动物遗传学遗传信息的传递学习课件

1、1、DNA的复制 主要内容 2、DNA的转录 3、蛋白质的生物合成 4、基因表达调控 牛牛文库文档分享 第一节:DNA的复制 牛牛文库文档分享 一、DNA的复制特点 DNA复制(replication)：是指以DNA分子为模板合成 DNA的过程，由此遗传信息通过亲代DNA分子传递给 子代。 1 半保留复制(semiconservative replication) 2 DNA复制的半不连续性(semi-discontinuous replication) 牛牛文库文档分享 半保留复制(semiconservative replication) 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 DNA复制的半

2、不连续性 牛牛文库文档分享 DNA连接酶 引发酶 DNA聚合酶 拓扑异构酶 二、DNA复制体系 DNA模板 单链结合蛋白 解旋酶 牛牛文库文档分享 原核生物DNA聚合酶 牛牛文库文档分享 Pol*结构模型 核 心 聚 合 酶 二聚体 复 合 物 牛牛文库文档分享 DNA聚 合酶 位置位置细胞核细胞核细胞核细胞核线粒体线粒体细胞核细胞核细胞核细胞核 功能功能后随链合后随链合 成、前导成、前导 链延伸链延伸 修复修复复制复制前导链合前导链合 成成 修复修复 分子量分子量300k300k40k40k180300k180300k170230k170230k250k250k 3 355外外 切活性切活性

3、 + + + + +_ _ 引发酶引发酶 活性活性 + +_ _ _ _ _ 牛牛文库文档分享 三、复制的起点与终止区域 原核生物只有一个复制起点，真核生物有多个复制 起点，形成多个复制单位。 牛牛文库文档分享 四、复制过程 牛牛文库文档分享 前导链和后随链的协同合成 牛牛文库文档分享 五、复制方式 1 型复制（ type replication） 2 滚环式复制（ rolling circle replication） 3 D环复制（ D-loop replication） 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 六、DNA复制的忠实性 每次复制碱基对发生错误

4、的机率是10-8，而 在细菌中实际的错配率为10-810-10。 牛牛文库文档分享 DNA聚合酶可通过下述两种方式提高互补碱基选择的专一性。 DNA复制的忠实性 通过专一性识别使即将加入的碱基与模板上的碱基严格互补， 这种方式用来控制合成前的错误； 当发现存在着错配时，可切除新加入的碱基，这种方式叫校 对控制。 牛牛文库文档分享 七、原核和真核生物DNA复制区别 1 复制的起点与速率 2 复制方式 3 真核生物染色体末端DNA的复制 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 PCR：即聚合酶式反应(polymerase chain reaction)，是美国科学家 Mullis于1983年发明的一种

5、在体外 快速扩增特定基因或DNA序列的 方法，故又称为基因的体外扩增法。 八、PCR技术 http:/ 牛牛文库文档分享 Beginning with a single molecule of the genetic material DNA, the PCR can generate 100 billion similar molecules in an afternoon. The reaction is easy to execute. It requires no more than a test tube, a few simple reagents and a source of

6、heat. The DNA sample that one wishes to copy can be pure, or it can be a minute part of an extremely complex mixture of biological materials. The DNA may come from a hospital tissue specimen, from a single human hair, from a drop of dried blood at the scene of a crime, from the tissues of a mummifie

7、d brain or from a 40,000-year-old wooly mammoth frozen in a glacier. 牛牛文库文档分享 In 1993, the Royal Swedish Academy of Sciences awarded the Nobel Prize in Chemistry for work on DNA-based chemistry methods, with one- half of the prize going to Kary Mullis for his invention of the polymerase chain reacti

8、on (PCR) method. His work, the academy said, had hastened the rapid development of genetic engineering and greatly stimulated biochemical research and opened the way for new applications in medicine and biology. The academy added: The applications of Mullis PCR method are already many. It is for exa

9、mple possible using simple equipment to multiply a given DNA segment from a complicated genetic material millions of times in a few hours, which is of very great significance for biochemical and genetic research. The method offers new possibilities particularly in medical diagnostics, and is used, f

