遗传信息的传递

遗传信息的传递,广州中医药大学免疫研究室 董燕,遗传现象,遗传现象:生物的性状可从上一代传至下一代 性状：生物体表现出的形态特征（如花色）和生理生化特征（如抗病性、合成某种物质的能力）通过各种蛋白质而显现 中心法则：,一、DNA的复制（replication）,是指以亲代DNA分子为模板合成一个新的子代DNA分子的过程 1. 半保留复制,DNA双螺旋结构中的两条链分开，以每一条单链为模板（template）按照碱基互补配对方式合成一条新链。 新生成的两个DNA分子与原来的DNA分子完全相同，且每个子代DNA分子中有一条链来自亲代DNA，而另一条链是新合成的。,实验证明同位素标记和密度梯度离心,亲代,子一代,子二代,轻链 14NDNA 杂交链 14N- 15NDNA 重链 15NDNA,15N培养基,14N培养基,14N培养基,亲代 子一代 子二代,2.半不连续复制 模板：DNA 底物：dATP、dTTP、dGTP、dCTP RNA引物 DNA聚合酶：从引物的3-OH上逐个加上脱氧核苷酸 53 聚合活性 新链合成方向：53,大肠杆菌DNA聚合酶：,起始：特定的起始位点(复制起点，Ori） 双链解开解链酶、拓扑异构酶、SSB 引物生成引物合成酶 延长：前导链 冈崎片段 DNA聚合酶III 终止：停止延伸 删除引物DNA聚合酶I（外切酶活性） 填补空隙DNA聚合酶I（聚合酶活性） 滞后链形成DNA连接酶 形成超螺旋拓扑异构酶,二、转录,转录（transcription） ：是遗传信息转移至RNA分子中的过程。在依赖于DNA的RNA聚合酶作用下，合成与DNA模板链碱基顺序互补的RNA的过程。 1. DNA指导下的RNA合成反应体系： 模板：DNA RNA聚合酶：从单核苷酸的3-OH上逐个加上核苷酸 53 聚合活性 底物：ATP、UTP、GTP、CTP 合成方向：53 不需引物,产物：信使RNA（mRNA） 核糖体RNA（rRNA） 转移RNA（tRNA）,模板链（template strand）或反义链（antisense strand） 编码链（coding strand） 或有义链(sense strand),2. RNA聚合酶 大肠杆菌：全酶（holoenzyme）2 核心酶（core enzyme） 2 . 识别模板链上的起始位点 因子 识别终止信号 需要因子帮助 不需要引物 ，不具有校正功能 真核生物：RNA聚合酶有 I、II、III 聚合酶I（核仁）催化rRNA（大分子）合成； 聚合酶II（核质）催化mRNA前体即不均一核RNA（hnRNA）的合成；转录的起始需要辅助因子参与 聚合酶 III （核质）催化tRNA和rRNA（小分子）合成,3. 启动子 DNA链上一段能与RNA聚合酶结合并能起始RNA合成的序列 原核：,真核： 启动子：保守区Hogness盒（或TATA盒）、GC盒及CAAT盒（或CAT盒） 是转录因子的结合位点 增强子（enhancer）序列 ：对基因的转录起促进作用 ，增强邻近基因的表达但与它本身所在的位置及方向无关,4. 转录过程 起始： RNA聚合酶与启动子识别并结合 全酶启动子ATP/GTP,双链局部解开,延伸：,酶沿着DNA链移动 DNA双螺旋解开 RNA链由5 3 延长,终止： 模板上5端有终止信号： 5-末端AT丰富区中含有一连串的A 多个G、C组成的所谓“断裂反复区” RNA链的3终止端为一连串的碱基U RNA链能自身配对互补而自动形成发夹式结构 RNA聚合酶识别终止信号 RNA脱离RNA聚合酶和DNA模板,发夹式结构,5. 真核生物的转录后加工,真核mRNA前体的加工： 加帽：5端加上一个7-甲基鸟苷帽子 （与核糖体识别有关，稳定一级结构） 加尾：3端加上多聚腺苷酸尾巴poly （A） ，长度约为100200个核苷酸 （保护作用，维持稳定性，模板活性） 剪接作用： mRNA前体不均一核RNA （hnRNA） 成熟mRNA （具有生物活性 ） 4. 甲基化、编辑加工,除去内含子转录产物，拼接外显子转录产物,小核RNA（snRNA） 核酶,RNA和DNA的合成过程比较：,相似： 具有启动、延伸和终止的基本步骤； 需要多组分的启动复合物； 遵循碱基配对原则； 按5到3方向合成新链。 不同： RNA合成的底物是核糖核酸（NTP），而不是脱氧核糖核酸（dNTP）； RNA中以U代替T作为A的互补碱基； RNA合成中不需要引物参与； 基因组中只有小部分被转录成RNA,而在DNA复制中全部基因组都必须被复制； RNA转录过程中无校正功能。转录产物需加工修饰。,三、翻译,翻译（translation）即蛋白质的生物合成，以mRNA为模板将氨基酸装配成特定肽链的过程。 