第三章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

第三章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.1核酸是遺傳物質(zhì)

什么是遺傳物質(zhì)？從1900年孟德爾論文的重新發(fā)現(xiàn)到1910年摩爾根的果蠅伴性遺傳實(shí)驗(yàn)以來，生物學(xué)家一直在尋找答案。

1928年Griffith(格里費(fèi)斯)等的肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，

1944年Avery(阿委瑞

)等的單因子轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，

1952年Hershey(赫爾歇)和Chase的噬菌體感染實(shí)驗(yàn)，

1957年Fraenkel-Conrat(佛蘭科爾-康拉特)等的煙草花葉病毒重建試驗(yàn)，先后證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)，在不具備DNA的病毒中，RNA是遺傳物質(zhì)，即核酸是遺傳物質(zhì)，是遺傳信息的載體。第二個(gè)問題是，遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)是什么？1953年Watson和Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，給出了圓滿的答案。第三個(gè)問題是遺傳信息如何傳遞？基因如何表達(dá)？這得益于“中心法則”的提出和遺傳密碼的破譯以及“DNA半保留半不連續(xù)模型”的證明。第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.1.1DNA作為主要遺傳物質(zhì)的間接證據(jù)：

第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日1．含量：

DNA含量恒定。體細(xì)胞DNA含量是配子DNA的一倍；多倍體DNA含量倍增，但細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量不恒定。2．代謝：利用放射性與非放射性元素進(jìn)行標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)：

DNA分子代謝較穩(wěn)定；其它分子一邊形成、同時(shí)又一邊分解。3．突變：

紫外線誘發(fā)突變時(shí)，最有效波長均為2600埃；與DNA所吸收的紫外線光譜一致；證明基因突變與DNA分子的變異密切聯(lián)系。第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日4．分布：①．DNA是所有生物染色體所共有：噬菌體、病毒、植物、人類等。②．而蛋白質(zhì)則不同：噬菌體、病毒、細(xì)菌的蛋白質(zhì)一般不存在于染色體上，而真核生物染色體中有核蛋白組成。第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA作為主要遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)（1）肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)：DNA是遺傳物質(zhì)的概念源于1928年Griffith等進(jìn)行的肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae，舊稱肺炎雙球菌Diplococcuspneumoniae）的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。由于Griffith等沒有做單因子轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)還不能說明引起轉(zhuǎn)化作用的物質(zhì)是什么。直到1944年Avery等三位美國科學(xué)家不僅在體外成功重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)，而且用生物化學(xué)的方法對S型菌提取液的所有成分分離后，進(jìn)行單因子轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證明轉(zhuǎn)化因子是DNA，而不是多糖莢膜、蛋白質(zhì)和RNA，而且轉(zhuǎn)化頻率隨著DNA的純度的提高而增加。Avery等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次證明轉(zhuǎn)化因子是DNA，取得了DNA是遺傳物質(zhì)的第一個(gè)和最重要的一個(gè)證據(jù)，明確了DNA是遺傳信息的載體。第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日肺炎鏈球菌第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日格里費(fèi)斯（GriffithF.，1928）：肺炎雙球菌定向轉(zhuǎn)化試驗(yàn)。

①無毒IIR型小鼠成活重現(xiàn)IIR型②有毒IIIS型小鼠死亡重現(xiàn)IIIS型③有毒IIIS型（65℃殺死）小鼠成活無細(xì)菌④無毒IIR型有毒IIIS型（65℃殺死）小鼠死亡重現(xiàn)IIIS型結(jié)論：

在加熱殺死的IIIS型肺炎雙球菌中有較耐高溫的轉(zhuǎn)化物質(zhì)能夠進(jìn)入IIR型

IIR型轉(zhuǎn)變?yōu)镮IIS型無毒轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸尽?/p>

第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日阿委瑞（AveryO.T.，1944）試驗(yàn)：第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日1952年Hershey（赫爾歇

）和Chase用標(biāo)記放射性同位素的方法，進(jìn)行了噬菌體感染實(shí)驗(yàn)，為證明DNA是遺傳物質(zhì)提供了更直接的證據(jù)。

T2噬菌體是感染大腸桿菌（E.coli）的一種噬菌體，它由蛋白質(zhì)外殼和DNA核心構(gòu)成。在噬菌體中，其蛋白質(zhì)是唯一含硫（S）的物質(zhì)，而DNA是唯一含磷（P）的物質(zhì)。利用這一特性，他們在放射性32P和35S存在的情況下，使噬菌體進(jìn)行繁殖，再用這種帶有放射性物質(zhì)標(biāo)記的噬菌體去感染無放射性的大腸桿菌，幾分鐘后離心除去未吸附的噬菌體，再利用搗碎機(jī)搗碎使噬菌體與大腸桿菌分開。對其進(jìn)行離心，發(fā)現(xiàn)從大腸桿菌表面釋放的噬菌體外殼在上清液中，它們由蛋白質(zhì)組成，含有80％放射性標(biāo)記35S，而大腸桿菌在沉淀中，含有80％放射性標(biāo)記32P。實(shí)驗(yàn)表明在噬菌體感染過程中，只有DNA進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞，而蛋白質(zhì)外殼留在細(xì)菌體外。

