《遗传的分子基础》PPT课件.ppt

遗传的分子基础,张晓明,遗传的分子基础,DNA作为主要遗传物质的证据 DNA的结构、复制 RNA的转录及加工 遗传密码与蛋白质的翻译 基因的本质 基因工程 基因组学,第一节 DNA作为主要遗传物质的证据,DNA普遍存在于生物体内含量恒定。 配子中DNA的含量恰好是体细胞的一半。 DNA结构的变化与突变具有一致性。 DNA在代谢上较稳定。 DNA能自我复制，具有世代的延续性。,1 DNA作为主要遗传物质的间接证据,2 DNA作为主要遗传物质的直接证据,2.1 肺炎球菌转化 肺炎球菌 毒性菌株（S）: 非毒性菌株（R）:,肺炎双球菌的转化实验 1928年，英国微生物学家Griffith.F做的实验及其结果,试管中的转化实验,人们仍不相信DNA是遗传物质,这是由于： 因认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传信息。而DNA分子量小，只含4种不同的碱基，人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的差异。 认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附有其它物质。即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当遗传信息的载体。,2.2 噬菌体感染实验 T2噬菌体 T2噬菌体的DNA复制 同位素标记实验,2.3 烟草花叶病毒拆合实验 (Heinz Fraenkel-Conrat和B. Singre， 1957),普通TMV品系,去污剂处理,TMV品系蛋白质,HR TMV品系,温和碱处理,HR TMV品系RNA,杂交,HR TMV品系抗体,普通TMV品系抗体,第二节 DNA的结构、复制,两种种核酸及其分布 DNA的分子结构 DNA的变性、复性、杂交 DNA的复制,1 两种核酸及其分布,核糖核酸 （RNA）：,脱氧核糖核酸（DNA）：,m RNA,t RNA,r RNA,（信使 RNA ）,（转运 RNA ）,（核蛋白体 RNA）,细胞质，参与蛋白质的生物合成,5 %，Pr合成的直接模板,15 %，活化与转运AA,80 %，充当装配机，提供场所,核内染色质，遗传的物质基础,基因 DNA分子中的 功能 片段,（决定遗传特性）,（特定的碱基序列）,单体： 核苷酸=核糖+碱基+磷酸,DNA和RNA的主要区别如下：,DNA和RNA化学组成不同； DNA通常是双链，RNA主要为单链； DNA的分子链一般较长，而RNA分子链较短。 不同生物体内的核酸种类不同； 生物体细胞内的分布不同；,2 DNA的分子结构,2.1 DNA的一级结构： 核酸分子中核苷酸碱基延着多核苷酸链排列的顺序和连接方式。,核苷：,CH2OH,核苷酸：,核糖核苷酸的聚合：,2.2 DNA的二级结构（空间结构） Watson & Crick建立双螺旋模型的基础： 当量规 律( Chargarr法则)： (G+A)/(T+C)=1 A/T=1 G/C=1 Alfred Mirsky, Hars RisR.Vendrely,A.Boivin两组学者分别发现不同的生物体细胞中DNA的含量都是其配子中的两倍； x衍射技术研究DNA；,1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行双螺旋模型 1962年， Wilkins、 Watson和Crick共获诺贝尔化学奖。,DNA的空间结构： 两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一个扭曲起来的梯子 ；,两条多核苷酸链走向为反向平行。即一条链磷酸二脂键为53方向，而另一条为35方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠倒过来的，这称为反向平行。 每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键，而C与G之间形成三对氢键； 碱基配对时氢键能为5030KJ/mol； 10碱基对/1圈；3.4nm/圈；,DNA构型之变异,3 DNA的变性、复性、杂交,变性,核酸（DNA）通过加热，双链结构解开形成两条单链的的过程,复性,因变性而解开的两条单链，在温度缓慢下降时重又聚合成双链结构的过程, 在实验技术中又称 “退火”,分子杂交,分子杂交是以核酸的变性和复性为基础,不同来源的两条核酸单链，若有大致相同的碱基互补顺序，经退火处理，可形成杂交双链。