分子遗传学第一章-遗传物质

分子遗传学,第一章遗传物质,1953年，由WatsonCrick阐明的DNA结构是遗传学历史上最重大的发现之一。当时对基因和DNA的认识有以下几点：（1）基因：是由孟德尔提出的遗传因子。它与特定的性状相连系，但其物质基础不清。（2）“一个基因一种酶”的学说推测基因控制蛋白质的结构。（3）基因位于染色体上。染色体由DNA和蛋白组成（4）早先由Griffith后由Avery指出DNA是遗传物质,第一节DNA是遗传物质,有3个重要的实验证明遗传物质是DNA：1细菌转化实验2T2噬菌体的感染实验3病毒重建实验,Griffith,s细菌转化实验Greffithstransformationexperiment,实验提示：加热杀死的S型有毒品系中一定有一种因子能使无毒的R品系转化为有毒的S品系（transformation）。16年实验证明，R转化为S的物质是DNA。1944年，美国学者Avery等证明将R无毒品系转化为有毒S品系的物质是DNA。,（S）加热杀死多糖脂类RNA蛋白质DNAR型细菌,S,R,R,R,R,R,美国学者Avery等证明转化因子是DNA。SummaryofAvery,sexperimentwhichdemonstratedthatDNAisthetransformingprinciple.,结论在S型细胞的各种组分中，只有DNA能引起R型细胞的转化，DNA是S型细胞多糖荚膜和病源特征的决定因子，只要给R型细胞提供S型细菌的DNA，就等于是提供了S基因。意义：第一次证明基因是由DNA组成的，DNA是遗传物质。转化已成为基因工程的重要手段,二、TheHershey-Chase实验T2噬菌体的生活周期LifecycleofaT-evenbacteriophage,TheHershey-Chase实验要回答的问题,噬菌体的感染过程涉及病毒复制的特异信息转入到细菌中去的过程。要问转入细菌中去的信息物是DNA还是蛋白质？1952年，用T2噬菌体标记的感染实验说明转入细菌中去的信息物是DNA。,TheHershey-Chase实验的关键点：1.蛋白质中没有磷，磷是DNA中的主要成分，在T2的DNA中占99%2.硫存在于蛋白质中,在DNA中从未发现有硫.3.用32P和35S分别标记两个噬菌体的培养物中的DNA和蛋白质.,TheHershey-Chase实验DemonstratingthatDNA,andnotprotein,isresponsiblefordirectingthereproductionofphageT2duringtheinfectionofE.coli.,TheHershey-Chase实验的结论只有噬菌体DNA进入细菌，蛋白质外壳从不进入细胞。噬菌体蛋白只是结构上的包装物。当DNA进入细菌后蛋白质外壳就留在了外边。意义：说明DNA是遗传物质。,三、病毒重建实验,有些病毒没有DNA而只有RNA，它们的遗传物质是什么？1956年，Fraenkel-Conrat和Singer用TMV和HRV建成杂合病毒作感染实验回答了这一问题。,总结以上三个实验说明，DNA是遗传物质，在不具有DNA而只有RNA的生物中，RNA是遗传物质。,第二节DNA的结构,DNA由四种基本的分子脱氧核苷酸组成。每种核苷酸由磷酸、脱氧核糖和四种碱基之一组成。四种碱基的名称：腺嘌呤（Adenine，A）、鸟嘌呤（Guanine，G）、胞嘧啶（Cytosine，C）、胸腺嘧啶（Thymine，T）。,四种核苷酸的名称是：脱氧腺苷酸dAMP或A；脱氧鸟苷酸dGMP或G；脱氧胞苷酸dCMP或C；脱氧胸苷酸dTMP或T.,DNA和RNA中的碱基和糖的结构,WatsonCrick根据两个线索：（1）DNA结构的X光衍射资料，表明DNA由两条互相平行的链组成，两条链呈螺旋状；（2）Chargaff关于不同生物DNA组成成份的规律：A+G=T+CPu=PyA=TG=CA+T并不一定等于G+C,双螺旋（Thedoudlehelix）要点1双螺旋的每一条链是一条核苷酸长链。每个核苷酸之间由磷酸二酯键相连接（phosphodiesterbands）。两条链之间由氢键相连。配对原则是：AT，GC。2两条链的走向方向相反，它们是反向平行的（Antiparallel）一条是53，另一条是35。3由于GC对有三个氢键，AT对只有两个氢键，因此富含GC对的DNA比富含AT对的DNA更加稳定。,每个核苷酸之间由磷酸二酯键相连接。