DNA复制转录翻译

1、 肺炎支原体肺炎流行病学、临床特征与诊疗规范化研究肺炎支原体肺炎流行病学、临床特征与诊疗规范化研究 潘长旺潘长旺 发展简史 2 主要内容 3 4 5 DNA复制、转录和翻译 DNA重组与基因工程重组与基因工程 基因与疾病基因与疾病 1 发展简史 准备和酝酿准备和酝酿 建立和发展建立和发展 蛋白质是生命的主要基础物质蛋白质是生命的主要基础物质 DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础 遗传中心法则的建立遗传中心法则的建立 蛋白质翻译合成的基本过程蛋白质翻译合成的基本过程 1953年年 主要内容 基因工程技术基因工程技术 基因表达的调控基因表达的调控 生物大分子的结构和功能生物大分子的结构和功能 生

2、物信息学生物信息学 中心法则（ central dogma） 遗传信息传递方向的规律遗传信息传递方向的规律 DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过复制将遗传信息由亲代传递给子代； 通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分 子，从而决定生物的表现型。子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转的复制、转 录和翻译过程就构成了录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则遗传学的中心法则。 在在RNA病毒中，其遗传信息贮存在病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子分子 中。遗传信息的流向是中。遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传通过复制，将遗传 信息由亲代传递给子代

3、，通过反转录将遗传信信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信 息传递给息传递给DNA，再由，再由DNA通过转录和翻译传通过转录和翻译传 递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中反中 心法则心法则。 染色体结构与染色体结构与DNA复制复制 基因的转录与加工基因的转录与加工 蛋白质的翻译蛋白质的翻译 蛋白质合成后的修饰加工蛋白质合成后的修饰加工 蛋白质合成后的靶向输送蛋白质合成后的靶向输送 一、染色体结构与一、染色体结构与DNA复制复制 （一）复制的基本规律（一）复制的基本规律 （二）（二）DNADNA复制的条件复制的条件 （三）（三）DNADNA生物合成过程生

4、物合成过程 （四）真核生物端粒（四）真核生物端粒 （五）逆转录（五）逆转录 染色体： 染色体 DNA 基因 基因和染色体，基因和染色体，DNADNA 和脱氧核苷酸的关系：和脱氧核苷酸的关系： 每一条染色体只含有一个每一条染色体只含有一个 DNADNA分子，每个分子，每个DNADNA分子上有分子上有 很多基因，基因是很多基因，基因是DNADNA片段，片段， 在染色体上呈线性排列，每在染色体上呈线性排列，每 个基因中又有成百上千个脱个基因中又有成百上千个脱 氧核苷酸。氧核苷酸。每个基因有特定每个基因有特定 的脱氧核苷酸排列顺序，它的脱氧核苷酸排列顺序，它 代表着遗传信息代表着遗传信息 是基因的载体

5、。是基因的载体。 DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板， 合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代 DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为 DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。 1、半保留复制、半保留复制 （一）复制的基本规律（一）复制的基本规律 复制复制 亲代亲代DNA 子代子代DNA DNADNA半保留复制示意图半保留复制示意图 DNADNA半保留复制研究实验结果示意图半保留复制研究实验结果示意图 按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱 基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信 息，体现了遗传的保守性。 遗传的保守性，是物种

6、稳定性的分子基础，但 不是绝对的。 半保留复制的意义半保留复制的意义 DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一 些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起 始点(origin) 。 在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在 真核生物中则为多个。 2、有一定的复制起始点、有一定的复制起始点 5 3 oriorioriori 5 3 5 5 3 3 5 5 3 复制子复制子 3 复制起始点与复制子示意图复制起始点与复制子示意图 习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离 （或DNA片段）定为一个复制子(replicon) 。 复制子是独立完成复制的功能单位。 DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单

7、 链，这种叉状结构称为复制叉。 复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）复制起始点、复制子与复制叉（动画演示） 参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有 3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物 (primer) ，才能开始聚合子代DNA链。 RNA引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷 酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱 基顺序相配对。 3、需要引物、需要引物 DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向 两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的 复制叉，称为双向复制(bidirectional replication)。 但在低

8、等生物中，也可进行单向复制（如滚环 复制）。 4、双向复制、双向复制 DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链， 即模板DNA链的方向必须是35。 由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分 别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链 时，子代链的聚合方向也是不同的。 5、半不连续复制、半不连续复制 3 5 3 5 3 5 3 5 解链方向解链方向 领头链领头链 (leading strand) 随从链随从链 (lagging strand) DNADNA的半不连续复制的半不连续复制 3 5 以以35方向的亲代方向的亲代DNA链作模板的子代链在复链作模板的子代链在复 制时基本上是连续进行的