10、or example, for discovering HIV virus or faulty genes in hereditary diseases. 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 PCR与体内DNA复制的异同 牛牛文库文档分享 第二节、DNA转录 牛牛文库文档分享 转录 ( transcription)： 是指以DNA为模板，在依赖 于DNA的RNA聚合酶的催化下，以ATP、GTP、 CTP和UTP 4种核苷三磷酸为原料合成RNA的过程。 一、概念 牛牛文库文档分享 DNA转录与复制的区别 1 转录只发生在基因组的部分区域。 2 转录只以DNA的

11、一条链为模板。 3 转录起始，不需要有引物的参与。 4 转录底物为核糖核苷三磷酸。 5 RNA合成依赖于RNA聚合酶。 6 转录时DNA-RNA杂合双链分子是不稳定的，在延伸 过程中不断从模板链上游离出来。 7真核生物基因的一般需要转录后加工才能成为具有 生物功能和成熟的RNA分子。 牛牛文库文档分享 反式作用元件( trans-acting element)是指能直接或间接地识别 或结合在各种顺式作用元件核心序列上，参与靶基因表达调 控的一组调节蛋白。 顺式作用元件 （cis-acting element ） 是指对基因表达有调节 活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分 子

12、上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位 于基因旁侧或内含子中。 牛牛文库文档分享 二、RNA聚合酶 由、和,4种亚基组成，全酶(holoenzyme)共5个亚 基，为2。其中的2为核心酶(core enzyme)。 亚基可能具有与底物(NTP及新生RNA链)结合的能力。 亚基可与模板结合。 亚基可能参与全酶的组装及全酶识别启动子，还参与RNA聚合酶与一些调 控因子间的作用。 亚基使全酶识别启动子，并与启动子结合。 1 原核生物的RNA聚合酶 牛牛文库文档分享 2 真核生物的RNA聚合酶 牛牛文库文档分享 1 启动子 启动子（promoter）：能够与RNA聚合酶全酶结合并 准确有

13、效地起始转录的特异DNA序列称为启动子。 三、启动子与终止子 牛牛文库文档分享 原核生物的启动子 (1)转录起始点 (2)-10区 (3)-35区 (4)-10区和-35区间的距离 -35区 -10区 +1 牛牛文库文档分享 (1)加帽位点 (2)TATA框 (3)CAAT框 2.RNA聚合酶的启动子的结构 (4)GC框 (5)八聚体核苷酸元件 (6)B元件 (7)ATF元件 1.RNA聚合酶的启动子的结构 核心启动子core promoter 。 上游调控元件upstream control element,UCE。 真核生物的启动子 牛牛文库文档分享 在转录过程中，提供转录终止信号的DNA

14、序列称为终 止子(terminator)，可分为强终止子和弱终止子两类。 终止子(terminator) 牛牛文库文档分享 转录是由DNA指导的RNA合成的过程，可分为起 始、延伸和终止三个阶段。 四、转录的过程 牛牛文库文档分享 五、转录的终止 转录终止包括新生RNA链的释放及RNA聚合酶与DNA解离。 有两类终止机制： 不依赖因子的终止，依靠终止子本身结构终止。 依赖因子的终止机制. 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 六、转录产物的后加工 加帽及作用 7-甲基鸟苷基团（m7G）通过5端三磷酸酯键 以5-5方式连接到mRNA的5端形成的结构 牛牛文库文档分享 加尾及作用

15、Poly(A)尾的性质 多数真核生物(酵母除外)的mRNA 3具有约为200bp长的Poly(A)尾巴。Poly(A)尾巴不 是由DNA所编码，而是在转录后由RNA末端腺苷酸转移 酶催化下，以ATP为前体，添加到mRNA的3末端。 牛牛文库文档分享 RNA的剪接（RNA splicing） 依靠内含子的特殊结构而能自发地进行剪接。 蛋白质(酶)促剪切，例如tRNA。 需要细胞核小分子核糖核蛋白（small nuclear ribonucleoprotein, snRNP）参与的剪接。 牛牛文库文档分享 在内含子两端分别有两个非常保守的碱基: 外显子-G100T100A62A68G83T6312

