普通遺傳學(xué)-第五章-遺傳的分子基礎(chǔ)

普通遺傳學(xué)_第五章_遺傳的分子基礎(chǔ)遺傳物質(zhì)必須具備得條件遺傳功能，即基因的復(fù)制遺傳物質(zhì)必須貯存遺傳信息，并能將其復(fù)制且一代一代精確地傳遞下去。

1變異功能遺傳物質(zhì)必須發(fā)生變異，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，沒有變異就沒有進(jìn)化。3表達(dá)功能能控制生物體性狀的發(fā)育和表達(dá)。2對遺傳物質(zhì)得早期推測20世紀(jì)20年代：人們認(rèn)識到蛋白質(zhì)是由多種氨基酸連接而成的大分子，氨基酸多種多樣的排列順序，可能蘊(yùn)含著遺傳信息20世紀(jì)30年代：人們認(rèn)識到DNA是由許多脫氧核苷酸聚合而成的生物大分子。組成DNA分子的脫氧核苷酸有四種，每一種有一個特定的堿基。但由于對DNA分子得結(jié)構(gòu)沒有清晰得了解,人們認(rèn)為蛋白質(zhì)就是遺傳物質(zhì)得觀點(diǎn)仍占主導(dǎo)地位。為什么我們現(xiàn)在認(rèn)為DNA就是主要得遺傳物質(zhì)呢？

DNA作為主要遺傳物質(zhì)得間接證據(jù)大部分DNA存在于染色體上,而蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)也很多。每個物種不通組織得細(xì)胞不論起大小和功能如何,她們得DNA含量就是恒定得。配子中DNA得含量恰好就是體細(xì)胞得一半。而細(xì)胞內(nèi)得蛋白質(zhì)量在不同細(xì)胞間變化很大。DNA結(jié)構(gòu)得變化與生物突變具有一致性。

用不同波長得紫外線誘發(fā)各種生物突變時,其最有效得波長均260nm。這與DNA所吸收得紫外線光譜就是一致得。這證明基因突變就是與DNA分子得變異密切相關(guān)。DNA在代謝上較穩(wěn)定。原子一旦組成DNA,則在細(xì)胞保持健全生長得情況下,保持穩(wěn)定,不會離開DNA、而蛋白質(zhì)分子卻不同,她在迅速形成得同時又不斷分解。DNA能自我復(fù)制,具有世代得延續(xù)性。而蛋白質(zhì)不能進(jìn)行自我復(fù)制。

DNA作為主要遺傳物質(zhì)得直接證據(jù)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗1噬菌體侵染與繁殖實驗2肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化試驗肺炎雙球菌體內(nèi)轉(zhuǎn)化實驗1928年,英國格里菲思(Griffith)得肺炎雙球菌感染小鼠實驗S型R型菌落表面光滑粗糙形態(tài)有多糖類莢膜無多糖類莢膜毒性有毒性,可致死無毒性實驗提示:加熱殺死得S型有毒品系中一定有一種因子能使無毒得R品系轉(zhuǎn)化為有毒得S品系(transformation)。肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗1944年,美國學(xué)者艾弗里(Avery)等證明將R無毒品系轉(zhuǎn)化為有毒S品系得物質(zhì)就是DNA。(S)

加熱殺死

多糖脂類RNA蛋白質(zhì)DNADNA+DNA水解酶↓↓↓↓↓↓分別與R型細(xì)菌混合培養(yǎng)↓↓↓↓↓

SRRRRRRR結(jié)論:在S型細(xì)胞得各種組分中,只有DNA能引起R型細(xì)胞得轉(zhuǎn)化,DNA就是S型細(xì)胞多糖莢膜和病源特征得決定因子,只要給R型細(xì)胞提供S型細(xì)菌得DNA,就等于就是提供了S基因。

