结构蛋白 性 状 蛋白质 间接 生物酶 第五章 基因如何编码蛋白 基因的作用与性状的表达:

  27. 1 中心法则 基因如何编码蛋白

  28. 转 录 2 转录与翻译 翻 译

  29. 3 基因调节 • 染色体形态：常染色质和异染色质 • 基因结构：启动子、增强子等 • 涉及整个基因表达的全过程

  30. 4 基因突变与遗传 • 基因突变：是指染色体上某一基因位点内部发生了化学性质的变化，与原来基因形成对性关系。 • 多数突变对生物的生长和发育往往是有害的。 • 主要诱变因素：辐射线和化学药剂。 • 基因突变导致蛋白质变化，影响表型。 • 典型病例：人的镰形红血球贫血症。

  31. 人的镰形红血球贫血症 基因的变异  直接影响蛋白质特性，表现出不同遗传性状。 红血球碟形 HbA 突变 Hbs Hbc 红血球镰刀形 血红蛋白分子有四条多肽链： 两条α链(141个氨基酸/条)、 两条β链(146个氨基酸/条)。 HbA、Hbs、Hbc氨基酸组成的差异 在于β链上第6位上氨基酸： HbA第6位为谷氨酸（GAA）； Hbs第6位为缬氨酸（GUA）； Hbc第6位为赖氨酸（AAA）。

  32. 产生贫血症的原因： 仅由单个碱基的突变，引起氨基酸的改变，导致蛋白质性质发生变化，直接产生性状变化。 由正常的碟形红血球转变为镰刀形红血球， 缺氧时表现贫血症。 HbA Hbs Hbc

  33. 基因突变 • 基因突变（点突变）：化学变化，对性关系，与DNA复制、损伤、修复、癌变、衰老有关，生物进化、遗传育种重要意义。 • 点突变：单独发生 • 诱因：自发突变 / 诱发突变 • 自发突变率 • 高等生物：10-5～10-8 • 低等生物：10-4～10-10

  34. 发生的时期：任何时期都可以发生，但是：性细胞>体细胞：减数分裂末期特别敏感。发生的时期：任何时期都可以发生，但是：性细胞>体细胞：减数分裂末期特别敏感。 • 性细胞发生突变可以直接传递给后代： M0 M1 M2 显性突变： aa  Aa 隐性突变： AA  Aa AA ＋ Aa ＋ aa • 体细胞发生突变形成嵌合体。 显性突变：易发现，通过无性繁殖固定传递给后代。如：果树育种中芽变的应用。 隐性突变：不易发现。 

  35. 基因突变的特征 • 一般特征 • 随机性：发生的时间、个体、基因不可预知。 • 稀有性：突变率  10-4 1. 重演性：同一突变在同一物种能够以相同的频率再次发生。 2. 可逆性：正突变 反突变（回复突变） 3. 多方向性与复等位基因： 多方向性：A（a、a1、a2、a3、…… an）等位、表型各异；复等位基因：位于同一基因位点上的各种等位基因。

  36. a a1 a2 a3 …… an 注意复等位基因存在于群体的概念： 对于某个个体，某一个基因位点最多包含两种复等位基因。如Aa，a1a2、a1a1等。 A

  37. 复等位基因的例子 1）人类的 ABO 血型： 由 IA、IB、i 三种复等位基因控制， IA 和 IB、相对于 i 为显性。 因此：A 型血者： IA IA 、IA i B 型血者： IB IB 、IB i AB 型血者： IA IB O 型血者： i i 2） 烟草的自交不亲和性： 栽培自花授粉植物。

  38. 野生烟草：自交不亲和性－自交不结实，株间杂交能结实。由 S1、S2、S3、S4等一组复等位基因控制。 • 实质：柱头不接受与其基因型相同的花粉。

  39. 3）果蝇眼色 红眼11 种眼色。 4. 有害性和有利性 1）有害突变： • 隐性致死：纯合致死 • 显性致死：杂合即可致死 • 伴性致死：致死基因位于性染色体上。

  40. — 隐性致死：AY － a 一因多效 黄色鼠 × 黄色鼠 黄色鼠 × 黑色鼠 （ AYa ） （ AYa ） （ AYa ） （aa） 1 AYAY ：2 AYa ： 1 a a 1 AYa ： 1 a a （死亡）（黄色）（黑色） （黄色）（黑色） —显性致死：人类的神经胶症。 — 伴性致死：平衡致死品系：

  41. 2）中性突变：如小麦粒色的突变，有芒无芒的突变等。2）中性突变：如小麦粒色的突变，有芒无芒的突变等。 3）有利突变：较少，如抗倒伏、早熟等。 有利与有害是相对的： • 有利有害可以相互转化。 • 人的需要与生物体本身需要不一致。如矮杆、植物雄性不育、落粒性。 5. 平行性（与重演性的区别）： 近缘种发生类似的突变  预测。

  42. 基因突变的诱发 诱变突变：人为地利用各种理化因素诱导突变的产生。 一、物理诱变 － 辐射 1. 电离辐射：热量＋电离 粒子辐射：   － 32P、35S 电磁辐射：γ－ 60Co、137Cs X 内照射 外照射

  43. 2 . 非电离辐射：UV 只能激发。 二、化学诱变 诱变剂：凡是能和DNA起化学反应并改变碱基氢键特性 的物质。 1. 妨碍DNA某一成分的合成，引起DNA结果的变化 妨碍嘧啶合成：5-氨基尿嘧啶、8-乙氧基咖啡碱 妨碍嘌呤合成：6-疏基嘌呤

  44. 2. 碱基类似物： • 诱变原理：在DNA复制时引起碱基错配，最终导致碱基对的替换，引起突变。 如：5-溴尿核苷(5BU)、2-氨基嘌吟(2AP)。 酮式结构5BUT 稀醇式结构5BUe

  45. 5-溴尿核苷 ( 5BU ) A T G C A 5BUT A G T C G 5BUe A T A 5BUT A T G C G 5BUe A T G A CT A 5BUT G C G C G 5BUe

  46. 2－ 氨基嘌呤（ AP ） G C A T A G TC AP C A T AP T AP T A T G C AP C G A C T AP T G C AP C A T G C

  47. 3. 改变碱基结构： • 亚硝酸(HNO2)：氧化脱氨作用，通过氧化作用，以氧代替A 和C 的C6 位置上氨基。 次黄嘌呤

  48. 亚硝酸 H C H C A G T C G C A T H T HNO2 A T G C G A C T A T G C G U HNO2 A U A U

  49. — 烷化剂： 最常用：EMS (乙基磺酸乙酯) MMS (甲基磺酸甲酯) 诱变原理：EMS、MMS等烷化剂都带有 1 个或多个活泼的 烷基，这些烷基能够加入核苷酸许多位置。

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