16、PyNC65A100G100-外显子 内含子在剪接位点的这种特征称为GT-AG规则。 mRNA的剪接 完成剪接所需的条件只有三个序列，即5GT、3AG和分 支点序列 在距内含子的3端约2050个碱基处有一高度保守序列 CURAY,R为嘌呤,Y为嘧啶,称为分支位点,其中A高度保守. 牛牛文库文档分享 剪接过程 内含子5端切开，形成游离的左侧外显子和右侧的内含子外显子。内 含子游离的5端以52磷酸二酯键与A相连，形成一个套索结构。 内含子的3剪接点被切断而以套索状释放，与此同时右侧外显子与左 侧外显子连在一起。 内含子套索被切开，形成线状并很快被降解。 牛牛文库文档分享 第三节 蛋白质的合成 牛牛

17、文库文档分享 翻译 (translation): 是指由RNA参与的蛋白质生物合成过程， 将核酸序列转变为氨基酸序列,从而使由DNA而来的遗传信息 经过mRNA正确地传递到蛋白质。 3种RNA参与翻译过程 : tRNA转运氨基酸，rRNA与多种蛋白 质组成核糖体做为翻译的场所，mRNA做为翻译的模板。 牛牛文库文档分享 一、遗传密码 密码子（codeon）：是mRNA中编码一个氨基酸的三个碱基 称为密码子， 4种碱基(A、G、C、U)可以组合成64种密码子， 编码20种氨基酸。 密码表的破译： 1961年，Nirenberg报道人工合成多聚核苷酸体外翻译技术。 Nirenberg和leader

18、发明的核糖体结合技术。 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 2 起始密码子：编码起始氨基酸的密码子称为起始密码子。 1 同义密码子（synonyms）：代表同一氨基酸的简并密码子称 为同义密码子。 密码子的特点 4 摆动假说 （wobble hypothesis）：密码子与反密码子识别 配对时，密码子的前两位碱基在和反密码子配对时遵循碱基配 对原则，而第三位碱基配对时，则有一定的灵活性。 3 终止密码子：不编码氨基酸而作为蛋白质合成终止信号的密码 子称为终止密码子。 牛牛文库文档分享 二、tRNA的功能 tRNA在翻译中起转运氨基酸的作用，所有的tRNA分子都有相同的二级 结构（三叶草型）和三

19、级结构(倒L型) 牛牛文库文档分享 三、核糖体的结构与功能 核糖体由大小两个亚基组成，RNA和蛋白质相互作用，有的形成 活性部位，有的提供构象，形成一个复杂而有序的结合体，是 蛋白质合成的场所。 核糖体含量：在一个生长旺盛的细菌中，约有20 000个核糖体。 核糖体占细胞干重的25%。其蛋白占细菌的总蛋白的10%左右， RNA占细菌总RNA的80%左右。 牛牛文库文档分享 原核生物的翻译过程 翻译可分为三个阶段：起始(initiation)、延伸(elongation) 和终止(termination)。 翻译速度：在37为15个氨基酸/秒，一个300个氨基 酸组成的蛋白质分子只需20秒就能完

20、成。 牛牛文库文档分享 原核生物的翻译过程 牛牛文库文档分享 翻译的起始是核糖体的大小亚基、tRNA和mRNA在起始因 子的协助下组合成70S起始复合物的过程。 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 四、蛋白质生物合成初始产物的后加工 肽链中氨基酸残基的化学修饰 乙酰化、 、甲基化 、磷酸化、泛酸化 、转氨基酸作用 、多 聚ADP核糖基化 、糖基化 肽链N端甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸的除去 信号肽的切除 肽链的折叠 切除前体中功能不必需肽段 二硫键的形成 多肽链N端和C端的修饰 牛牛文库文档分享 第四节 基因表达与调控 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(gen

21、e expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调 控(gene regulation或gene control)。 概述 牛牛文库文档分享 基因表达调控在两个水平上体现 (1)转录水平上的调控(transcriptional regulation); (2)转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation) ; mRNA加工水平上的调控(differential processing of RNA transcript); 翻译水平上的调控(differential translation of mRNA)。 牛牛文库文档分享 原核生物所处的环境条

