Chapter9 遗传的分子基础与基因工程

1. Chapter9 遗传的分子基础与基因工程 • 9.1 DNA作为主要遗传物质的证据 • 9.2 核酸的化学结构与DNA复制 • 9.3 遗传信息的表达与调控 • 9.4 基因的概念与发展 • 9.5 核酸研究技术简介 • 9.6 人类基因组计划简介 • 9.7 遗传工程及其应用 • 本章要点求 • 复习思考题

2. 9.1 DNA作为主要遗传物质的证据 • 一、染色体组成 • 二、作为遗传物质必须具备的条件 • 三、DNA是遗传物质的间接证据 • 四、DNA是遗传物质的直接证据 • 1.细菌转化试验 • 2.噬菌体侵染与繁殖试验 • 3.烟草花叶病毒拆合实验

3. 一、染色体组成 DNA（1） 非组蛋白（1） 染色体 Pr（1.5~2.5） RNA（0.05） 组蛋白（0.5~1.5） 二、作为遗传物质必须具备的条件 • 1.普遍性 • 2.具有世代延续性 • 3.具有相对稳定性和可塑性 • 4.具有多样性

4. 三、DNA是遗传物质的间接证据 • 1. DNA普遍存在于生物体内。 • 2.DNA在同一物种不同组织的细胞中含量恒定，且配子中DNA的含量恰好是体细胞的一半。而蛋白质则不是。 • 3.DNA结构的变化与突变具有一致性。凡能引起DNA结构变化的因素都能引起性状突变，如紫外线的诱变作用在波长为2600Å附近效果最好，而此处正是DNA的吸收高峰值。 • 4.DNA在代谢上较稳定。DNA能自我复制，具有世代的延续性。

5. 四、DNA是遗传物质的直接证据 • 1. 细菌转化试验 • ①Griffith以肺炎双球菌作为材料的试验（1928） RⅡ型肺炎双球菌——无荚膜，菌落粗糙，无毒 SⅢ型肺炎双球菌——有荚膜，菌落光滑，有毒 RⅡ型活菌 注射 小鼠 生 注射 小鼠 死 分离出SⅢ型活菌 SⅢ型死菌 注射 小鼠 生 （高温杀死） 此实验说明，被加热杀死的肺炎双球菌内必然含有某种促成RⅡ型菌转化为SⅢ型菌的活性物质

7. 四、DNA是遗传物质的直接证据 • 1. 细菌转化试验 • ②Avery的实验 SⅢ型活菌 抽提分离Pr、DNA、荚膜 SⅢ型细菌有活性的Pr 注射 小鼠 生 RⅡ型活菌 荚膜 注射 小鼠 生 SⅢ型细菌有活性的DNA+DNase 注射 小鼠 生 RⅡ型活菌 SⅢ型细菌有活性的DNA 注射 小鼠 死 此物质不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酶（Rnase）的影响，而只能为DNA酶所破坏，首次证明了遗传物质是DNA。

8. Avery的转化实验

9. 四、DNA是遗传物质的直接证据 • 2.噬菌体侵染与繁殖试验 • 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。 • ② Hershey和Chase的实验（1952）——又一次证明遗传物质是DNA。

11. 四、DNA是遗传物质的直接证据 • 3.烟草花叶病毒拆合实验 Frankel-Conrat, Singer (1956)进行了图示试验，该实验表明在不含DNA的某些病毒中，RNA是遗传物质。

12. 9.2 核酸的化学结构与DNA复制 • 一、两种核酸和它们的分布 • 二、DNA的化学结构 • 三、双链DNA的不同构型 • 四、DNA的变性和复性 • 五、DNA的复制—半保留半不连续复制 • 六、DNA的损伤修复 • 1.光复活 • 2.切除修复 • 3.重组修复 • 4.诱导修复和应急反应（SOS修复）

18. 9.3 遗传信息的表达与调控 • 一、蛋白质的结构和功能 • 二、DNA的功能 • 三、RNA的种类和功能 • 四、遗传密码及其特点 • 五、遗传信息的转录与RNA的加工 • 六、蛋白质的生物合成 • 七、中心法则及其发展 • 八、基因表达调控

19. 一、蛋白质的结构和功能 • 1.蛋白质的一级结构与功能的关系 • 2.蛋白质的高级结构与功能的关系 • 3.分子构象病

20. 氨基酸

21. 一级结构

22. 二级结构

23. 结构域

24. 三级结构

25. 四级结构

26. 二、DNA的功能 • 1.自体催化——复制 • 2.异体催化——转录 • 3.核酸的研究历史和重要性

27. 核酸的研究历史和重要性 • 1869Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。 • 1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验；1952年Hershey等的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内， 证明DNA是遗传物质。 • 1953Watson和Crick建立了DNA结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展。 • 1958Crick提出遗传信息传递的中心法则。 • 60年代 RNA研究取得大发展（操纵子学说,遗传密码,逆转录酶）.