該實(shí)驗(yàn)證明具有遺傳作用的是DNA而不是蛋白質(zhì)。（2）噬菌體感染試驗(yàn)：第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日（3）煙草TMV的重建試驗(yàn)：

能感染煙草的煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus,TMV）由蛋白質(zhì)外殼和RNA核心組成?？梢詮腡MV病毒分別提取它的蛋白質(zhì)和RNA，再將它們放在一起，可以得到具有感染力的病毒顆粒。1957年Fraenkel-Conrat（佛蘭科爾-康拉特）等人將兩個(gè)不同的MTV株系（S株系和HR株系）的蛋白質(zhì)和RNA分別提取出來，然后相互對換，將S株系的蛋白質(zhì)和HR株系的RNA，或反過來將HR株系的蛋白質(zhì)和R株系的RNA放在一起，重建形成兩種雜種病毒，去感染煙草葉片。結(jié)果是葉片上所產(chǎn)生的病斑跟所含RNA密切相關(guān)，是什么樣的RNA就形成什么樣的子代病毒粒子，即子代病毒粒子的外殼蛋白是由RNA決定的，而不是由蛋白質(zhì)決定的。令人信服地證明在不具有DNA的病毒中，RNA是遺傳物質(zhì)。第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日佛蘭科爾-康拉特-辛格爾（Framkel-Conrat-Singer）試驗(yàn)：結(jié)論：提供RNA的親本決定了其后代的RNA和蛋白質(zhì)。

在不含DNA的TMV中，RNA就是遺傳物質(zhì)。第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2核酸的分子結(jié)構(gòu)3.2.1核酸的分子組成第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA和RNA都含四種主要堿基：其中腺嘌呤（adenine,A）、鳥嘌呤（guanine,G）、和胞嘧啶（cytosine,C）是兩者共有，而尿嘧啶（uracil,U）為RNA特有，胸腺嘧啶（thymine,T）為DNA所特有。DNA的堿基組成具有很明顯的特征，即A／T＝G／C＝1，而RNA的堿基組成一般沒有這種特點(diǎn)。DNA和RNA都含有戊糖，其本質(zhì)的區(qū)別在于它們含有的戊糖的類別不同：RNA含有D-核糖，而DNA含有2’－脫氧－D－核糖。第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.2DNA的分子結(jié)構(gòu)（1）DNA的一級結(jié)構(gòu)：DNA的一級結(jié)構(gòu)是指核苷酸在DNA分子中的排列順序。在DNA的一級結(jié)構(gòu)中因?yàn)楦鞣N脫氧核苷酸的脫氧核糖和磷酸都是相同的，所以堿基順序也就代表了核苷酸順序。生物的遺傳信息通過核苷酸的不同排列順序貯存在DNA分子中，堿基的順序就是信息所要表達(dá)的內(nèi)容，堿基順序稍有變化，就可能引起遺傳信息的很大變動(dòng)，因此順序測定對于闡明DNA的結(jié)構(gòu)和功能具有更本性的意義。從這個(gè)意義上我們可以更深刻地理解基因組計(jì)劃的偉大作用。第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）DNA的二級結(jié)構(gòu)：是指DNA通過分子間相互作用形成的雙鏈或雙螺旋分子，即DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（doublehelicalstructure）。1953年Watson和Crick根據(jù)Wilkins及Franklin對DNA纖維X射線衍射圖研究證明DNA分子具有螺旋結(jié)構(gòu)的信息，Chargaff等發(fā)現(xiàn)的DNA中堿基含量A=T，G=C，(A＋G＝T＋C)的定律，以及對四種堿基的物化數(shù)據(jù)的分析結(jié)果等，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（double-helicalmodelofDNA）。該模型從分子水平上合理地解釋了DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄與遺傳信息的表達(dá)過程，解決了DNA的自我復(fù)制問題，鞏固了DNA作為遺傳物質(zhì)和遺傳信息載體的地位。第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA雙螺旋的多態(tài)性：第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日（3）DNA的高級結(jié)構(gòu)：是指DNA的超螺旋（supercoil）結(jié)構(gòu)和染色體DNA所具有的復(fù)雜折疊狀態(tài)。超螺旋是DNA雙螺旋的螺旋軸盤繞而形成的螺旋，是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種形式。DNA的三級結(jié)構(gòu)是指雙螺旋鏈的扭曲。例如在B-DNA雙螺旋中，每10個(gè)核苷酸長度旋轉(zhuǎn)一圈，這時(shí)雙螺旋最穩(wěn)定處于能量最低態(tài)。第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