22、件通常是多变的，在长 期的进化过程中，生物体通过改变基因活性来适应 新的环境，从而正常生长和繁衍后代。 真核生物多为多细胞生物，尤其是高等真核 生物有着精细的复杂的个体生长、发育和分化过 程，因而其基因表达严格、精密地按照既定的时 间、空间和程序进行。 牛牛文库文档分享 操纵子（operon）:是由调节基因（regulatory gene）、操纵基因 （operator gene）和若干有相关生物活性的结构基因组成，结构基因 （structure gene）排列成簇，3种基因协同履行精巧的生命活动。 结 构 基 因调节基因操纵基因 操纵子是原核生物基因转录调控的主要形式，通过调节基因编码的调

23、节蛋白，开启或关闭操纵基因，进而调控结构基因的表达，一开俱开，一 闭全闭，对环境条件的改变作出相应的反应。 一、原核生物基因表达调控 1 操纵子 牛牛文库文档分享 结构基因（structure gene）：是编码蛋白质的任何基因。 结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有 组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和调 节蛋白等。 操纵基因（operator gene ）：是一个顺式作用元件，与启 动子相邻，是阻抑蛋白的靶位点。 调节基因（regulator gene ）：是参与其他基因表达调控的 RNA或蛋白质的编码基因。 结 构 基 因调节基因操纵基因 牛牛文库文档分享

24、正调控和负调控 负调控(negative control) ：当调节蛋白缺乏时，基因是表 达的，而加入调节蛋白后基因表达活性被关闭，这种调控系统 称为负调控系统，其蛋白称为阻遏蛋白（repressor）。 正调控(positive control)：当调节蛋白存在时，基因是表达 的，而缺乏调节蛋白后基因表达活性被关闭，这种调控系统称 为正调控系统。 牛牛文库文档分享 诱导物(inducer) : 如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶 将其自身分解，该过程称为诱导，这种小分子物质就叫做 诱导物。 注：诱导物的调控机制并不是直接与其调控的目标酶分子 相互作用来完成，而是通过调节蛋白来完成。 诱导与

25、阻遏 某些小分子物质可作用于调节蛋白，使操纵子有着不同的 应答反应，根据小分子对操纵子的应答情况，可分为可诱导操 纵子（inducible operon）和可阻抑操纵子(repressible operon)。 牛牛文库文档分享 辅阻抑物(corepressor):某些小分子物质能够作用于调节蛋白， 使操纵子有着不同的应答反应，若能关闭基因的转录，该过 程称为阻遏，该小分子物质称为辅阻抑物。 义务诱导物(gratutious inducer):这种能诱导酶合成，但不能被 酶分解的分子称为义务诱导物。 IPTG能诱导乳糖操纵子，但 不能被-半乳糖苷酶分解，能持续发挥诱导作用。 牛牛文库文档分享

26、乳糖操纵子 CAP 牛牛文库文档分享 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 别乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 图 16- 乳糖分解的不同产物 牛牛文库文档分享 乳糖操纵子的负调控机制 未诱导：结构基因被阻遏 阻遏物 四聚体 LacI P O lacZ lacY lacA 图 16- 当无诱导物时阻

27、遏物结合在操纵基因上 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 诱导：基因被打开 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关 牛牛文库文档分享 Active repressor cannot bind to O c mutant operantor Operon is transcribed and translated lacI O c operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 操纵基因发生组成型突变，操纵子组成型表达 牛牛文库文档分享 Inactive repressor lacI gene sythesizes defectiv

28、e repressor that does not bind to DNA Operon is transcribed and translated lacI Operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16- lac I 发生突变，操纵子组成型表达 牛牛文库文档分享 CAP 乳糖操纵子的正调控机制 牛牛文库文档分享 CAP是一正调控因子，在依赖CAP的启动子上起始转录必须有 CAP参与。 而只有cAMP存在时，CAP才有活性， cAMP通过与cap基因产物结 合，使操纵子的表达水平与cAMP水平成正比。 牛牛文库文档分享 当细胞内缺少葡萄糖时，腺苷酸环化酶以ATP为底物，将其核

