基因及其表达与调控.ppt

主要内容:1、遗传物质2、基因表达3、基因表达的调控（自学）,第六章基因及其表达与调控,基本要求：（1）掌握核酸的分子结构与功能；（2）理解基因的概念及发展；（3）掌握基因表达的过程；（4）了解基因表达的调控。,第一节遗传物质,（一）间接证据（1）DNA通常只在核中的染色体上找到。也有某些例外，例如细胞质中的线料体和叶绿体等有它们的自己的DNA，但这些结构能自体复制，有它们自己的遗传连续性。（2）同一种生物，不论年龄大小，不论身体的那一种组织,在一定条件下，每个细胞核的DNA的含量基本上是机同的，而精子的DNA的含量正好是体细胞的一半。蛋白质等其他化学物质不符合这种情况。（3）同一种生物的各种细胞中，DNA在量上恒写在质上也恒定；相反地，蛋白质在量不上恒定，在质上也不恒定，例如在某些鱼类中，它们的染色体的蛋白质一般都是组蛋白，且含有少量的RNA，而在成熟精子中组蛋白完全不见了，全都是精蛋白了，RNA的含量也测不出，查见蛋白质在质量也不是恒定的，不符合遗传物质的对稳定性要求。（4）各类生物中，能改变DNA结构的化学物质都可能引起突变。,一、核酸是遗传物质：,1、细菌转化实验前传（转化因子试验）1928年格里菲斯（Griffith，J.）肺炎双球菌有两种类型型（有毒）外包有荚膜，不能被白血球吞噬型（无毒）外无荚膜，容易被白血球吞噬,注射毒性的SIII,注射已杀死的无毒性的SIII+少量活R型菌株,分离到有活的性的SIII,转化因子？,（二）直接证据,1944年O.T.Avery等人通过实验证明DNA是一个携带遗传信息的分子，几年之后，A.Hershy和M.Chase通过噬菌体感染实验也证实DNA是遗传物质。（1）.肺炎球菌的转化实验肺炎病菌有二种，一种是光滑型肺炎双球菌：有荚膜、菌落光滑且有毒。这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖荚膜，它是细菌致病性的必要成分，引起肺炎；另一种是粗糙型肺炎双球菌：无荚膜、菌落粗糙且无毒。下图给出了O.T.Avery等人具体的肺炎球菌的转化实验过程。,2、细菌转化实验,（a）将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内，使小鼠致死。（b）将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内，对小鼠无害。（c）将光滑型肺炎双球菌加热杀死后，再注入小鼠体内，对小鼠无害。（d）将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内，小鼠死掉。（e）从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中提取DNA，并尽可能将混在DNA中的蛋白质除去，然后将DNA与粗糙型肺炎双球菌混合后，再注入小鼠体内，小鼠死掉。,（2）.噬菌体感染实验用32P标记噬菌体DNA，使标记的噬菌体感染大肠杆菌，经短期保温后，噬菌体就附着在细菌上。然后用搅拌器（10000转/分）搅拌几分钟，使噬菌体与大肠杆菌分开，再用高速离心机使细菌沉淀，分析沉淀和上清中的放射性。用35S标记噬菌体的蛋白质外壳，进行同样的验证实验。结果大多数噬菌体的DNA存在于细菌中，而外壳留在上清中。但是被感染的细菌内部出现了奇迹。随着被感染的细菌的培养，有的细菌破裂，释放出很多噬菌体来。这说明用于复制的遗传信息是通过病毒DNA，而不是通过病毒蛋白质导入细菌内的。,32P标记噬菌体DNA,35S标记噬菌体外壳,美国生理学家德尔布吕克（Delbuck，M.19061981）1952年赫希尔（Heishey，A.D.）和蔡斯（Chase，M.），用同位素标记法进行实验。他们的实验进一步证明了就是遗传物质基础。,（1）保证遗传信息在世代间传递的延续性和稳定性（2）使细胞和个体生长过程中遗传信息顺利表达,3、DNA作为遗传物质的基本功能,（二）DNA的结构和复制1.DNA的结构（1）DNA的一级结构.定义：DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定顺序，通过3,5磷酸二酯键(一个核苷酸的3羟基和相邻一个核苷酸的5磷酸基团以酯键相连。)连成的直线形或环形分子。.DNA的书写顺序是53。.DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。,二、核酸的分子结构与功能,（一）核酸的分子组成和性质,(2)、DNA的二级结构（双螺旋）,定义：DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。,.双螺旋结构的研究背景,碱基组成的Chargaff规则：Franklin和Wilkins获得了高质量的DNA的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子。1952年底,美国著名的化学大师鲍林(LinusPauling)发表了自己构建的DNA三螺旋结构。1953年Watson和Crick总结前人的研究成果，提出了DNA的双螺旋结构模型。