生物體中絕大多數(shù)DNA以超螺旋的形式存在，比喻細(xì)菌質(zhì)粒、大腸桿菌染色體、線粒體DNA、葉綠體DNA、以及哺乳類病毒基因組等。例如大腸桿菌染色體（擬核）的結(jié)構(gòu)域就是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)，在各結(jié)構(gòu)域中若用DNA酶處理，DNA鏈將會(huì)斷裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)受到破壞，變?yōu)樗沙谛徒Y(jié)構(gòu)。一個(gè)閉合分子必須在DNA的每一條鏈上都沒有斷裂，既是在一條鏈上出現(xiàn)斷裂都有可能導(dǎo)致雙螺旋的消失。同樣，一個(gè)分子無論是閉合還是開放結(jié)構(gòu)，只要缺少雙螺旋結(jié)構(gòu)，就稱為松弛型。第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

核小體與染色質(zhì)纖維的包裝

DNA在真核生物核小體(nucleosome)結(jié)構(gòu)中的扭曲方式也是一種超螺旋結(jié)構(gòu)。核小體可以組成更高層次的結(jié)構(gòu)。

真核生物的一條染色體是一個(gè)完整的DNA雙螺旋分子。在哺乳動(dòng)物中，每一染色體的DNA約有6×109bp，如此長的DNA分子如何存在于平均10μm的細(xì)胞核內(nèi)呢？也就是說，線狀的DNA是如何包裝成分裂中期高度卷縮的染色體？染色體：1/3DNA，1/3組蛋白，1/3非組蛋白，痕量的RNA

組蛋白共有5類，即H1，H2A，H2B，H3和H4。組蛋白相當(dāng)保守，在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)中起著重要的作用。非組蛋白在不同有機(jī)體、不同組織間變化很大，可能與基因的調(diào)控有關(guān)。第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日

真核生物染色體的結(jié)構(gòu)：真核生物染色體至少有3個(gè)層次的壓縮使DNA包裝成中期染色體。第一層次:核小體DNA雙螺旋環(huán)繞組蛋白八聚體形成核小體(nucleosome）為染色體結(jié)構(gòu)的最基本單位，直徑約10nm?！窈诵◇w核心(組蛋白八聚體，包括H2A，H2B，H3和H4各兩個(gè)分子)環(huán)繞核小體的DNA,長約180-200bp盤繞絲（146bp）:盤繞組蛋白八聚體表面1.75圈連接絲（34-54bp）:連接相鄰2個(gè)核小體，一個(gè)分子的組蛋白H1第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二層次:螺線管（體）10nm的核小體纖絲通過折疊或螺旋化形成中空的直徑約30nm的螺線管（solenoid）。組蛋白H1參與這一層次的壓縮，它結(jié)合于核小體與連接絲連接的部位。第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日第三層次:中期染色體染色體非組蛋白形成一個(gè)骨架（scaffold），30nm的螺線管圍繞著骨架壓縮成緊密包裝的超螺線體。超螺線體再進(jìn)一步壓縮、折疊和螺旋化成中期染色體，但其機(jī)制還不十分清楚。多級螺旋模型放射環(huán)－骨架模型第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.2.3RNA的分子結(jié)構(gòu)(1)tRNA分子：已經(jīng)做出全序列分析的tRNA有3300種以上。

tRNA都是小分子，長75－94個(gè)核苷酸，5’端有末端磷酸化基團(tuán)，3’端為CCA-OH序列,分子中稀有堿基含量較高，而且許多被甲基化修飾；分子內(nèi)部有堿基互補(bǔ)區(qū)，都能形成三葉草形二級結(jié)構(gòu)。該二級結(jié)構(gòu)一般由氨基酸接受臂、二氫尿嘧啶環(huán)（D環(huán)）、反密碼子環(huán)和TψC環(huán)組成，有的還在反密碼子環(huán)和TψC環(huán)之間存在額外環(huán)。

tRNA的三級結(jié)構(gòu)都為倒L形結(jié)構(gòu)。第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日圖tRNA分子結(jié)構(gòu)第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）rRNA分子大腸桿菌的5S、16S和23SrRNA的一、二級結(jié)構(gòu)分別含有120、1542和2904核苷酸。

組成：5個(gè)雙螺旋區(qū)和其他單鏈區(qū)；兩個(gè)功能域：一個(gè)功能域中含有5’CGAAC序列，這是與tRNA分子TψC環(huán)上的GTψCG序列相互作用的部位，使tRNA與核糖體結(jié)合。另一個(gè)功能域與23SrRNA中的一段序列互補(bǔ)，對核糖體大亞基與rRNA的相互作用有重要意義。大腸桿菌5SrRNA的二級結(jié)構(gòu)模型第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日不同來源的16SrRNA具有相似的二級結(jié)構(gòu)。大腸桿菌16SrRNA的二級結(jié)構(gòu)四個(gè)功能域：5’端功能域中心功能域3’末端大功能域3’末端小功能域