主要元件：核糖体场所 mRNA模板 tRNA运载氨基酸 氨基酸,1.遗传密码,mRNA上三个连续的核苷酸编码一种氨基酸，称为三联体（triplet）密码或密码子（codon） 。43=64种 起始密码AUG，编码甲硫氨酸 终止密码 UAA、UAG和UGA，是多 肽合成的终止信号 5 TCT AGA ATG AAA TGG AAA GTT TTT AAA Met Lys Trp Lys Val Phe Lys AAG TGA 3 Lys *,特征： a. 简并性：即多个密码子可编码同一个氨基酸。如AAA,AAG都编码赖氨酸，为同义密码子。 b.非多义性 、连续性 、通用性 、偏好性 开放阅读框架（open reading frame，ORF）： mRNA分子中由53，从起始密码子到终止密码子之间的核苷酸序列。 2. 核糖体 核糖体由大小两个亚基构成 核糖体能与mRNA结合并在其上移动 参与多肽链的启动、延长和终止过程中各种因子的识别,3. 转移RNA（tRNA）,（1）结构特点： 3末端氨基酸结合的位点，生成氨酰tRNA 反密码子(anticodon)识别mRNA分子上的密码子 （2）功能：,实现了特定的氨基酸与mRNA上特定的碱基 （密码子）之间的联系 。,4. 蛋白质生物合成的分子机制,起始： 核糖体与mRNA结合（S-D序列） fMet-tRNA通过反密码子识别mRNA上的起始密码子，并与核糖体的P部位（肽基部位）结合 形成起始复合体后，翻译开始,延伸：,（1）下一个氨酰-tRNA分子进入核糖体的A部位。进位 （2）两个氨基酸分子之间形成肽键。转肽 （3）P部位上的tRNA释放。脱落 （4）核糖体沿着mRNA的53方向移动，同时携带着 肽基的tRNA从A部位移到P部位。空出A部位，等待第三个氨酰-tRNA进入 。移位,终止：,到达终止密码子时，氨酰-tRNA 不能与之结合 多肽链从mRNA上释放，核糖体脱落 特点： 原核细胞中，蛋白质的合成与mRNA合成 无严格时空界限。 真核细胞的mRNA的合成在细胞核，蛋白质的合成在细胞质进行，所以，翻译是在转录完成后才开始。,五、翻译后加工修饰,新生的多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰才能成为有活性的蛋白质。 （1）N端fMet或Met的切除。 （2）二硫键的形成。 （3）氨基酸的修饰。包括磷酸化、糖基 化、甲基化、乙酰化和羟基化等。 （4）肽链的切除。如胰岛素。,原核生物： 原核生物的生长与周围环境密切相关 大肠杆菌基因组有4 300个基因 E.coli 条件适宜生长迅速 营养缺乏、高温、射线生长缓慢 调节不同基因的表达，以适应营养条件（碳、氮源等）的变化及对付周围不利的环境因素（如高温、射线、重金属等） 迅速合成自身需要的蛋白质（酶）、核酸和其他生物大分子 或迅速停止合成不再需要的成分。,基因表达的调控,真核生物： 基因表达具有阶段特异性和组织特异性 人类基因组大约有3万个基因,受精卵细胞 胚胎 组织器官 细胞的形态功能不同 细胞内基因表达不同,2%15%基因表达 选择性、程序性地表达特定基因,生物体通过基因表达的调控来适应环境变化和满足不同生长发育阶段的需要 特定时间或空间才进行表达,基因表达具有阶段特异性和组织特异性 基因表达的每个环节都受到内部遗传或外界环境的控制，而基因调控主要发生在转录水平上。,一、原核生物基因表达的调控,1. 转录水平的调控操纵子（operon) 是原核生物基因表达调控的基本方式 Jacob和Monod于1961年提出大肠杆菌的lac 操纵子（乳糖操纵子）模型 操纵子是由数个相关的结构基因及其调控区组成。,几个功能相关的结构基因排列在一起受上游同一个调控序列控制，呈现协同表达,结构基因：LacI 编码阻遏蛋白，lacZ 编码-半乳糖苷酶，lacY 编码通透酶，lacA 编码硫代半乳糖苷转乙酰酶 调控区：操纵基因（operator gene）、启动基因（promoter gene）及其它有调控功能的部位组成,诱导物 IPTG,复合物,O基因“开启”，结构基因开始表达,基因“关闭”,多顺反子mRNA是为两条或更多条多肽链编码的mRNA，在原核生物中普遍存在。 负调控（negative control）调节蛋白存在时基因表达活性被关闭。没有调节蛋白存在时基因是表达的。 调节蛋白阻遏物（repressor） 正调控（positive control）有调节蛋白（诱导物，inducer）时，基因表达活性被开启。没有调节蛋白存在时基因是关闭的。 调节蛋白诱导物（inducer）,所谓基因“关闭”不是绝对的， 只是说基因表达水平很低，存在基础表达速率。 