29、糖 环上3、5两个碳原子通过磷酸二酯键连接，形成cAMP。 当大肠杆菌在培养基中发现葡萄糖和乳糖时，它首先分解利用 葡萄糖，而阻抑乳糖的利用。 牛牛文库文档分享 trpEtrpAtrpBtrpCtrpDtrpRtrpOtrpLPPR 色氨酸操纵子 色氨酸操纵子有5个连续的结构基因,编码使分支酸 (chorismic acid)转化为色氨酸的3种酶：D和E编码邻 氨基苯甲酸合成酶、C编码吲哚合成酶、A和B编码色氨 酸合成酶。 牛牛文库文档分享 色氨酸操纵子的负调控机制 牛牛文库文档分享 色氨酸操纵子的衰减调控系统 trpEtrpAtrpBtrpCtrpDtrpRtrpOtrpLPP 牛牛文库文档

30、分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 P eriod C hanges in R N A p olym erase R eaction E arly p hage genes E arly have p rom oters that are recognized b y b acterial holoenzym e E arly genes 2 8 condes for a new sigm a factor that disp laces b acterial sigm a factor M iddle gp28-core enzym e com pl

31、ex transcribes phage m iddle genes M iddle genes 33and 34 Lete code for proteins that rep lace g p 28 gp 3 3-gp 3 4 -code enzym e late transcrib es p hage genes 图 1 6 -3 2 S P O 1 噬 菌 体 的 转 录 由 各 种 sigm a 因 子 来 控 制 2 基因表达的时序调控 牛牛文库文档分享 3 DNA序列重排的调控 沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation） 1 相 H 1 鞭 毛

32、 蛋 白 不 表 达 H 1 基 因 H 2 基 因 rh 1 阻 遏 物 基 因 2 相 H 2 鞭 毛 蛋 白 阻 遏 物 H 1 基 因 被 阻 遏 图1 6 -4 0 通 过H 2 转 录 单 位 的 活 性 来 决 定 沙 门 氏 细 菌 鞭 毛 的 “ 相 ” 。 牛牛文库文档分享 Pphase2 IRL P hin P IRR H2 Repressor IRR P hin P IRL H2 Repressor Fig16- Control of alternate expression of Salmonella fragellar genes H1 and H2 by an i

33、nvertible DNA segment 牛牛文库文档分享 二、真核生物基因转录调控 1 DNA及染色体水平的调控 基因丢失 基因扩增 基因重排 DNA甲基化 牛牛文库文档分享 2 转录水平的调控 反式作用元件( trans-acting element)是指能直接或间接 地识别或结合在各种顺式作用元件核心序列上，参与靶基因 表达调控的一组调节蛋白。 顺式作用元件 （cis-acting element ） 是指对基因表达 有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个 DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质， 多位于基因旁侧或内含子中。 牛牛文库文档分享 增强子（

34、enhancer）：是真核细胞中通过启动子来增强 转录的一种远端遗传性控制元件。 沉默子(silencer)：是对转录具有抑制作用的调控序 列。 2.1 顺式作用元件对转录水平的调控 牛牛文库文档分享 PS 外显子 S PL 外显子 L 外显子 2 外显子 3 DNA 50b 2800bp 161bp 4500bp 205bp 327bp 初始转录本： 在唾腺中转录 成熟 mRNA： 1663nt 初始转录本： 在肝中转录 成熟 mRNA： 1773nt 图 18-57 小鼠淀粉酶(amy) 基因利用不同启动子产生两个不同的 mRNA 牛牛文库文档分享 结构域（domain）：是指蛋白质的超二

35、级结构可以形成紧密、 稳定且在蛋白质分子构象上明显可分的区域，一般由50-400个 氨基酸残基组成，分别担负蛋白质不同的功能，是蛋白质的生 物功能实体。 DNA结合结构域 2.2 转录因子对转录水平的调控 DNA结合结构域是一种具有显著特征的结构域单元，常见有锌 指结构(zinc-finger domain)和螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)。 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 二聚体化域（dimerization domain）是负责蛋白与蛋白相互作用 形成二聚体的结构域，常见的有亮氨酸拉链(leucine zipper) 和 螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix) 。 二聚体化域 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 转录激活域 转录激活域（transcription activation domain)：通 常是依赖于DNA结合结构域以外的30100个氨基 酸残基，调节蛋白依赖于转录激活域进行蛋白质- 蛋白质相互作用，控制转录起始复合物的形成和 调控其活性。 牛牛文库文档分享 3.1 RNA编辑 RNA编辑（RNA editing）：主要是指