復旦大學醫(yī)學細胞生物學課件12遺傳信息的流動

1、遺傳信息的流動細胞的遺傳物質中所攜帶的遺傳信息，決定了生物體的遺傳性狀和生物學行為。遺傳信息就是DNA分子中堿基的排列順序。基因的結構基因（gene）是DNA分子中含有特定遺傳信息（合成有功能的蛋白質或RNA）的一段核苷酸序列，是遺傳物質的最小功能單位。真核細胞除核內DNA外，線粒體和葉綠體的DNA分子中也含有基因，被統(tǒng)稱為核外基因。從功能上看基因包括編碼蛋白質（酶、結構蛋白、阻遏蛋白）的基因、編碼tRNA/rRNA的基因以及對表達起調控作用的基因。根據基因的不同表現還有移動基因、間隔基因和重疊基因。間隔基因：基因轉錄區(qū)中位于編碼基因之間的，與蛋白質翻譯無關的序列。重疊基因（overlappi

2、ng gene）：同一DNA序列中2個基因的核苷酸序列相互重疊。這種結構使較小的基因組能夠攜帶較多的遺傳信息。 移動基因/轉座子（transposon）Transposon：Transposons are segments of DNA that can move around to different positions in the genome of a single cell. In the process, they may cause mutations or increase (or decrease) the amount of DNA in the genome. These

3、 mobile segments of DNA are sometimes called jumping genes. 轉座子基因的發(fā)現者是美國的巴巴拉麥克林托克 (1902-1992) ，她于1951年提出移動基因學說，并于1983年獲諾貝爾獎。巴巴拉麥克林托克 玉米的遺傳性狀常表現為葉子和籽粒顏色的樣式和斑紋的改變。籽粒上出現斑點由基因突變引起。麥克林托克在研究玉米籽粒顏色的過程中發(fā)現，玉米籽粒顏色的變化很不穩(wěn)定，斑點在單個籽粒形成過程中或出現或消失。對此她提出了一個全新的概念來解釋：遺傳基因可以移動，能從染色體的一個位置跳到另一個位置，甚至從一條染色體跳到另一條染色體上。她把這種能自發(fā)轉

4、移的遺傳基因稱為“轉座子” 。轉座子可編碼特殊的蛋白酶，催化轉座子從宿主DNA上切除并插入靶位點。當插入到一個新的位置后，轉座子對附近基因的功能會造成一定的影響，成為調控序列的一部分，在離開該位置時，它又有可能把一些附近的基因也一起帶走。1951年，麥克林托克在專題討論會上遞交了自己的論文，向科學界報告了她的新理論。當時的遺傳學家對此卻無法理解，麥克林托克受到了空前的冷遇。 六七十年代，分子遺傳學家找到了愈來愈多的可移動的遺傳因子，并且發(fā)現這些因子不僅存在于細菌中，同時也存在于較高等的動物中。到80年代初，麥克林托克提出的理論終于被科學界普遍接受。人類核DNA約40來自于轉座子，絕大部分不能進

5、行移動。轉座對于改變生物體的遺傳組成有重要影響?；虻姆肿咏Y構割裂基因（split gene）：在真核生物細胞基因中，編碼序列常常被非編碼序列隔斷，呈現分裂狀。一個基因通常包括：轉錄調控區(qū)、轉錄區(qū)、終止子。在結構基因的上游存在著決定轉錄起始的啟動子，它是可被RNA聚合酶識別并結合的特異性DNA序列。轉錄區(qū)包括一個起始密碼子（AUG）、編碼密碼（外顯子）和一個終止密碼子。轉錄區(qū)還包括兩側非翻譯區(qū)，它們和編碼區(qū)當中的間隔序列(內含子) 均不被翻譯。在結構基因的下游存在的終止子是具有終止轉錄功能的特定序列，可終止RNA聚合酶繼續(xù)移動并使之脫落。DNA分子中遺傳信息，以復制方式向子代傳遞；以轉錄方式向

6、RNA傳遞，RNA經翻譯后產生的蛋白質決定生物性狀。遺傳密碼遺傳密碼：mRNA上相鄰的3個堿基排列形成一個密碼子，一個密碼子決定一種氨基酸的形成，所有的密碼子統(tǒng)稱遺傳密碼。遺傳密碼特點密碼子具有方向性：即閱讀方向與mRNA合成方向一致。密碼子有兼并性和兼職性：每個密碼子三聯(lián)體決定一種氨基酸，而一種氨基酸可同時有幾個密碼子編碼； 在64個密碼子中AUG不僅是Met或者fMet(原核細胞)的密碼子，也是肽鏈合成的起始信號，故稱起始密碼子，UAA、UAG和UGA為終止密碼子，不代表任何氨基酸，也稱為無意義密碼子。密碼子有通用性：不論是病毒、原核生物還是真核生物，密碼子的含義都是相同的。 密碼子不重疊