通常，可诱导基因只具有较低的基础表达速率，在受到诱导物的正调控时，其基因表达增加。如乳糖操纵子。 具有高基础表达速率的基因常受到阻遏物的负调节。 例如，大肠杆菌的色氨酸操纵子： 在没有外源色氨酸时，操纵子表达，合成有关色氨酸合成的酶类，在有外源色氨酸存在时，操纵子受到阻遏，细菌不必自己合成色氨酸。,2. 基因转录的翻译调控衰减子 衰减子调控的实质是以翻译手段调控基因的转录 转录和翻译是紧密偶联的，RNA聚合酶刚转录出前导肽的部分密码子，核糖体就开始翻译。,高色氨酸水平 形成终止子结构,低色氨酸水平 不形成终止子结构,Trp衰减子机制 :,3. 翻译水平的调控 （1）S-D序列（Shine-Dalgaron序列） 又叫核糖体结合位点（RBS） 位于mRNA上起始密码子上游312个碱基位置 与核糖体16S rRNA 3-端序列可互补配对 S-D序列缺失或突变，或者S-D序列与起始密码子AUG的距离发生变化，都可对翻译水平产生较大影响,核糖体 小亚基30S：16S rRNA 核糖体结合蛋白 大亚基50S,（2）反义RNA（anti-sense RNA） 是一段含有与被调控基因所产生的mRNA互补的碱基序列的小分子RNA 通过碱基互补与特定mRNA结合，抑制mRNA的翻译 结合位点通常是mRNA上的S-D序列、起始密码子AUG和部分N端的密码子 1983年，发现了反义RNA对基因表达的调控； 1984年，提出用反义RNA来治疗病毒性疾病,二真核生物基因表达的调控,A.真核生物基因有如下特点： （1）单顺反子。其mRNA只为一条多肽链编码，而真核细胞蛋白多由几条多肽链组成，因而存在多个基因协调表达的问题 （2）基因家族。许多结构相似，功能相关的真核基因组成一个集合称为基因家族（gene family）。家族中的成员可以紧密地排在一起，成为一个基因簇；也可分散在同一染色体的不同部位；也可位于不同染色体上。,（3）重复序列。即许多重复出现的核苷酸顺序。多拷贝序列，近1/3的基因是多拷贝的。某些重复序列出现在调控区，如转录终止区、衰减区及某些酶或蛋白质结合位点，可能对DNA的复制、转录调控等有重要意义。 （4）断裂结构。大多数基因都是由外显子和内含子组成，外显子之间被内含子隔开，形成相间排列的断裂方式。 基因转录后在加工修饰形成成熟的mRNA时，内含子转录产物被切除。对于同一初级转录本，不同的剪接方式产生不同mRNA，可翻译出不同的多肽。,B.真核基因与原核基因有一些相同的表达调控机制，但在以下几点与原核基因不同： （1）转录的激活与被转录区的染色质结构有关； （2）尽管有正负调控元件，但正调控机制占主要地位； （3）真核基因的转录和翻译分别在细胞核和细胞质中进行，这种时空差别使真核基因的调控更复杂、有序。,C.真核细胞基因表达的调控是一个多层次、多水平的复杂过程,1. DNA水平的调控基因结构改变,（1） 基因丢失 在细胞分化过程中，丢失掉某些基因而去除这些基因的活性。 在低等动物中发现：原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物的个体发育中存在基因丢失现象,（2）基因扩增细胞内某些特定基因的拷贝数专一性地大量增加的现象 是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段。 如非洲爪蟾卵母细胞中rRNA基因在分裂期扩增了约4 000倍，结果使细胞内迅速积蓄起1012个核糖体。 一些药物能诱导抗药性基因的扩增，如： 氨甲蝶呤二氢叶酸还原酶基因 镉汞等重金属金属硫蛋白I基因 铜离子铜结合蛋白,（3） 基因重排 指某些基因片断改变原来存在的顺序而重新排列组合。 抗原特异性抗体 ，机制之一是B细胞免疫球蛋白基因重排。,方式： 同源重组 移动基因（转位基因、跳跃基因），如癌基因的转座 基因转化，如病毒基因的整合,（4 ）DNA的甲基化 5%的胞密啶（C）在5位上被甲基化，生成mCG。 低甲基化或未甲基化的基因转录活跃 高度甲基化的基因不转录、不表达 如珠蛋白基因在红细胞中是低甲基化的，而在不表达珠蛋白的细胞中则高度甲基化。 胎儿型血红蛋白基因在成体中不表达。 治疗镰刀型红细胞贫血和地中海贫血：5-氮胞嘧啶可使细胞DNA脱甲基化，从而启动成体中胎儿型血红蛋白（HbF）基因的表达。,（5 ）染色质结构 活跃转录的基因与非转录基因在染色质结构方面有不同,染色质结构： 结构紧密的超卷曲状态异染色质 大多不具转录活性 结构松散的伸展状态常染色质基因的转录活性高 多种中间状态,2. 转录水平的调控,三种因素的相互作用,（1）RNA聚合酶(polII) （2）顺式作用元件：DNA分子上与转录有关的调控序列，包括启动子，增强子和终止子 （3）反式作用因