,分子杂交可发生在 DNA-DNA、DAN-RNA 和 RNA-RNA,4 DNA的复制 （半保留复制 ）,4.1 半保留复制及其依据 半保留复制：通过复制所形成的新的DNA分子，保留原来亲本DNA双链分子的一条单链的复制形式称为DNA分子半保留复制；,半保留复制的实验依据： Meselson和Stahl的同位素标记试验 用15N标记大肠杆菌DNA： 转移培养： DNA的密度剃度离心分离：,DNA的体外酶促合成实验 dnTP+DNA DNA聚合酶 新合成DNA+PPi,DNA摸板： DNA聚合酶：,4.2 原核生物DNA合成过程 DNA解链：,DNA合成的开始,单链特殊位点,RNA聚合酶（DNA引物酶 ）,560个核苷酸的RNA引物， 提供3端自由OH,然后，在DNA聚合酶III的作用下进行DNA的合成。,一条DNA链连续合成，一条链不连续 前导链：从5向3方向延伸的链称作前导链；（连续合成） 后随链一条先沿53方向合成一些片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为后随链；（不连续） 这种不连续合成是由冈崎等人首先发现的，所以现在将后随链上合成的DNA不连续单链小片段称为冈崎片段；,4.2 真核生物DNA合成特点 DNA合成只是发生在细胞周期的某个时期：真核细胞DNA的合成只是在细胞周期的S期进行，而原核生物则在整个细胞生长过程中都可进行DNA合成； 原核生物DNA的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的； 真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短：真核生物DNA合成所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度比原核生物要短； 有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成；,第三节 RNA的转录及加工,转录基本原则 RNA 聚合酶 RNA种类 RNA合成的一般特点 原核生物RNA合成 真核生物RNA合成,1 转录基本原则,1.1 转录 1.2 转录的3个阶段,2 RNA 聚合酶,2.1 原核生物RNA 聚合酶 2.2 真核生物RNA 聚合酶,3 RNA种类,信使RNA(mRNA) 转移RNA(tRNA) 核糖体RNA(rRNA),3.1 mRNA ： 能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体的一种特殊的RNA，它起着传递信息的作用，因而称为信使RNA(mRNA)。 mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后，由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，是基因表达过程中遗传信息传递的中介。 在真核生物中，转录形成的RNA中，含由大量非编码序列，大约只有25RNA经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。因为这种未经加工的前体mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA。,3.2 tRNA 把氨基酸搬运到核糖体上，能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结成多肽链的RNA ，称为转运RNA 。,tRNA共性 5端之末具有G(大部分)或C。 3端之末都以ACC的顺序终结。 有一个富有鸟嘌呤的环。 有一个反密码子环，在这一环的顶端有三个暴露的碱基，称 为反密码子。这一个反密码子可以与mRNA链上同自己互补的密码子配对。 有一个胸腺嘧啶环。,3.3 rRNA 组成核糖体的主要成分，而核糖体则是合成蛋白质的中心。 