7、，密碼子無標點。線粒體mRNA中的密碼子與核mRNA的密碼子有不同 DNA復制半保留復制：在DNA復制時，雙鏈DNA解開，按互補堿基的配對原則，以每一條鏈為模板以合成其互補鏈，即可形成兩個與親代完全一樣的DNA分子。 DNA復制要從DNA分子上特定位置開始。這個特定位置被稱為復制起始點。DNA復制從起點開始雙向進行直到終點為止，每一個這樣的DNA單位稱為復制子或復制單元。DNA的復制過程大體上可以分為復制的啟動，復制的延伸，和復制的終止三個階段。 復制的起始引發(fā)（Priming）DNA復制的起始就是引物的合成。DNA聚合酶不能引發(fā)DNA新生鏈的合成，只能在已存在的DNA鏈或RNA鏈上延長DNA

8、，因此必須先由引物酶催化引物RNA的合成。DNA聚合酶的特性決定了DNA復制時先在復制起始區(qū)合成一段RNA引物。先由DNA螺旋酶將起始點處的DNA雙鏈解開，引發(fā)體與特定序列結合，形成復制叉，再由引物酶合成一小段RNA引物， DNA聚合酶再將第一個脫氧核苷酸加在引物3端開始鏈的延伸。復制的延伸：在RNA引物的 3-OH端由DNA聚合酶III按堿基互補規(guī)則延伸。因此DNA的合成是具有方向性的。前導鏈： 以 35方向的DNA鏈做模板鏈的新鏈合成可以隨著復制叉向前移動，連續(xù)合成（5 3）。后隨鏈：以5 3 方向的DNA鏈做模板鏈的新鏈合成則不能隨著復制叉向前移動，即無法進行連續(xù)合成，只能分成許多小片段

9、（okazaki fragment）分段合成。每一段新合成的DNA鏈前有一小段RNA引物，由 DNA聚合酶I 水解補平，最后由連接酶連接，形成完整的后隨鏈。復制的終止：在DNA上也存在著復制終止位點，DNA復制將在復制終止位點處終止。若兩個復制叉相遇時，復制也將終止。復制誤差的校對DNA聚合酶本身具有校對作用。RNA引物最終也要被切除掉，這樣就提高了DNA復制的準確性。由外界和環(huán)境因素引起的DNA損傷也可以通過細胞自身的修復機制加以改正。DNA轉錄以DNA為模板合成RNA的過程稱為轉錄。（transcription）轉錄是生物界RNA合成的主要方式，是遺傳信息DNA向RNA傳遞過程，也是基因表

10、達的開始。在DNA的兩條鏈中只有其中一條鏈可作為模板，這條鏈叫做模板鏈（template strand），又叫做有義鏈。DNA雙鏈中另一條不做為模板的鏈叫做編碼鏈，又叫做反義鏈。各基因的模板鏈并不全在同一條DNA鏈上，轉錄時可選擇不同鏈的不同區(qū)段，將它們轉錄到同一條RNA上。同一時刻，雙螺旋DNA分子中僅有一條鏈可作為RNA的模板。20世紀60年代Robert Roeder首次發(fā)現了RNA聚合酶，可催化RNA鏈中核苷酸間形成磷酸二酯鍵。原核細胞和真核細胞中均具有RNA聚合酶。原核生物只有一種RNA聚合酶。真核生物細胞核中有3種RNA聚合酶，分別稱為RNA聚合酶、，它們專一性地轉錄不同的基因，由

11、它們催化的轉錄產物也各不相同。原核生物RNA聚合酶去除亞基的部分稱核心酶，有RNA聚合酶活性，但不能起始RNA合成。亞基與其他部分結合疏松，本身并無催化功能，它的作用是負責模板鏈的選擇與轉錄的起始，使酶專一識別啟動子。真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶合成RNA的活性最高，它位于核仁中，負責轉錄編碼rRNA的基因。細胞內絕大部分RNA是rRNA。RNA聚合酶，位于核質中，負責核不均一RNA（ hnRNA ）和snRNA的合成，而hnRNA是mRNA的前體。RNA聚合酶負責合成tRNA和許多小分子量的核內RNAs。DNA轉錄合成RNA的方向按53 進行，合成過程分為三個階段：識別與起始、延長和終止