在這些功能域中有與mRNA互補(bǔ)的部位，有結(jié)合肽酰tRNA的部位，有些則在30S與50S亞基結(jié)合中起作用等，涉及多種識(shí)別與作用功能第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日RNA的二級結(jié)構(gòu)在基因的表達(dá)與調(diào)控過程中起著重要的作用例如：

rRNA與mRNA間的堿基配對控制著蛋白質(zhì)的起始；

tRNA與mRNA間的堿基配對促進(jìn)翻譯過程；

RNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)及莖環(huán)結(jié)構(gòu)控制轉(zhuǎn)錄的終止、翻譯的效率以及mRNA的穩(wěn)定性；RNA-RNA間的堿基配對在內(nèi)含子的剪切過程中也起著重要的作用。近年對小分子RNA的結(jié)構(gòu)和功能的研究，揭示出它們在生物的發(fā)育、生長、繁殖和基因表達(dá)與調(diào)控中的多種重要功能，這值得引起我們的關(guān)注和重視。第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3DNA復(fù)制3.3.1DNA復(fù)制的基本規(guī)律①DNA復(fù)制一般按半保留半不連續(xù)的的方式進(jìn)行；②復(fù)制起始（Initiation）在原點(diǎn)（Origin）的特定序列上；③復(fù)制的起點(diǎn)處控制復(fù)制；④復(fù)制叉（Fork）的移動(dòng)有單向或雙向；⑤鏈的延伸方向只能是5’→3’方向；⑥在存在模板的條件下，DNA聚合酶以短的RNA片段作為引物開始合成DNA的短片段；第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日⑦存在各種DNA鏈的合成起始機(jī)制，除了RNA引發(fā)外，還存在其它的一些機(jī)制，包括DNA鏈與一個(gè)末端蛋白共價(jià)結(jié)合，以及缺口的共價(jià)延伸，或者親本鏈已被環(huán)出的末端等；⑧終止也是在復(fù)制過程中的某個(gè)固定點(diǎn)；⑨復(fù)制的機(jī)制取決于基因組結(jié)構(gòu)和構(gòu)象來保持產(chǎn)生完整的染色體；⑩即使在同一個(gè)細(xì)胞內(nèi)也可進(jìn)行多種復(fù)制機(jī)制的操作。第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.2半保留半不連續(xù)復(fù)制半保留復(fù)制第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日半不連續(xù)復(fù)制第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.3環(huán)狀雙鏈DNA復(fù)制方式（1）滾環(huán)復(fù)制：滾環(huán)復(fù)制又叫σ復(fù)制

λ的增殖、接合，以及真核生物rDNA的擴(kuò)增都是以這種復(fù)制方式進(jìn)行。

滾環(huán)復(fù)制中，在環(huán)狀雙鏈DNA的一條鏈上造成專一性缺口，產(chǎn)生游離的3′-OH末端作為引物，以另一條完整環(huán)狀單鏈作為模板，由DNA聚合酶催化延伸，新合成的鏈沿著環(huán)狀的模板鏈滾動(dòng)；這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)稱為滾環(huán)（rollingcircle）。隨著它的滾動(dòng)，3′端不斷延長，5′端不斷地被置換甩出而成為一條單鏈，該單鏈可以延長出基因組的多個(gè)拷貝單位，按照單位長度斷裂，就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)單鏈線性拷貝第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）θ-型復(fù)制

1963年Cairns對大腸桿菌DNA放射自顯影實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出來的。大腸桿菌DNA雙鏈環(huán)狀分子在其DNA復(fù)制過程的中間產(chǎn)物，在放射自顯影觀察時(shí)可形成一個(gè)θ-型結(jié)構(gòu)。這是由于復(fù)制從復(fù)制原點(diǎn)（OriC）開始，形成兩個(gè)復(fù)制叉，雙向復(fù)制所產(chǎn)生的結(jié)果。θ-型復(fù)制需要RNA引物，半保留半不連續(xù)復(fù)制。一條單鏈總是和模板鏈互補(bǔ)地結(jié)合在一起形成子鏈。第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日（3）線粒體的D環(huán)復(fù)制哺乳動(dòng)物mtDNA復(fù)制：不對稱不同時(shí)的復(fù)制。先復(fù)制雙鏈中的一條鏈，待該鏈復(fù)制到2/3的長度時(shí)，另一條鏈才開始復(fù)制。由于重鏈和輕鏈上有各自的復(fù)制起點(diǎn)，其復(fù)制起始的特點(diǎn)是，在起始區(qū)形成D-Loop(Displacement)結(jié)構(gòu)，即重鏈和以重鏈為模板合成的新鏈組成的雙鏈部分以及被新鏈替代出來的單鏈（輕鏈）部分形成的結(jié)構(gòu)。D－loop區(qū)含有約500－600bp，它是不穩(wěn)定的，處于降解?合成狀態(tài)，這樣來保持該區(qū)雙鏈被打開，即D-loop結(jié)構(gòu)。第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.3.4真核生物染色體端粒的復(fù)制