,Chargaff规则（20世纪40-50年代）不同物种间DNA碱基组成一般是不同的；同一物种不同组织DNA样品碱基组成相同；一个物种的DNA碱基组成不会因个体的年龄、营养状态和环境改变而改变；任何一种DNA样品中，A的量=T的量，G的量=C的量，因此A+G=C=T，A+G+C+T=100%。例如：G+C含量为40%，则G=20%、C=20%、A=30%、T=30%,.DNA双螺旋结构模型的要点,两条右手螺旋的多核苷酸链反向平行围绕同一中心轴相互缠绕。两条链偏向一侧，形成大沟和小沟磷酸与核糖通过磷酸二酯键连接，形成DNA分子骨架，位于DNA分子外侧，嘌呤与嘧啶位于双螺旋内侧。碱基平面和纵轴垂直，糖环的平面与纵轴平行。双螺旋的直径2nm，相邻碱基对之间的距离为0.34nm。沿中心轴旋转一周有10个核苷酸。两核苷酸链靠碱基间的氢键连接在一起（A=T配对，GC配对）。当一条多核苷酸链的序列确定后，可决定另外一条互补链的序列。,双螺旋结构的稳定因素？,碱基堆积力（堆积碱基的疏水作用）-主要因素氢键(AT之间两个氢键，GC之间三个氢键)环境中的正离子,复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。,2、DNA半保留半不连续复制,（1）半保留复制(semiconservativereplication),概念：DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板，按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整接受过来，另一股单链则完全重新合成，两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致，这种复制方式为半保留复制。,复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。,（2）双向复制(bidirectionalreplication),A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter),原核生物DNA双向复制,真核生物DNA多复制子复制,（3）、半不连续复制(semi-discontinuousreplication),顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。复制方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazakifragment)。,领头链(leadingstrand),随从链(laggingstrand),岡崎片段(okazakifragment),领头链连续复制而随从链不连续复制复制的半不连续性,1、RNA的一级结构,RNA分子中各核苷之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构,RNA与DNA的差异DNARNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基,（三）、RNA的结构与功能,2、mRNA的结构信使RNA（messengerRNA，mRNA）不均一核RNA（heterogeneounuclearRNA，hnRNA）：在细胞核内合成的mRNA的初级产物，经过剪接成为成熟的mRNA并移到细胞质。mRNA的功能：是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。,AAAAAn,m7Gppp,AUGGUG,UAA,5,3,5帽子结构密码子3多聚A尾,5非编码区编码区3非编码区,真核生物mRNA：,*mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,mRNA的成熟过程,mRNA结构的特点,真核生物成熟mRNA的结构特点及与原核生物的区别：（1）、5端帽子结构（capsequence):m7G5ppp5Nm-5-末端的G的N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5,5-磷酸二酯键。帽子结构能促进核蛋白体与mRNA的结合加速翻译起始速度，同时可以增强mRNA的稳定性。原核生物无此结构,（2）、3末端多聚A的尾巴。极大多数真核细胞mRNA在3-末端有一段长约20200个多聚腺苷酸的polyA。polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。原核生物无些结构polyA的功能：1、与mRNA从细胞核转移到细胞质有关；2、与mRNA的半寿期有关，新合成的mRNA，polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。,（3）、真核生物mRNA是单顺反子的，而原核生物的mRNA是多顺反子的。,顺反子：是由顺反试验所规定的遗传单位相当于一个基因，含有决定一种蛋白质氨基酸序列的全部核苷酸序列。多顺反子：是指携带一种以上蛋白质合成信息的mRNA也就是说：原核生物mRNA可编码几条不同的多肽链。