9、，其子代链的聚合方向制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向 为为53，这一条链被称为，这一条链被称为领头链领头链(leading strand)。 以以53方向的亲代方向的亲代DNA链为模板的子代链在复链为模板的子代链在复 制时则是不连续的，其链的聚合方向也是制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53， 这条链被称为这条链被称为随从链随从链(lagging strand)。 领头链连续复制而随从链不连续复制，就领头链连续复制而随从链不连续复制，就 是复制的是复制的半不连续性半不连续性。 由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因 此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复 制时，由随从链所形

10、成的一些子代DNA短链称 为冈崎片段(Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为1000 2000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核 苷酸。 以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP， dCTP，dTTP。 1 1、底物、底物(substrate) (substrate) (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 +PPi （二）（二）DNA复制的条件复制的条件 DNADNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应 DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲 代DNA

11、链作为模板。亲代DNA的两股链 解开后，可分别作为模板进行复制。 2 2、模板、模板(template)(template) 引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合 酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短 链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链 能够开始聚合。 引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。 3 3、引发体和、引发体和RNARNA引物引物 3 HO 5 3 5 3 5 引物酶催化合成短链引物酶催化合成短链RNARNA引物分子引物分子 引物引物 引物引物 酶酶 4 4、DNADNA聚合酶聚合酶 全称：依赖DNA的DNA聚

12、合酶 ( DNA- dependent DNA polymerase, DDDP ) 简称：DNA-pol 活性：1. 53 的聚合酶活性 2. 核酸外切酶活性 DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA 片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段 相邻的DNA链连接成一条完整的链。 5 5、DNADNA连接酶连接酶 DNA连接酶连接酶 ATP（NAD+） ADP+Pi（NMN+AMP） HO 5 P O O- O- O 3 53 P O O- O- O 3 5 53 DNADNA连接酶的连接作用连接酶的连接作用 DNA复制过程简图复制过程简图 DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。连

13、接酶在复制中起最后接合缺口的作用。 在在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。 是基因工程的重要工具酶之是基因工程的重要工具酶之一。一。 DNA连接酶的作用连接酶的作用 解螺旋酶(helicase) ， 又称解链酶或rep蛋 白，是用于解开 DNA双链的酶蛋白。 每解开一对碱基， 需消耗2分子ATP。 6、解螺旋酶、解螺旋酶 单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)， 是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。 7 7、单链、单链DNADNA结合蛋白结合蛋白 SSB的生理作用的生

14、理作用 使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在， 即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子 代DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。 8、DNA拓扑异构酶 人类拓扑异构酶人类拓扑异构酶的分子结构的分子结构 能够松解能够松解DNA超螺旋结构的酶。超螺旋结构的酶。 1010 8 8 局部解链后局部解链后 DNADNA复制过程中正超螺旋的形成复制过程中正超螺旋的形成 解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成 拓扑异构酶的作用特点拓扑异构酶的作用特点 既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键 拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶 分分 类类 拓扑异拓扑异 构酶构酶

15、切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA 解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封 闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。 反应反应不需不需ATP。 拓扑异拓扑异 构酶构酶 切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过链，断端通过 切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。 利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端， DNA 分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。 DNA拓扑异构酶的作用机制拓扑异构酶的作用机制 1、复制的起始、复制的起始 （三）（三） DNA生物合成过程生物合成过程 解旋解链，形成复制叉解旋解链，形成复制叉 引发体组装和引物合成

16、引发体组装和引物合成 2、复制的延长、复制的延长 DNA聚合酶聚合酶 5 5 3 3 5 5 dATPdGTPdTTP dCTP dTTP dGTPdATP dCTP OH 3 3 3 DNA-pol DNADNA复制的延长过程复制的延长过程 3 3、复制的终止、复制的终止 去除引物，填补缺口去除引物，填补缺口 连接冈崎片段连接冈崎片段 端粒（telomere） 是指真核生物染色 体线性DNA分子末 端的结构部分，通 常膨大成粒状。 （四）真核生物端粒（四）真核生物端粒 功能功能 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 保证保证DNA复制的完整性复制的完整性 端粒的结构特点端粒的结构特点 由末端