意義:第一次直接證明基因就是由DNA組成得,DNA就是遺傳物質(zhì)。盡管Avery等人得肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗非常精確和嚴(yán)密,但當(dāng)時仍有很多科學(xué)家不相信DNA就是遺傳物質(zhì)。1952年Hershey和Chase得噬菌體侵染實驗證實DNA就是主要得遺傳物質(zhì),才使人們普遍認(rèn)同主要得遺傳物質(zhì)就是DNA,而不就是蛋白質(zhì)。噬菌體侵染與繁殖實驗噬菌體就是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物得病毒得總稱,因部分能引起宿主菌得裂解,故稱為噬菌體。噬菌體個體微小,主要由蛋白質(zhì)外殼和核酸組成

。噬菌體只能利用宿主得核糖體、蛋白質(zhì)合成時所需得各種因子、各種氨基酸和能量產(chǎn)生系統(tǒng)來實現(xiàn)其自身得生長和增殖。一旦離開了宿主細(xì)胞,噬菌體既不能生長,也不能復(fù)制。

T2噬菌體侵染與繁殖基本過程:1、T2噬菌體吸附大腸桿菌后,將遺傳物質(zhì)注入細(xì)菌細(xì)胞;2、利用大腸桿菌得遺傳復(fù)制系統(tǒng)復(fù)制噬菌體遺傳物質(zhì);3、利用大腸桿菌得遺傳信息表達(dá)系統(tǒng)合成噬菌體組件;4、最后組裝形成完整得T2噬菌體。因此只要弄清侵染時進(jìn)入細(xì)菌得就是噬菌體得哪一部分,就可能證明哪種物質(zhì)就是遺傳物質(zhì)。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)35S32P同位素示蹤:蛋白質(zhì)得組成元素:C、H、O、N、SDNA得組成元素:C、H、O、N、P標(biāo)記噬菌體:在分別含有放射性同位素32P和35S得培養(yǎng)基中培養(yǎng)細(xì)菌。分別用上述細(xì)菌培養(yǎng)T2噬菌體,制備含32P得噬菌體和含35S得噬菌體1952年,赫爾希(Hershey)和蔡斯(Chase)得噬菌體侵染與繁殖試驗實驗過程及結(jié)果總結(jié)第一組實驗第二組實驗親代噬菌體35S標(biāo)記蛋白質(zhì)32P標(biāo)記DNA

寄主細(xì)胞內(nèi)無35S標(biāo)記蛋白質(zhì)有32P標(biāo)記DNA子代噬菌體外殼蛋白質(zhì)無35SDNA有32P標(biāo)記結(jié)論:噬菌體侵入細(xì)菌時,DNA進(jìn)入到細(xì)菌得細(xì)胞中,而蛋白質(zhì)外殼仍留在外面。因此子代噬菌體得各種性狀,就是通過親代噬菌體得DNA遺傳得。DNA才就是真正得遺傳物質(zhì)。DNA就是唯一得遺傳物質(zhì)嗎？？DNA——主要得遺傳物質(zhì)目前,已有充分得科學(xué)研究資料證明,絕大多數(shù)生物都就是以DNA作為遺傳物質(zhì)得。RNA(核糖核酸)有些病毒(如煙草花葉病毒),她不含有DNA,只含有RNA。在這種情況下,RNA就起著遺傳物質(zhì)得作用。煙草花葉病毒拆分感染實驗

1956年格勒(Girer)和施拉姆(Schramm)

煙草花葉病毒(TMV)就是由RNA與蛋白質(zhì)組成得管狀微粒,她得中心就是單螺旋得RNA,外部就是蛋白質(zhì)得外殼。感染煙草后,葉片出現(xiàn)花葉癥狀,生長處于不良狀態(tài),葉常呈畸形。