端粒（telomere）是真核生物染色體末端的一種特殊結(jié)構(gòu)。功能：防止染色體末端免受核酸酶的降解，維持染色體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保持染色體的完整性，為線狀染色體的末端復(fù)制提供基礎(chǔ)。此外，端粒與染色體聯(lián)會(huì)、細(xì)胞分裂和細(xì)胞衰老等也有密切的關(guān)系。端粒DNA的序列比較特殊，由一系列短的隨機(jī)串聯(lián)重復(fù)序列組成，可用Gn(A/T)m的一般式來表示，其中n>1,m為1~4。例如四膜蟲為TTGGGG，線蟲為TTAGGC，哺乳類為TTAGGG等。第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

當(dāng)端粒（TTAGGG）n序列的3’－單鏈末端序列折回堿基配對取代其上游相同序列時(shí)，將形成一個(gè)類似D-loop的t-loop（telomereloop）結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的形成提供了一個(gè)有序的高級結(jié)構(gòu)，使凸出3’單鏈埋藏在DNA分子內(nèi)部以免與端粒酶接觸，同時(shí)也保護(hù)了單鏈。第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日端粒的復(fù)制：是由端粒酶（telomerase）催化合成的，端粒酶是一個(gè)大的核糖核蛋白分子，由多條多肽與一單個(gè)RNA分子組成。端粒酶RNA的核心序列是復(fù)制端粒DNA的模板，它是一富含C的15~22nt重復(fù)序列。端粒酶是一種特殊的反轉(zhuǎn)錄酶，其活性只限于利用端粒酶特異的RNA作為模板。第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.4RNA轉(zhuǎn)錄與加工

轉(zhuǎn)錄是DNA的遺傳信息被拷貝成RNA的遺傳信息的過程。一般將DNA雙鏈分子上帶有遺傳信息的鏈稱為非模板鏈（non-templatestrand），或基因鏈（genestrand），或有義鏈（sensestrand），或編碼鏈（codingstrand），它與mRNA序列一致，代表的是從遺傳密碼到蛋白質(zhì)序列相聯(lián)系的DNA序列。另一條與其互補(bǔ)的鏈稱為模板鏈（templatestrand），或反基因鏈（antigenestrand），或反義鏈（antisensestrand），它是作為模板合成mRNA的DNA鏈。所有基因均以模板鏈為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，因而轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的堿基順序必定與基因鏈的遺傳信息一致。第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日

轉(zhuǎn)錄過程可以分為模板識(shí)別（templaterecognition）、轉(zhuǎn)錄起始（transcriptioninitiation）、延伸（elongation）和終止（termination）4個(gè)基本階段。模板識(shí)別是指RNA聚合酶與啟動(dòng)子相互作用并結(jié)合到啟動(dòng)子上的過程；轉(zhuǎn)錄起始是RNA聚合酶結(jié)合到啟動(dòng)子上后開始合成RNA；延伸是RNA鏈被延伸，RNA合成主要在此階段；終止是指延伸被終止，轉(zhuǎn)錄物（transcript）從模板上脫離下來。第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.4.1原核生物RNA的合成（1）大腸桿菌RNA聚合酶大多數(shù)原核生物RNA聚合酶的組成是相同的，而且只有一種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄所有的基因。

α2ββ’組成大腸桿菌核心酶（coreenzyme），σ因子加入后形成全酶（holoenzyme）專一性起始轉(zhuǎn)錄原核生物一種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄所有的基因，其中σ因子控制啟動(dòng)子的識(shí)別。由于σ因子替代引導(dǎo)核心酶去識(shí)別一組不同的啟動(dòng)子。第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日E.coli有幾種不同的σ因子不同的σ因子識(shí)別不同啟動(dòng)子的保守序列第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日

一個(gè)σ因子（E.coli中是σ70）起始大部分基因的轉(zhuǎn)錄，而其他σ因子識(shí)別不同的啟動(dòng)子，可以誘導(dǎo)特殊基因的協(xié)同表達(dá)。原核生物一種RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄所有的基因，其中σ因子控制啟動(dòng)子的識(shí)別。由σ因子替代引導(dǎo)核心酶去識(shí)別一組不同的啟動(dòng)子。第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）原核生物啟動(dòng)子