单顺反子：只编码一条多肽链。,2、tRNA的结构,（1）tRNA的一级结构1.由7493个（多为76个）核苷酸组成单链，沉降系数为4S；(沉降系数又称为沉降常数，指离心力场中沉降分子下沉的速度，1S=1x10-13秒，S常用来表示核酸分子，蛋白质分子和糖体等的大小）2.具有不变的（恒定的）核苷酸:U8、G18、G193.含较多的修饰核苷酸（稀有碱基）；4.5端多为PG；3端多为CCAOH（用来接受活化的氨基酸，又称为接受末端）（2）.tRNA的二级结构三叶草结构具有四臂四环3端为CCAOH序列，5端为PG（3）.tRNA的三级结构倒L形结构,tRNA的三叶草型二级结构,1,2,4,叶子,反密码子环,反密码子,载运氨基酸,臂,稀有碱基,RNA中的碱基配对原则A-UG-C,3,额外环,二氢尿嘧啶环,次黄嘌呤,不同的tRNA具有不同的额外环，所以额外环是tRNA分类的重要指标,假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环,tRNA的二级结构tRNA的二级结构大都呈“三叶草”形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为四臂四环：包括氨基酸接受臂、反密码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、TC（环）臂和可变环。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。,(1)氨基酸接受区包含有tRNA的3-末端和5-末端，3-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA，A为腺苷酸。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。(2)反密码区与氨基酸接受区相对，一般环中含有7个核苷酸残基，臂中含有5对碱基。其中环中正中的3个核苷酸残基称为反密码子。,（3)二氢尿嘧啶区该区含有二氢尿嘧啶。环由8-12个核苷酸组成，臂由3-4对碱基组成。(4)TC区该区与二氢尿嘧啶区相对，假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环(TC)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tBNA在此环中都含有TC。(5)可变区位于反密码区与TC区之间，不同的tRNA该区变化较大，一般有3-18个核苷酸组成。,tRNA的三级结构呈倒“L”形，3CCA-末端位于L的短线一端，反密码环位于L的长线一端，DHU和TC环形成L的转角。,作用力：（）氢键和碱基的上下堆积，以及疏水性等使得倒“L”结构稳定存在。（）除了碱基对的氢键外，还有非寻常的氢键：不互补的碱基间GG、AA、AC等的氢键；核糖磷酸骨架与碱基骨架之间的氢键。,3、rRNA的结构,概述rRNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80以上。rRNA与蛋白质共同构成核糖体（ribosome，是一种核酶），其中蛋白质约占40，rRNA约占60。功能核糖体中催化肽键合成的是rRNA，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助作用。,核糖体分大小两个亚基：原核生物核糖体中有3类rRNA（大50S；小：30S）：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。真核生物核糖体中有4类rRNA（大60S；小：40S）：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。,大肠杆菌E.Coli.16srRNA的结构,核糖体上蛋白质合成过程中mRNA、tRNA的作用，及肽链的延伸示意图。,mRNA,tRNA,核糖体,三、基因的概念及其发展（自学）,基因表达：是指遗传信息从DNA转录成mRNA,再从mRNA翻译成蛋白质的过程,第二节、基因表达,概念,中心法则,一、转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。即在RNA酶催化下，以DNA为模板合成mRNA的过程,转录,模板链（反义链）：DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，也称作有意义链或Watson链。,编码链（有义链）：DNA双链中与模板链相对的单链，不进行转录，也称为反义链或Crick链。,5GCAGTACATGTC3,3cgtgatgtacag5,5GCAGUACAUGUC3,NAlaValHisValC,编码链,模板链,mRNA,蛋白质,转录,翻译,RNA的转录过程：（以大肠杆菌为例）起始位点的识别转录起始链的延伸转录终止,(一)、RNA的转录过程,1、起始位点的识别,RNA的合成不需要引物。体外实验证明，不含亚基的核心酶会随机地在一个基因的两条链上启动，当有亚基时就会选择正确的起点。