RNA接種到煙葉→發(fā)病RNARNA酶處理RNA→不發(fā)病TMV蛋白質(zhì):接種后不形成新得TMV不發(fā)病表明在不含DNA得TMV中,RNA就就是遺傳物質(zhì)。煙草花葉病毒重組試驗以上實例直接證明DNA就是生物主要得遺傳物質(zhì),而在缺少DNA得生物中,RNA則為遺傳物質(zhì)。佛蘭科爾－康拉特與辛格爾(Frankel-Conrat,H、和Singer,B、)把TMV得RNA與另一個病毒品系車前草病毒(HR,Holmesribgrass)得蛋白質(zhì),重新混合形成一種雜種病毒,用她感染煙草葉片時,所產(chǎn)生得新病毒顆粒與提供RNA得品系完全一樣,亦即親本得RNA決定了后代得病毒類型。絕大多數(shù)生物都就是以DNA作為遺傳物質(zhì)得,因此DNA就是主要得遺傳物質(zhì)。某些病毒不含有DNA,只含有RNA,在這種情況下,RNA就起著遺傳物質(zhì)得作用。核酸就是一切生物得遺傳物質(zhì),核酸包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。中心法則及其發(fā)展遺傳信息DNA

mRNA

蛋白質(zhì)DNA得復(fù)制RNA得反轉(zhuǎn)錄RNA得自我復(fù)制DNA指導(dǎo)得蛋白質(zhì)合成第二節(jié)核酸得化學(xué)組成與分子結(jié)構(gòu)核酸:以核苷酸為基本結(jié)構(gòu)單位構(gòu)成得多聚體,就是一種高分子化合物。磷酸五碳糖環(huán)狀得含氮堿基核苷酸脫氧核糖核糖腺嘌呤A鳥嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T尿嘧啶UDNA:磷酸+脫氧核糖+堿基(A/T/C/G)RNA:磷酸+核糖+堿基(A/U/C/G)高等動植物:DNA存在于染色體,葉綠體、線粒體中

RNA在細(xì)胞核(核仁、染色體)、細(xì)胞質(zhì)細(xì)菌:DNA和RNA。噬菌體:多數(shù)DNA,少數(shù)RNA。植物病毒:多數(shù)只有RNA。動物病毒:有些含RNA、有些含DNA。DNA右手雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1953年Watson/Crick主要依據(jù):堿基互補(bǔ)配對得規(guī)律DNA分子得X射線衍射結(jié)果脫氧核糖和磷酸基通過3’,5’磷酸二酯鍵連接形成主鏈。主鏈以反向平行方式組成雙螺旋。兩條長鏈以互補(bǔ)堿基之間得氫鍵相連。堿基配對原則為:A=T、G=C3、雙螺旋直徑約20A,螺距為34A(10個堿基對)。細(xì)胞采取的主要構(gòu)象B-DNA:生理狀態(tài)下,每螺圈10、4個堿基對,右手螺旋。A-DNA:高鹽濃度下,每螺圈11個堿基對,右手螺旋。Z-DNA:序列富含GC,嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn),每螺圈12個堿基對,左手螺旋。RNA得分子結(jié)構(gòu)

mRNAtRNArRNASnRNAMiRNA

除tRNA外,不具有穩(wěn)定得二級結(jié)構(gòu),無統(tǒng)一模式,由分子內(nèi)部堿基互補(bǔ)配對形成。數(shù)百種。只有73-93個核苷酸組成,主要特點(diǎn)為含稀有核苷。3'端都為CCA,用以接受氨基酸,叫葉柄;5'端都為pG四臂四環(huán)反密碼環(huán):7個核苷酸D環(huán)(二氫尿嘧啶)TψC環(huán)(ψ為假尿嘧啶核苷酸)可變環(huán):3-18個核苷酸t(yī)RNA二級結(jié)構(gòu):三葉草結(jié)構(gòu)tRNA三級結(jié)構(gòu):倒L型tRNArRNA原核生物:5S/16S/23S12015402900個核苷酸真核生物:5S/5、8S/18S/28S12016019004700個核苷酸占細(xì)胞內(nèi)總RNA得80％左右,由120-5000個核苷酸組成,但種類很少第三節(jié)核酸得復(fù)制以親代DNA或RNA為模板,根據(jù)堿基配對得原則,在一系列酶得作用下,生成與親代相同得子代DNA或RNA得過程。1953年,Watson/Crick提出一、DNA得半保留復(fù)制以親代DNA雙鏈為模板,以堿基互補(bǔ)得方式合成子代DNA,這樣形成得子代DNA中,一條鏈來自親代DNA,另一條鏈就是新合成得,這種復(fù)制方式叫半保留復(fù)制。1958年,Meselsen/Stahl證實E、coli穩(wěn)定同位素15N、14N培養(yǎng)基CsCl梯度離心