啟動(dòng)子promotor：DNA分子上RNA聚合酶最先結(jié)合部位，Promotor在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游原核生物啟動(dòng)子由四個(gè)區(qū)域組成：1、轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)是指在合成RNA時(shí)DNA鏈上第一個(gè)核苷酸摻入的位點(diǎn)。2、－10序列（Pribnowbox）：轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游－10位置，consensussequence是TATAPuATG。3、－35序列（Sextamabox）RNA聚合酶所覆蓋的區(qū)域，共有序列是TTGACA，位于－35位置。是RNA聚合酶對轉(zhuǎn)錄模板的初始識(shí)別位點(diǎn)，決定啟動(dòng)子的強(qiáng)度。4、－10區(qū)和－35區(qū)間的距離兩個(gè)元件之間的距離卻至關(guān)重要；相距17bp時(shí)，轉(zhuǎn)錄效率最高。第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日（3）原核生物終止子terminator

終止子：提供轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列終止子的結(jié)構(gòu)特征

1.發(fā)夾結(jié)構(gòu)

2.polyU序列

3.真正起終止作用的不是DNA序列，而是轉(zhuǎn)錄生成的RNA結(jié)構(gòu)第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日（4）原核生物RNA的合成起始延伸終止和釋放第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日在原核生物中，轉(zhuǎn)錄、翻譯以及mRNA的降解通常是同時(shí)進(jìn)行的。因?yàn)樵谠松镏胁淮嬖诤四ぐ募?xì)胞核。RNA的轉(zhuǎn)錄和多肽鏈的合成都是從5′→3′，只要mRNA的5′端合成后，即可開始翻譯。在原核生物中mRNA的壽命一般只有幾分鐘。往往在3′端mRNA的轉(zhuǎn)錄還沒有最后結(jié)束，5′端mRNA在完成多肽鏈的合成后，已經(jīng)開始降解。

（5）轉(zhuǎn)錄和翻譯同時(shí)進(jìn)行第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日（1）真核生物細(xì)胞中有3類RNA聚合酶

真核生物RNA聚合酶含有十多種亞基。對原核生物和真核生物的RNA聚合酶的蛋白質(zhì)電泳分析表明：在真核生物中，一些蛋白質(zhì)亞基在所有的RNA聚合酶中是共同都具有的。一些亞基與細(xì)菌RNA聚合酶有關(guān)系。3.4.2真核生物RNA的合成第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日

真核生物RNA聚合酶需要一些轉(zhuǎn)錄起始因子（transcriptioninitiationfactors,TIFs）或一般轉(zhuǎn)錄因子（generaltranscriptionfactors,GTFs）幫助其識(shí)別啟動(dòng)子。首先轉(zhuǎn)錄起始因子按特定順序結(jié)合于啟動(dòng)子上形成復(fù)合物，幫助RNA聚合酶定位到DNA上的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，RNA聚合酶才能與之相結(jié)合，形成前起始復(fù)合物。由于多個(gè)轉(zhuǎn)錄起始因子的相互作用使DNA分子構(gòu)象發(fā)生改變，從閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換成開放形式。轉(zhuǎn)錄起始因子與RNA聚合酶一起組成了轉(zhuǎn)錄起始的基本裝置（basalapparatus）。第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日

普遍性轉(zhuǎn)錄因子(generaltranscriptionfactor)也稱基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子（basaltranscriptionfactor）：它們是轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組成成員，主要任務(wù)是將RNA聚合酶定位在核心啟動(dòng)子上，幫助RNA聚合酶正確識(shí)別起始位點(diǎn)并開始轉(zhuǎn)錄。

特異性轉(zhuǎn)錄因子(specific/specialtranscriptionfactor)或序列特異性轉(zhuǎn)錄因子：使聚合酶特異地應(yīng)答各種外界的刺激，更加高效而且協(xié)調(diào)地進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。因?yàn)?，這類轉(zhuǎn)錄因子對轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組裝及轉(zhuǎn)錄速率施加影響，并決定某一基因是否表達(dá)，所以又可稱其為轉(zhuǎn)錄激活因子。第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日

轉(zhuǎn)錄激活因子在真核生物基因的表達(dá)調(diào)控中占有十分重要的地位，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)錄激活因子都可與基因的調(diào)控序列結(jié)合，屬于DNA結(jié)合蛋白。

轉(zhuǎn)錄因子多種多樣：可識(shí)別上游啟動(dòng)子元件，或與更遠(yuǎn)的增強(qiáng)子結(jié)合，通過直接或借助其他蛋白質(zhì)的接觸來激活前體起始復(fù)合物的形成；有些轉(zhuǎn)錄因子，如p300/CBP可以修飾組蛋白，部分影響核小體的定位，而非影響前體起始復(fù)合物的組裝；還有一些轉(zhuǎn)錄因子的作用是使DNA彎曲成一定的形狀，使其它轉(zhuǎn)錄因子相互接觸…；還有一些轉(zhuǎn)錄因子并無DNA結(jié)合活性，只是通過與蛋白質(zhì)之間接觸的方式與前起始復(fù)合物作用激活轉(zhuǎn)錄。第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）真核生物啟動(dòng)子真核生物有3類RNA聚合酶，分別識(shí)別三種不同類型的啟動(dòng)子，它們在結(jié)構(gòu)上各有特點(diǎn)。①RNA聚合酶I識(shí)別的啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)：RNA聚合酶I（RNApolI），只轉(zhuǎn)錄rRNA一種基因，包括5.8S、18S和28SrRNA。第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日②RNA聚合酶Ⅲ識(shí)別的啟動(dòng)子的結(jié)構(gòu)