LinkageoftwonucleotidesbytheformationofaC-3,C-5(3-5)phosphodiesterbond,producingadinucleotide.Shorthandnotationforapolynucleotidechain.,WasterCrickDNA双螺旋模型,双螺旋的几种形式目前已知有三种不同形式DNA：1Bform：即Watson-Crick模型，在正常的细胞生活状态时存在，右手螺旋、碱基的平面对DNA的中轴是垂直的，DNA分子每转一圈是10.4bp。2Aform：在高盐或脱水状态时存在，右手螺旋，碱基对倾斜并偏离双螺旋中轴，转一圈11bp。3Zform：在合成制备的DNA晶体中发现的新构型，“Z”字骨架，左手螺旋，每转一圈12bp。,双螺旋的几种形式目前已知有三种不同形式DNA,DNA结构的含义：1该结构预示了DNA复制的一种明显方式2预示了DNA分子中的核苷酸对的顺序可能决定着蛋白质中氨基酸的顺序，即可能存有某种类型的遗传密码。,第三节DNA的复制由Watson-Crick模型预言的DNA复制是半保留式的。半保留复制（semiconservativeReplication）：每个子代DNA分子含有一条旧链和一条新链。,半保留复制SemiconservativeReplication每个子代DNA分子含有一条旧链和一条新链。GeneralizedmodelofsemiconservativereplicationofDNA,DNA的复制,DNA是遗传物质，作为遗传物质的首要条件是必须能自我复制。Watson和Crick阐明的DNA模型预示了DNA具有复制的能力，通过氢键配对的方式复制新链。曾设想有三种复制方式：（1）半保留式；（2）保留式；（3）分散式。,(1),+,(2),+,(3),+,曾设想有三种复制方式：保留式，半保留式，分散式,二、Meselson-stahl实验1958年，Meselson等证明DNA的复制是半保留式的。1氯化铯超离心技术的原理DNA在CsCl溶液中经超速离心后，最终停留在某一位置上，这时离心力的大小正好等于DNA分子在CsCl梯度中的浮力。DNA的浮力是由其密度决定的。根据离心后DNA在梯度中达到的平衡位置的不同可以将不同密度的DNA分子分开，例如：15NDNA和14NDNA。,2将E.coli培养在含有“重”同位素15N的培养基中，经多个世代后，细胞中DNA就标记上“重”同位素。然后将细胞转到14N培养基中，经过一个或两个细胞分裂周期后，分离DNA，再进行CsCl离心。3.结果：经一个世代后，DNA形成了一条中间密度带。其位于“重”带和“轻”带之间。经两个世代培养后，DNA形成两条带，一条中间带，一条轻带。更直接的证据是将在14N中生长一代的细胞DNA（15N14N）变性后离心，可以得到一条重带和一条轻带。说明第一代杂种分子是半保留复制的产物。双链中一条是亲代15N，另一条是新合成14N，DNA为15N14N。,Meselson-stahl实验TheMeselson-Stahlexperiment,Meselson-stahl实验结果的解释,三、真核生物染色体的复制1958年，Taylor用蚕豆根尖细胞染色体作实验，表明在染色体水平上，DNA复制也是半保留式的。,四、复制叉TheReplicationForkWatson-Crick模型预言，在复制过程中DNA分子会形成一个分叉。1963年，Cairns用实验证实了复制叉的存在。,起始点,3,3,3,3,复制叉,生长,生长,五、复制的起始大肠杆菌染色体DNA复制从一固定点起始，然后按两个方向进行，即随复制叉向两端移动作双向复制。,起始点,高等生物细胞的DNA复制有多个起始点，即具有多个同时复制的区域。,放射自显影显示的真核DNA复制模型，在一条双链DNA上有多个复制起点,放射自显影,解释,复制子（replicon）具有一个复制起始点和两个终止点的具有独立复制功能的DNA片段。大肠杆菌、质粒、噬菌体的DNA都是独立复制的，这样独立的复制单位称为复制子。高等生物的染色体是多复制子Multireplicon,HumanDNAfromHelacellillustratingthereplicationbubblethatcharacterizesDNAreplicationwithinasinglereplicon,真核生物细胞的DNA复制有多个起始点，即具有多个同时复制的区域。,六、DNA复制中的酶和蛋白质50年代末，Kornberg首次分离到DNA聚合酶，能催化复制反应：dATPDNA聚合酶亲代DNA+引物+dGTP子代DNAdCTPdTTP,ThechemicalreactioncatalyzedbyDNApolymeraseI,11-8,Demonstrationof5,-to-3,synthesisofDNA,1双螺旋的转动和解链DNA拓朴异构酶：催化DNA拓朴异构体的转化。