原核生物rRNA 真核生物rRNA,4 RNA合成的一般特点,所用的原料为核苷三磷酸，而在DNA合成时则为脱氧核苷三磷酸； 只有一条DNA链被用作模板，而DNA合成时，两条链分别用作模板； RNA链的合成不需要引物，可以直接起始合成，而DNA合成一定要引物的引导。,5 原核生物RNA合成,5.1 转录单位 通常把转录后形成一个RNA分子的一段DNA序列称为一个转录单位。 一个转录单位可能刚好是一个基因，也可能含有多个基因。 在细菌等原核生物中一个转录单位通常含有多个基因，而真核生物中则大多只含有一个基因。 上游： RNA的转录过程中RNA分子的5端； 下游： RNA的转录总过程中下游则指3端；,5.2 RNA聚合酶 5.3 链的起始 5.4 链的延伸 5.5 链的终止,6 真核生物RNA的转录及加工,6.1 真核生物RNA的转录特点： RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能进行蛋白质的合成。 在真核生物中，一个mRNA分子一般只编码一个基因。 在真核生物中则有RNA聚合酶I、II、III等三种不同酶，分别催化不同种类型RNA的合成。 在真核生物中，三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录。 RNA聚合酶 对转录启动子的识别，也比原核生物更加复杂， 真核生物的mRNA在转录后必须进行加工后，才能运送到细胞质进行蛋白质的翻译。,6.2 mRNA转录后的加工 在mRNA前体的5端加上7甲基鸟嘌呤核苷的帽子； 在mRNA前体的3端加上聚腺苷酸(poly (A)的尾巴 ； 如果基因中存在不编码的内含子序列，要进行剪接，将其切除 ；,第六节 遗传密码与蛋白质的翻译,遗传密码 蛋白质的合成 中心法则及其发展,6.1 遗传密码,相关术语： 遗传密码： 密码词典：,遗传密码的特点： 遗传密码为三联体：即三个碱基决定一个氨基酸。 遗传密码间不能重复利用：除近来发现的少数情况外，在一个mRNA上每个碱基只属于一个密码子。 遗传密码间无逗号：即在翻译过程中，遗传密码的译读是连续的。 遗传密码间存在简并现象：除二个氨基酸外，所有氨基酸都有一种以上的密码子编码。 遗传密码的有序性：决定同一个氨基酸或性质相近的不同氨基酸的多个密码子，往往只是最后一个碱基发生变化。 遗传密码包含起始密码子和终止密码子：蛋白质翻译的起始和终止有专门的密码子所决定。 遗传密码的通用性：除线粒体等极少数情况外，遗传密码从病毒到人类是通用的。,6.2 蛋白质的合成,核糖体 ：,在核糖体上合成蛋白质,6.3 中心法则及其发展,遗传的分子基础,张晓明,遗传的分子基础,DNA作为主要遗传物质的证据 DNA的结构、复制 RNA的转录及加工 遗传密码与蛋白质的翻译 基因的本质 基因工程 基因组学,1 基因的概念,1.1 经典遗传学中关于基因的概念 ： 基因具有染色体的主要特性，能自我复制，有相对的稳定性，在有丝分裂和减数分裂中有规律的进行分配； 基因在染色体上占有一定位置(位点)，并且是交换的最小单位，即在重组时不能再分隔的单位； 基因是以一个整体进行突变的，故它又是一个突变单位； 基因是一个功能单位，它控制着正在发育有机体的某一个或某些性状。 可以把重组单位和突变单位统称为结构单位。 基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。,1.2 分子遗传学关于基因的概念 ： 可转录一条完整的RNA分子，或编码一条多肽链。 功能上被顺反测验或互补测验所规定。 结构基因：可编码RNA或蛋白质的一段DNA序列； 调控基因 ：产物参与调控其它结构基因表达的基因； 重叠基因：同一段DNA的编码顺序，由于阅读框架(ORF)的不同或终止早晚的不同，同时编码两个或两个以上多肽链的现象； 隔裂基因：一个结构基因内部为一个或更多的不翻译的编码顺序，如内含子所隔裂的现象； 跳跃基因：作为插入因子和转座因子移动的DNA序列，即转座因子； 假基因：已知的基因相似，但位于不同位点，因缺失或突变而不能转录或翻译，是没有功能的基因；,2 基因的微细结构,2.1 互补作用 在双突变杂合二倍体，测定这两个突变间有无互补作用。 如有互补作用，个体应表现为野生型； 如无互补作用，则个体表现为突变型。 