RNAPolⅢ基因的產(chǎn)物為一些分子量較小的細(xì)胞質(zhì)RNA（cytoplasmicRNA，scRNA）、tRNA、5SrRNA、7SLRNA(參與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移)、U6RNA(轉(zhuǎn)錄后加工)等。

RNAPolⅢ基因的啟動(dòng)子很特殊，既有上游啟動(dòng)子也有下游啟動(dòng)子。下游啟動(dòng)子位于它們轉(zhuǎn)錄的基因編碼序列內(nèi)，通常核心啟動(dòng)子在＋50bp－＋100bp之間，由2個(gè)分開的框序列組成，Abox和Cbox，或Abox和Bbox。因此，RNAPolⅢ基因的啟動(dòng)子有三種類型：Ⅰ型基因內(nèi)啟動(dòng)子、Ⅱ型基因內(nèi)啟動(dòng)子和Ⅲ型基因外啟動(dòng)子。第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日Ⅰ型基因內(nèi)啟動(dòng)子：是5SrRNA基因所具有的啟動(dòng)子，不含TATA框，轉(zhuǎn)錄控制區(qū)（核心啟動(dòng)子）位于+50至+80的區(qū)段，由boxA和boxC組成。這類啟動(dòng)子需要TFⅢA,TFⅢB和TFⅢC的結(jié)合來定位RNA聚合酶。

Ⅱ型基因內(nèi)啟動(dòng)子：是tRNA基因的啟動(dòng)子，無TATA框，由Abox和Bbox構(gòu)成基因的不連續(xù)啟動(dòng)子。Abox位于＋10bp至＋20bp;Bbox位于＋50bp至＋65bp。只需要TFⅢB和TFⅢC的結(jié)合來定位RNA聚合酶。

Ⅲ型基因外啟動(dòng)子：是某些scRNA、U6RNA和7SLRNA基因的啟動(dòng)子，屬上游啟動(dòng)子，它由TATA框、PSE（proximalsequenceelement，近端順序元件）和Oct元件等3個(gè)上游元件組成。TATA框可能決定聚合酶類型的特異性，PSE和Oct元件的存在可以大大增加轉(zhuǎn)錄效率。第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日③RNA聚合酶Ⅱ識(shí)別的啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)

RNA聚合酶Ⅱ（RNApolⅡ）主要負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)基因（結(jié)構(gòu)基因）和部分核內(nèi)小RNA(smallnuclearRNA，snRNA)的轉(zhuǎn)錄，其識(shí)別的啟動(dòng)子位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。

RNApolⅡ識(shí)別的啟動(dòng)子由

核心啟動(dòng)子（corepromoter）或基本啟動(dòng)子（basalpromoter）上游啟動(dòng)子元件（upstreampromoterelement，UPE）組成。第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

核心啟動(dòng)子是指在體外測定到的由RNApolⅡ進(jìn)行精確轉(zhuǎn)錄起始所要求的最低限度的一套DNA序列元件。一個(gè)典型的核心啟動(dòng)子與起始位點(diǎn)緊密靠近，長約80個(gè)核苷酸左右，從轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)向上游（－40）或下游（＋40）延伸。

RNApolⅡ核心啟動(dòng)子由4種元件組成：

TATA框（TATAelement或TATAbox）

TBⅡB識(shí)別序列（TBⅡBrecognitionelement,BRE）起始子（initiator,InR）下游啟動(dòng)子元件（downstreampromoterelement,DPE）第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日

起始子一般由Py2CAPy5構(gòu)成，位于－2至+4之間，可能提供RNApolⅡ的識(shí)別。只包含InR的啟動(dòng)子是能被RNApolⅡ識(shí)別的最簡單形式DPE對于含InR但不含TATA框的啟動(dòng)子的活性十分重要，但對含TATA框的啟動(dòng)子卻無作用。TATA框的作用是選擇正確的起始位點(diǎn)，保證精確起始并產(chǎn)生基礎(chǔ)水平的轉(zhuǎn)錄，當(dāng)某些基因缺少TATA框時(shí)可由InR來替代這一作用。TBⅡB識(shí)別序列位于－32至－37bp之間，作用是介導(dǎo)RNApolⅡ的結(jié)合，影響轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的選擇；第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日（3）真核生物RNA的合成特點(diǎn)