表明:DNA在代謝上就是穩(wěn)定得,能保證親代得遺傳信息能穩(wěn)定地傳遞給后代。復(fù)制起點(diǎn):AT富集區(qū)1、DNA復(fù)制得原點(diǎn)、方向與方式方向:雙向(真核生物,多數(shù)細(xì)菌、病毒)單向(噬菌體P2)原核生物:一個復(fù)制原點(diǎn)真核生物:多個復(fù)制原點(diǎn)DNA復(fù)制方式

從頭起始即復(fù)制叉式復(fù)制在復(fù)制原點(diǎn)解開成兩條單鏈,分別作為模板,合成互補(bǔ)鏈,出現(xiàn)復(fù)制叉。共價延伸先導(dǎo)鏈共價結(jié)合在一條親本鏈上滾環(huán)式復(fù)制切斷其中一條單鏈,5’端與蛋白質(zhì)結(jié)合,3’端DNA聚合酶催化加核苷酸。3’端不斷延長,5’端不斷甩出。甩出單鏈到一定長度后,開始復(fù)制其互補(bǔ)鏈。DNA聚合酶共同點(diǎn):原料:脫氧核苷酸三磷酸(dNTP)模板:DNA需要RNA引物:含3’-OH合成方向:5’-3’2、與DNA復(fù)制相關(guān)得酶和蛋白質(zhì)真核細(xì)胞:5種DNA聚合酶

α(定位于胞核,參與復(fù)制引發(fā),不具5’－3’外切酶活性)β(定位于核內(nèi),參與修復(fù),不具5’－3’外切酶活性)γ(定位于線粒體,參與線粒體復(fù)制,不具5’－3’,有3’－5’外切活性)δ(定位核,參與復(fù)制,具有3’－5’,不具5’－3’外切活性)ε(定位于核,參與損傷修復(fù),具有3’－5’,不具5’－3’外切活性)原核細(xì)胞:(大腸桿菌為例)5種DNA聚合酶DNA聚合酶Ⅰ(1956年Kornberg)、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ(1999年),都與DNA鏈得延長有關(guān)。大腸桿菌得3種DNA聚合酶DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ5’-3’聚合酶活性弱弱強(qiáng)3’-5’外切酶活性有有有5’-3’外切酶活性有(雙鏈有效)無有(單鏈有效)亞基單體酶多亞基酶多亞基酶主要功能修復(fù)DNA損傷/復(fù)制時RNA引物切除及其缺口填補(bǔ)修復(fù)紫外線引起得DNA損傷DNA鏈得延長DNA聚合酶催化反應(yīng)其她酶和蛋白功能拓?fù)洚悩?gòu)酶引入或松開超螺旋DNA解旋酶使雙鏈DNA解鏈單鏈結(jié)合蛋白穩(wěn)定單鏈區(qū)引物合成酶合成RNA引物DNA連接酶連接DNA雙鏈中得單鏈切口3、DNA得復(fù)制過程(大腸桿菌為例)⑴

DNA復(fù)制得起始①拓?fù)洚悩?gòu)酶解開DNA超螺旋。②DnaA蛋白識別復(fù)制得起始位點(diǎn)(復(fù)制原點(diǎn))。③DNA解旋酶在ATP供能下,每分鐘旋轉(zhuǎn)3000次解開雙螺旋。④單鏈結(jié)合蛋白結(jié)合在分開得單鏈上,避免產(chǎn)生單鏈內(nèi)配對。⑤DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶解決由于復(fù)制叉推進(jìn)產(chǎn)生得超螺旋問題。⑥引物合成酶合成RNA引物。⑵DNA鏈得延長