原因是如果这两个突变来自一个基因，则两条同源染色体都只能产生突变的mRNA，其结果就是突变的酶，突变的表型；但如果这两个突变来自两个基因，则每个突变的相对位点上都有一个正常的野生型基因，因而可以产生正常的mRNA，其个体表现型应是野生型；,2.2 顺式与反式调控 ：,突变只影响到与其邻近的编码序列，即基因本身不能表达，并不影响其它等位基因。这种突变称为顺式调控；,调控蛋白质发生突变，形成的蛋白质不能与这个基因的启动子结合，这将会影响到与这个蛋白质结合的所有等位基因位点，导致这些基因不能表达，这种突变称为反式调控；,2.3 基因的微细结构 例： 在噬菌体染色体的三个不同部位上有三个不同的r突变型，r、r、r。 野生型T4噬菌体侵染大肠杆菌B株和K12(l )株经6-10小时形成小而边缘模糊的噬菌斑；而r突变型T4噬菌体，在侵染大肠杆菌20分钟后，即形成大而边缘清楚的噬菌斑。但是r突变型只能在B株上生长，不能在K12(l )株上生长。 利用这个特点，让不同的两个r突变型杂交，然后在K12(l )株上用选择方法把重组体r+筛选出来，从而计算出这两个r+突变座位间的重组频率。,大量的r突变体对大肠杆菌B株成对进行双重感染 ，不能一先一后，否则出现排斥现象，超数感染的噬菌体迅速被宿主DNA酶所破坏，不能参加重组。 形成噬菌斑后，收集溶菌液(内含子代噬菌体)，把它接种到B株上，计算溶菌液中的总噬菌体数。因为两种r突变体(rx)、 ( ry) 重组体(r+r+)和(rxry)都可以在B株生长； 同时把溶菌液也接种到K12(l )株上，计算野生型重组体r+r+数目，因为只有r+r+可以生长，而其余三种基因型不能生长(包括重组体rxry)，所以在计算重组体数目时，总要乘以2，就是因为rxry虽然是预期的，但不能检出。,重组值= 100%= 100%,基因的作用与性状的表达,第六节 基因工程,基因工程的内容：,从细胞和组织中分离DNA。 利用能识别特异DNA序列的限制性内切核酸酶酶切DNA分子，制备DNA片段。 将酶切的DNA片段与载体DNA连接，构建重组DNA分子。其载体能在宿主细胞内自我复制。 将载体与DNA片段构成的重组DNA分子导入宿主细胞后，该重组DNA分子能在细胞内复制，产生多个完全相同的拷贝，即克隆。 重组DNA能随宿主细胞的分裂而分配到子细胞，使子代群体细胞均具有重组DNA分子的拷贝。 能从宿主细胞中回收、纯化和分析克隆的重组DNA分子。 克隆的DNA能转录成mRNA、翻译成蛋白质。能分离、鉴定基因产物。 基因工程又可称为DNA重组、分子克隆、基因操作等。,限制性内切核酸酶,限制性内切核酸酶或限制性酶 ：能识别双链DNA分子中一段特异的核苷酸序列，在这一段序列内将双链DNA分子切断。,限制性内切核酸酶或限制性酶的命名 ： 据其来自的生物名称，用英文字母和数字表示。 EcoR：来自大肠杆菌Escherichia coli； Hind：来自Haemophilus influenzae；,限制性酶据其作用特点，可分为两类： 第类限制性酶每隔一段DNA序列随机切割双链DNA分子，没有序列特异性。 第类限制性酶能识别一段特异的DNA序列，准确地酶切双链DNA的特异序列。 第类限制性酶识别的序列是对称的，即在一条链中从5到3方向的序列，与其互补链从5到3方向的序列完全相同。 这种从两个方向阅读而序列相同的序列称为回纹对称序列。,载体 ：,可作为DNA载体的有质粒、噬菌体、病毒、细菌或酵母菌人工染色体BAC、HACYAC等。现在使用的各种载体都是用基因工程方法构建的。作为载体DNA分子，需要具备以下四个条件： 具复制原点(ori)： 具有多克隆位点： 至少具有一个选择标记基因： 易从宿主细胞中回收：,基因的分离与鉴定：,从基因文库中分离基因 ： 基因文库：一组DNA和cDNA序列克隆的集合体，即一个遗传上独立的个体或一群相同的群体的一套DNA克隆，每一个克隆都插入独立的载体上并且宿主细胞中扩增后的产物。 构建基因文库： 根据克隆的核酸序列、来源，基因库可分为核基因库、染色体库、cDNA库、线粒体库等 。,核基因文库： 将某一生物的全部基因组DNA酶切后与载体连接构建而成的基因文库。 完整的核基因库所具备的特点： 应当能包括全部的基因组序列； DNA片段大，总克隆数目较小； 构建核基因库时常要选择能接受较大片段的载体。 若构建的基因库是以分离结构基因为主要目的时，通常选用EMBL,GEM或cosmid作载体。 若用于