真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄完成后需要運(yùn)送到核外，因此壽命較長真核生物一個(gè)mRNA分子一般只含有一個(gè)基因，單順反子mRNA

真核生物RNA合成后的加工第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日原核生物與真核生物RNA轉(zhuǎn)錄的區(qū)別

1.真核生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)，翻譯在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行；

原核生物則在核區(qū)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯；

2.真核生物一個(gè)mRNA只編碼一個(gè)基因；

原核生物一個(gè)mRNA編碼多個(gè)基因；

3.真核生物有RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三種不同的酶；

原核生物則只有一種RNA聚合酶；

4.真核生物中轉(zhuǎn)錄的起始更復(fù)雜，RNA的合成需要轉(zhuǎn)錄因子

的協(xié)助進(jìn)行轉(zhuǎn)錄；原核生物則較為簡單；

5.真核生物的mRNA轉(zhuǎn)錄后進(jìn)行加工，然后運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行翻譯；原核生物無需進(jìn)行加工，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.5遺傳密碼與蛋白質(zhì)合成3.5.1遺傳密碼的性質(zhì)

遺傳密碼（geneticcode）是聯(lián)系mRNA的堿基序列和蛋白質(zhì)氨基酸序列的橋梁。①遺傳密碼是三聯(lián)體密碼（tripletcode），1個(gè)密碼子由3個(gè)核苷酸組成，它特異編碼多肽鏈中的1個(gè)氨基酸。第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日②遺傳密碼無逗號密碼與密碼之間沒有任何不編碼的核苷酸，閱讀mRNA時(shí)是連續(xù)的。③遺傳密碼不重疊遺傳密碼不重疊是指一個(gè)蛋白質(zhì)中為氨基酸編碼的密碼子上的3個(gè)核苷酸只參與編碼1個(gè)氨基酸，在多核苷酸鏈上任何兩個(gè)相鄰的密碼子不共用任何核苷酸，核苷酸本身不重疊使用。④遺傳密碼具有通用性在所有的生物中，密碼子字典幾乎是通用的，既適用于原核生物，也適用于多數(shù)真核生物。⑤遺傳密碼具有簡并性（degeneracy），61種有義密碼子決定20種氨基酸，必然同一個(gè)氨基酸有多個(gè)密碼子。實(shí)際上除AUG（Met）和UGG（Trp）以外，每個(gè)氨基酸都有一個(gè)以上的密碼子，這種現(xiàn)象稱為密碼的簡并。⑥有起始密碼子和終止密碼子第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.5.2tRNA與遺傳密碼（1）反密碼子中的“擺動(dòng)”（wobble）問題在蛋白質(zhì)的合成過程中，tRNA的反密碼子在核糖體內(nèi)是通過堿基的反向配對與mRNA上的密碼子相互作用的。

1996年，Crick根據(jù)立體化學(xué)原理提出擺動(dòng)假說（wobblehypothesis），解釋了反密碼子中某些稀有成分（如Ⅰ）的配對，以及許多氨基酸有2個(gè)以上密碼子問題。根據(jù)擺動(dòng)假說，在密碼子與反密碼子的配對中，前兩個(gè)嚴(yán)格遵守堿基配對原則，第三對堿基有一定的自由度，可以“擺動(dòng)”，因而使某些tRNA可以識(shí)別1個(gè)以上的密碼子。第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.反密碼子第一位是C或A時(shí)，只能識(shí)別一種密碼子反密碼子（3’）X-Y-C（5’）（3’）X-Y-A（5’）密碼子（5’）Y-X-G（3’）（5’）Y-X-U（3’）2.反密碼子第一位是U或G時(shí)，可分別識(shí)別兩種密碼子反密碼子（3’）X-Y-U（5’）（3’）X-Y-G（5’）密碼子（5’）Y-X-A/G（3’）（5’）Y-X-C/U（3’）3.反密碼子第一位是Ⅰ時(shí)，可分別識(shí)別3種密碼子反密碼子（3’）X-Y-Ⅰ（5’）密碼子（5’）Y-X-A/U/C（3’）第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）tRNA的種類起始tRNA和延伸tRNA

能特異識(shí)別mRNA模板上起始密碼子的tRNA叫起始tRNA,其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。原核起始tRNA攜帶甲酰甲硫氨酸（fMet）真核起始tRNA攜帶甲硫氨酸（Met）原核生物中Met-tRNAfMet必須首先甲?；蒮Met-tRNA才能參與蛋白質(zhì)的生成。第七十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

同功tRNA

由于一種氨基酸可能有多個(gè)密碼子，為了識(shí)別也就有多個(gè)tRNA，即多個(gè)tRNA代表同一種氨基酸，我們將幾個(gè)代表相同氨基酸的tRNA稱為同工tRNA。在一個(gè)同工tRNA組內(nèi)，所有tRNA均專一于相同的氨酰－tRNA合成酶。校