28. 核酸的研究历史和重要性 • 70年代 建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。 • 80年代 RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、“RNA世界”假说等等。 • 90年代以后 实施人类基因组计划（HGP）, 开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代： 功能基因组学（functional genomics） 蛋白质组学（proteomics） 结构基因组学（structural genomics） RNA组学（Rnomics）或核糖核酸组学（ribonomics）

29. 三、RNA的种类和功能 • 1.tRNA • 2.rRNA • 3.mRNA • 4.snRNA

30. tRNA的二、三级结构

31. Small RNAs

32. 四、遗传密码及其特点 AUG（Met） f-Met GUG（Val） • 1.遗传密码——DNA分子中核苷酸的排列顺序与蛋白质中氨基酸排列顺序之间的对应关系。遗传密码是由三个碱基组成的，因此叫三联体密码。 • 2.遗传密码的特点 • ①简并现象 • ②具有起始密码子和终止密码子 • ③具有连续可读性和不重叠性 • ④普遍通用性 UAA UAG UGA 21 硒半胱氨酸 22 吡咯赖氨酸

33. 遗传密码表

34. 遗传密码通用性的另外情况

35. 五、遗传信息的转录与RNA的加工 • 1.mRNA的转录（mRNA的合成） • 2.合成后的加工 • ①原核生物——边转录边合成Pr，无转录后加工 • ②真核生物 A：HnRNA的加工剪接 B：mRNA的加帽和甲基化 C：mRNA的加尾 D：mRNA的转运

37. 真核细胞信息流动

39. 六、蛋白质的生物合成 • 1.合成场所 • 2.合成体系(合成起始、肽链延伸、翻译终止） • 3.合成后的加工与修饰 （肽链中AA残基的化学修饰，N端部分AA的切除，信号肽的切除，肽链的折叠，切除前体中功能不需要的肽段，二硫键的形成等） • 4.合成后的贮存、转运与功能行使

41. 翻译示意图

43. 七、中心法则及其发展 • 1.中心法则——遗传信息从DNA转录到mRNA再翻译成蛋白质，以及遗传信息从DNA到DNA的复制过程，这就是分子生物学的中心法则。这一法则提示了基因的两个基本属性：自我复制和控制蛋白质合成。 • 2.尚需解决的问题 • ①HnRNA转录后加工 ？？？mRNA • ②mRNA 翻译 多肽 ？？？？ 蛋白质或亚基 ？？？？ 高级结构

45. 逆转录过程中cDNA的合成

46. 八、基因表达调控 • 1.原核生物基因表达调控 • ①正调控和负调控 • ②乳糖操纵子 • ③色氨酸操纵子与衰减作用 • ④基因表达的时序调控 • ⑤DNA序列重排的调控 • 2.真核生物基因表达调控 • ①DNA及染色体水平的调控 • ②转录水平的调控（顺式作用元件和反式作用元件） • ③转录后水平的调控（RNA编辑，mRNA前体的选择性拼接，反义RNA的调控）

49. 9.4 基因的概念与发展 • 1.1865年Mendel——遗传因子 • 2.1909年 丹麦Johanssen——基因 • 3.1910年—40年代 Morgan等认为基因是三合一体，即基因既是一个功能单位，也是一个突变单位和一个交换单位。 • 4.1944年Avery首次证实基因是由DNA构成，及1953年DNA双螺旋模型的提出，人们认为基因是具有一定遗传效应的DNA片段。 • 5.1955年，Benzer通过顺反互补实验发现一个基因内部的许多位点上可以发生突变，并且可能在这些位点间发生交换，说明一个基因并不是一个突变单位和一个交换单位。

50. 9.4 基因的概念与发展 • 6.操纵子的发现修正了有一个基因就有一条多肽或决定一个蛋白质功能的就是基因的说法。 1944年Beadle研究脉胞菌突变——提出一基因一酶学说； 后来研究血红蛋白时发现蛋白质可由不同肽链组成，而突变只影响一条肽链——提出了一基因一多肽学说； 60年代，Jacod和Monod研究细菌基因调控时发现基因是可分的，功能上是有差别的。 结构基因—决定合成某种蛋白质 调节基因—编码阻遏或激活结构基因转录的蛋白质基因 无翻译产物的基因 • 7.新的发现——断裂基因，重叠基因，跳跃基因 比较DNA序列和成熟mRNA——内含子和外显子