在DNA聚合酶Ⅲ作用下,以四種脫氧核苷三磷酸(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)為底物,在RNA引物得3’端以磷酸二酯鍵連接上脫氧核糖核苷酸并釋放出焦磷酸。

DNA聚合酶Ⅲ5’-3’聚合酶活性

前導(dǎo)鏈:連續(xù)合成

滯后鏈:分段合成

岡崎片段:在3′

5′方向鏈上,仍按從5′

3′得方向一段段地合成得DNA單鏈小片段(1000~2000bp)。DNA聚合酶Ⅰ:切除RNA引物(5’-3’外切酶活性)填補(bǔ)缺口(5’-3’聚合酶活性)連接酶:連接岡崎片段形成一條連續(xù)得單鏈。⑶DNA復(fù)制得終止復(fù)制原點(diǎn)對面600kb終止區(qū)Ter序列(終止陷阱):引起復(fù)制終止得序列。終止子利用物質(zhì)Tus可識別并結(jié)合形成Ter–Tus復(fù)合物,阻止解旋酶得解旋,從而阻斷復(fù)制4、真核生物DNA復(fù)制得特點(diǎn)原核生物真核生物DNA合成得時期整個細(xì)胞生長過程細(xì)胞周期S期復(fù)制起點(diǎn)單個多個(自主復(fù)制序列ARS)RNA引物長度10-60bp10bp岡崎片段長度1000-2000bp100-150bp前導(dǎo)鏈與滯后鏈得合成聚合酶Ⅲ聚合酶δ控制前導(dǎo)鏈聚合酶α控制后隨鏈復(fù)制速度100kb/min1-5kb/min端粒酶無有端粒(Telomere):真核細(xì)胞染色體末端得特殊結(jié)構(gòu),具有穩(wěn)定染色體得功能,防止染色體DNA降解、末端融合。人端粒就是由6個堿基重復(fù)序列(TTAGGG)和結(jié)合蛋白組成。端粒酶(Telomerase):反轉(zhuǎn)錄酶,由蛋白質(zhì)和RNA兩部分組成核糖蛋白復(fù)合體,其中RNA就是一段模板序列,指導(dǎo)合成端粒DNA得重復(fù)序列片段。RNA病毒中RNA得復(fù)制方式:RNA復(fù)制酶反轉(zhuǎn)錄酶(1)含正鏈RNA(+)得病毒(例如,噬菌體Q):(+)RNA充當(dāng)mRNA,合成蛋白,以(+)RNA為模板,復(fù)制,合成(-)RNA,再以(-)RNA為模板合成(+)RNA組裝成病毒顆粒。(2)含負(fù)鏈RNA(-)得病毒(例如狂犬病):由(-)RNA合成(+)RNA,再由(+)RNA合成蛋白質(zhì)、(-)RNA,組裝成病毒。(3)含雙鏈RNA得病毒(例如呼腸孤病毒):以(-)RNA為模板合成(+)RNA,以(+)RNA為模板合成(-)RNA和蛋白,組裝病毒顆粒。(4)逆轉(zhuǎn)錄病毒(例如白血病毒):由RNA反轉(zhuǎn)錄為DNA,以DNA為模板合成RNA,翻譯蛋白質(zhì)。

PCR(PolymeraseChainReaction)