12、。識別與起始轉錄是從DNA分子的特定部位開始的，這個部位也是RNA聚合酶全酶結合的部位，也就是啟動子（promoter）。啟動子處的核苷酸序列具有特殊性。轉錄的起始是基因表達的關鍵階段。RNA聚合酶中的亞基識別并專一結合啟動子部分的特殊序列，使雙螺旋局部解旋，選擇模板鏈并開始轉錄。在合成磷酸二酯鍵后，亞基解離，由聚合酶中的核心酶部分負責RNA鏈的延伸。DNA雙螺旋在轉錄時只是暫時局部解旋，轉錄完畢即恢復雙螺旋結構。真核生物的轉錄過程往往還需要多種蛋白因子的協(xié)助，有一類叫做轉錄因子的蛋白質分子，它們能與RNA聚合酶形成轉錄起始復合物，共同參與轉錄起始的過程。RNA鏈的延長RNA鏈的延長靠核心酶的

13、催化，在起始復合物上第一個核苷酸的3-OH上與第二個三磷酸核苷起反應形成第一個磷酸二酯鍵。聚合后的核苷酸鏈又有核糖3-OH游離，這樣就可按模板DNA的指引，一個接一個地延長下去。因此RNA鏈的合成方面也是5-3。由于DNA鏈與合成的RNA鏈具有反平行關系，所以RNA聚合酶是沿著DNA鏈3-5方向移動。整個轉錄過程是由同一個RNA聚合酶來完成的一個連續(xù)不斷的反應。轉錄的終止移動的RNA聚合酶到達特定序列時轉錄終止，RNA聚合酶脫落，合成的RNA 釋放，DNA恢復雙螺旋結構。DNA鏈從啟動子到終止子的一段長度即是一個轉錄單位，稱為轉錄子（transcripton）。RNA聚合酶缺乏35外切酶活性，

14、所以沒有校正功能。 轉錄后加工剛合成的mRNA是初級轉錄物，稱為核不均一RNA（hnRNA），必須經過加工才能變?yōu)槌墒斓腞NA。原核生物轉錄生成的mRNA沒有轉錄后加工修飾過程。真核生物轉錄產生初級轉錄物為RNA前體，它們必須經過加工過程變?yōu)槌墒斓腞NA，才能表現其生物活性。 真核生物mRNA的加工修飾，主要包括對5端和3端的修飾以及對中間部分進行剪接。5端加帽：成熟的真核生物mRNA，其結構的5端都有一個m7G-ppp結構，該結構被稱為甲基鳥苷的帽子。5端帽子結構增加mRNA的穩(wěn)定性，保護mRNA免遭5外切核酸酶的攻擊，這種帽子結構還可能為核糖體對mRNA的識別提供了信號。 3端加尾：大多數

15、真核mRNA 都有3端的多聚A尾（poly A)，多聚A尾大約有200bp。多聚A尾不是由DNA編碼的，而是轉錄后在核內加上去的。受poly A聚合酶催化，該酶能識別mRNA游離的3-OH端，并加上約200個A殘基。剪接：結構基因中可以含有幾十個內含子。經過核酸內切酶作用剪切掉內含子，然后在連接酶作用下將有編碼意義的核苷酸片段即外顯子首尾相連，才構成完整的mRNA，可送出核外。不論拼接過程如何，拼接必須極為精確，否則會導致遺傳信息傳遞障礙，合成的蛋白質可能喪失其正常的功能。rRNA轉錄后加工（自我剪接）tRNA轉錄后加工tRNA前體需進行tRNA前體的5端前導序列特異性剪切；還要進行堿基修飾將

16、正常核苷酸轉變?yōu)樘厥夂塑账幔辉诤塑账徂D移酶作用下，3-末端除去個別堿基，換上tRNA分子統(tǒng)一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂結構。蛋白質翻譯mRNA從細胞核進入細胞質后，在核糖體上進行蛋白質合成的過程即為翻譯（translation）。具體步驟包括：氨基酸的活化、肽鏈合成起始、肽鏈的延長和終止。氨基酸的活化及活化后與相應 tRNA的結合過程，是由氨基酰tRNA合成酶來催化的。氨基酰tRNA合成酶存在于胞質中，具有高度特異性。它們能識別特異的氨基酸，也能辨認可攜帶該種氨基酸的特異tRNA分子。氨基酰tRNA以反密碼環(huán)識別mRNA的密碼子，將氨基酸運送到核糖體上合成蛋白質，以D環(huán)識別氨基酰tRNA合成酶，以T環(huán)與核糖體5S rRNA相識別。蛋白質合成的起始階段，在起始因子（IF）的作用下，30S亞基與mRNA的起始部位結合，再與甲酰甲硫氨酰tRNA結合，形成30S起始