如DNA促旋酶（DNAgyrase）能使松驰形DNA形成超螺旋DNA（SupercoilingDNA）。也能使正超螺旋DNA转变为负超螺旋DNA，后者有利于双螺旋的解开。解螺旋酶（helicase）：“rep”蛋白起解螺旋作用。单链结合蛋白（Single-strandedDNA-bindingprotein，SSB）：游离单链易降解，单链结合蛋白起保护作用。,2所有的DNA聚合酶只能以53方向合成新链,当一条链由DNA聚合酶III连续地合成时，另一条链是以片段方式合成的。然后由DNA聚合酶I填补空缺。再由DNA连接酶（Ligase）连接。这就是不连续复制学说。冈崎在细胞中证实了这种方式，这样的DNA短链称为冈崎片段。,11-11,BecausethetwostrandofDNArunantiparalleltooneanotherandDNApolymeraseIIIsynthesizesonlyinonedirection.Onthelaggingstrand,synthessismustbediscontinuous,resultingtheproductionofOkazakifragment.Ontheleadingstrand,synthesisiscontinuous.RNAprimersinitiatesynthesisonbothstrands,3DNA聚合酶I和III具有35外切酶活性，具有切割和修补功能。4DNA合成必须有一个短的双链区作为引物（primer）。聚合酶不可能在一条单链模板上起动合成一条新链。因此需要有引物合成酶（primase）与dnaB蛋白一起作用合成一个RNA引物，保证DNA聚合酶III在引物的3端起动DNA合成。,11-13,SummaryofDNAsynthesisatasinglereplicationfork.,Theendsofeukaryoticchromosomesarereplicatedbyatelomerase,Theendsofeukaryoticchromosomesarereplicatedbyatelomerase端粒末端复制的困难telomericDNAsequenceshavebeenhighlyconservedthroughoutevolution,reflictingthecriticalfunctionoftelomeres.DNApolymerasecannotreplicatetheterminalDNAsegmentofthelaggingstrandofalinearchromosome.therewouldbenoDNAstrandtoprovideafree3,-OHforDNAextenssionaftertheRNAprimeroftheterminalOkazakifragmenthasbeenexcised.,线型染色体DNA末端复制的困难，后随链复制后会留下一个空缺。,端粒酶的作用对热.蛋白酶K和RNA酶都敏感Theuniquefeatureoftelomereraseisthatitcontainsabuilt-inRNAstrandtemplate,afterseveraltelomererepeatunitsareaddedbytelomerase,DNApolymerasecatalyzesthesynthesisthecomplementarystrand.Withouttelomeraseactivity,linearchromosomeswouldbecomeprogressivelyshorter.iftheresultingterminaldeletionsextendedintoanessentialgeneorgenes,thischromosomeshorteningwouldbelethal.,Telomeraseresolvestheterminalprimerproblem,端粒酶和细胞衰老telomereshorteninghasbeenlinkedtoamolecularmechanisminvolvedintheagingprocessofcells.inmosteukaryoticsomaticcells,telomeraseisnotactive,andthuswitheachcelldivision,thetelomeresofeachchromosomeshorten.aftermanydivisions,thetelomereisseriouslyerodedandthecelllosesthecapacityforfurtherdivisi