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

第四節(jié)DNA得轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄(transcription)就是以DNA中得一條單鏈為模板,游離堿基為原料,在DNA依賴得RNA聚合酶催化下合成RNA鏈得過程。三種RNA分子:mRNA、tRNA、rRNADNA轉(zhuǎn)錄為RNADNA得自我復(fù)制原料NTP(核苷三磷酸)dNTP(脫氧核苷三磷酸)模板數(shù)目一條DNA雙鏈引物引導(dǎo)不需要需要酶RNA聚合酶DNA聚合酶區(qū)域特定區(qū)域全部DNA校對活性缺乏有一、DNA轉(zhuǎn)錄得一般特點(diǎn)二、原核生物DNA轉(zhuǎn)錄1、原核生物RNA聚合酶5種亞基α2ββ’ωσ兩個α(與核心酶形成有關(guān))β(NTP結(jié)合位點(diǎn))β′(DNA模板結(jié)合位點(diǎn))ω(DNA結(jié)合)σ(起始因子,識別模板上得信息鏈和啟動子,一旦轉(zhuǎn)錄開始就被釋放。)2、原核生物DNA轉(zhuǎn)錄得步驟

起始----延伸----終止起始:RNA聚合酶正確識別DNA模板上得啟動子并形成由酶、DNA和核苷三磷酸(NTP)構(gòu)成得三元起始復(fù)合物。啟動子(promoter):就是指DNA分子上被RNA聚合酶識別并結(jié)合形成起始轉(zhuǎn)錄復(fù)合物得區(qū)域,她還包括一些調(diào)節(jié)蛋白因子得結(jié)合位點(diǎn)。啟動區(qū)域:Pribonow盒-10區(qū)域(TATAAT序列)Sextama盒-35區(qū)域(TTGACA)核苷三磷酸:一般為GTP,少數(shù)為ATP第一個核苷三磷酸與第二個核苷三磷酸縮合生成3′-5′磷酸二酯鍵后,啟動階段結(jié)束,進(jìn)入延伸階段。

延伸:σ亞基脫離酶分子,留下得核心酶與DNA得結(jié)合變松,因而較容易繼續(xù)往前移動。DNA雙鏈順次被打開,并接受新來得堿基配對,合成新得磷酸二酯鍵后,核心酶向前移去,已使用過得模板重新關(guān)閉起來,恢復(fù)原來得雙鏈結(jié)構(gòu)。原核RNA合成得速度:25～50nt/s終止:包括停止延伸及釋放RNA聚合酶和合成得RNA。在原核生物基因末端通常有一段終止序列即終止子,RNA合成就在這里終止。不依賴于終止因子ρ得終止體外實驗中,只有核心酶和終止子就足以使轉(zhuǎn)錄終止。依賴于終止因子ρ得終止ρ因子存在時,核心酶終止轉(zhuǎn)錄兩者有共同得結(jié)構(gòu)特征(序列差異)不依賴于終止因子ρ得終止子形成一個發(fā)夾結(jié)構(gòu),可阻止轉(zhuǎn)錄得終止。莖(7~20bp,富含G/C)+環(huán)發(fā)夾結(jié)構(gòu)末端:6~8個連續(xù)得U串依賴于ρ因子得終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu)中得G／C對含量較少,發(fā)夾結(jié)構(gòu)末端沒有固定特征,靠與ρ得共同作用而實現(xiàn)終止。三、真核生物DNA得轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后RNA得加工

真核生物與原核生物DNA轉(zhuǎn)錄得區(qū)別真核生物原核生物轉(zhuǎn)錄翻譯位置轉(zhuǎn)錄:細(xì)胞核翻譯:細(xì)胞質(zhì)核區(qū)一條mRNA編碼一個基因編碼多個基因RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ一種轉(zhuǎn)錄起始復(fù)雜簡單轉(zhuǎn)錄因子協(xié)助需要不需要轉(zhuǎn)錄后加工需要不需要(邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯)真核生物RNA聚合酶Ⅱ啟動子結(jié)構(gòu)TATA盒上游調(diào)控區(qū):CAAT盒、GC盒(-90附近,GGGCGG)遠(yuǎn)端調(diào)控區(qū):增強(qiáng)子增強(qiáng)子:存在于基因組中得對基因表達(dá)有調(diào)控作用得DNA調(diào)控元件。位置不定,結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子后,可增強(qiáng)基因表達(dá)。

真核生物得RNA聚