亚基起着识别DNA分子上的起始信号（启动子指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列）的作用。启动子的结构至少由三部分组成：-35序列提供了RNA聚合酶全酶识别的信号；-10序列是酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；第三部分是RNA合成的起始点。,2、转录起始,RNA聚合酶全酶扫描解链区，找到起始点，然后结合第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP，很少是CTP，不用UTP。所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，亚基就会被释放脱离核心酶。,因子仅与起始有关，RNA的合成一旦开始，便被释放,3、RNA链的延伸,DNA分子和酶分子发生构象的变化，核心酶与DNA结合比较松弛，可沿DNA模板移动，并按模板顺序选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到生长的RNA链的3-OH端，催化形成磷酸二酯键。转录延伸方向从53,4、转录终止,在DNA分子上（基因末端）提供转录停止信号的DNA序列称为终止子（terminators),它能使RNA聚合酶停止合成RNA并释放出RNA。,需要因子（终止因子，协助RNA聚合酶识别终止信号）帮助，因子能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分，它的作用是阻止RNA聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出已转录完成的RNA链。,不依赖于因子。强终止子序列有两个明显的特征：（1）在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域。（2）富含G-C的区域之后是一连串的dA碱基序列，它们转录的RNA链的末端为一连串U（连续6个）。,细胞内，由RNA聚合酶合成的原初转录物（primarytranscript）往往需要一系列的变化，包括链的裂解、5和3末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼接和编辑等过程，才转变为成熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟或称为RNA的转录后加工。,（二）、RNA的转录后加工,（一）大肠杆菌RNA聚合酶大肠杆菌的RNA聚合酶全酶由5种亚基2组成，因子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与2分离，没有亚基的酶称为核心酶只催化链的延长，对起始无作用。五种亚基的功能分别为：亚基：与启动子结合功能。亚基：含催化部位，起催化作用，催化形成磷酸二酯键。亚基：与DNA模板结合功能。亚基：识别起始位点。,二、RNA聚合酶,（二）真核细胞的RNA聚合酶,酶类,分布,产物,-鹅膏蕈碱对酶的作用,分子量,反应条件,I,核仁,核质,核质,rRNA5.8SrRNA18SrRNA28SrRNA,mRNA,tRNA5SrRNA,不抑制,低浓度抑制,高浓度抑制,500000700000,700000,_,低离子强度,要求Mg2+或Mn2+,高离子强度,高Mn2+浓度,翻译：是以mRNA为模板，将mRNA上的遗传信息转换成蛋白质的氨基酸序列的过程。,三、翻译,（一）、遗传密码,mRNA(或DNA)中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系，称为遗传密码。,三联体密码：从mRNA5端起始密码子AUG开始，每三个核苷酸为一组决定肽链中的一种氨基酸，称为三联体密码。61个编码20种氨基酸，有3个终止密码子,起始密码（initiationcoden):第一个AUGAUG意义：编码甲硫氨酸，原核生物为甲酰化甲硫氨酸,终止密码（terminatiomcoden）,UAA、UAG、UGA（赭石）（琥珀）（乳白石）,遗传密码字典,U,A,C,G,UCAG,U,C,A,G,第二位,第一位（5）,第三位（3）,UCAG,UCAG,UCAG,翻译的起始(initiation)肽链的延伸(elongation)合成的终止(termination),（二）翻译的过程：,1、翻译起始（原核）,30S亚基mRNAIF3-IF1复合物,30SmRNAGTP-fMettRNA-IF2-IF1复合物,70S起始复合物,mRNA+30S亚基-IF3,mRNA中的SD序列与30s的互补序列结合,mRNA与30s形成复合物,IF1,IF3参与复合物的形成,核蛋白体上含给位p与受位A，AUG信号与给位相对应结合。同时fmet-tRNA的反密码子CAU与mRNA的AUG互补结合,50s的结合：50s与30s复合物形成70s启动前复合体,同时伴有GTP水解；IF1IF2脱落,形成了启动复合体,fmet-tRNA的结合：与以上过程同时发生，fmet-tRNA辨认并与mRNA模板中的AUG结合。反应需IF2,GTP,Mg2+参与;而IF3脱落,70S启始复合物由大、小亚基,m