17、单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。 末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G、T碱基碱基 的短的短 序列。序列。 TTTTGGGGTTTTGGGG 线性线性DNA在复制完成后，其末端由于引物在复制完成后，其末端由于引物RNA 的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶 （telomerase）的催化下，进行延长反应。）的催化下，进行延长反应。 5 3 3 5 5 3 3 5 端粒酶端粒酶(telomerase) n端粒酶是一种端粒酶是一种RNA- 蛋白质复合体，它可蛋白质复合体，它可 以其以其RNA为模板，通为模板，通 过逆转

18、录过程对末端过逆转录过程对末端 DNA链进行延长。链进行延长。 端粒酶的分子结构端粒酶的分子结构 端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示） （五）（五） 逆转录逆转录 1、逆转录病毒和逆转录酶、逆转录病毒和逆转录酶 逆转录病毒细胞内的逆转录现象：逆转录病毒细胞内的逆转录现象： RNA 模板模板 逆转录酶逆转录酶 DNA-RNA 杂杂 化双链化双链 RNA酶酶 单链单链DNA 逆转录酶逆转录酶 双链双链DNA 2 2、逆转录研究的意义、逆转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中 的重大发现。的重大发现。 逆转录逆转录现象说明

19、：至少在某些生物，现象说明：至少在某些生物，RNA同同 样兼有遗传信息传代与表达功能。样兼有遗传信息传代与表达功能。 对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意世纪初已注意 到的病毒致癌理论。到的病毒致癌理论。 （一）（一）RNARNA的转录过程的转录过程：（略）（略） 转录起始转录起始 链的延伸链的延伸 转录终止转录终止 二、基因的转录与加工二、基因的转录与加工 （二）（二）RNARNA的转录后加工的转录后加工 在细胞内，由在细胞内，由RNARNA聚合酶合成的原初转录物聚合酶合成的原初转录物 （primary transcriptprimary transcript

20、）往往需要一系列的变）往往需要一系列的变 化，才转变为成熟的化，才转变为成熟的RNARNA分子。此过程总称为分子。此过程总称为 RNARNA的成熟的成熟或称为或称为RNARNA的转录后加工。的转录后加工。 1 1、mRNAmRNA前体的加工前体的加工： 原核生物原核生物的的mRNAmRNA转录后转录后一般一般不需要加工，转不需要加工，转 录的同时即进行翻译（半寿期短）。亦有少录的同时即进行翻译（半寿期短）。亦有少 数多顺反子的数多顺反子的mRNAmRNA需要核酸酶切成小单位，需要核酸酶切成小单位， 然后再翻译。然后再翻译。 真核生物真核生物mRNAmRNA（半寿期较长）转录物很大，在加工过（半

21、寿期较长）转录物很大，在加工过 程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称为程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称为 核内不均一核内不均一RNARNA（heterogeneous nuclear RNA, heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)hnRNA)，需要进一步进行加工修饰转化为，需要进一步进行加工修饰转化为mRNAmRNA。加。加 工包括：工包括： （1 1）hnRNAhnRNA被剪接，把内含子（被剪接，把内含子（DNADNA上非编码序列）上非编码序列） 转录序列剪掉，把转录序列剪掉，把外显子外显子（DNADNA上的编码序列）转录上的编码序列）转录 序列

22、序列拼接拼接上上( (真核生物一般为不连续基因真核生物一般为不连续基因) )。 （2 2）33端添加端添加polyA “polyA “尾巴尾巴”； （3 3）55端连接端连接“帽子帽子”结构（结构（m m7 7G G5 5 pppppp5 5 NmpNp-NmpNp-）；）； （4 4）分子内部的核苷酸甲基化修饰。）分子内部的核苷酸甲基化修饰。 2 2、tRNAtRNA前体的加工：前体的加工： 原核与真核生物的原核与真核生物的tRNAtRNA转录后都需转录后都需 要加工。要加工。 3 3、 rRNArRNA前体的加工：前体的加工： 原核与真核生物的原核与真核生物的rRNArRNA转录后也都需要

23、进行加工。转录后也都需要进行加工。 原核：刚转录的原核：刚转录的rRNArRNA为为30S30S，先在特定的碱基上进行，先在特定的碱基上进行 甲基化（核糖甲基化（核糖2 2 - -羟基）修饰，后逐步裂解。羟基）修饰，后逐步裂解。 真核：真核：45S45S（哺乳动物）、（哺乳动物）、38S38S（果蝇）、（果蝇）、37S37S（酵母）（酵母） tRNAs are cleaved from transcripts of rRNA operons 三、蛋白质的翻译三、蛋白质的翻译 1、遗传密码、遗传密码 (genetic code): DNA（或（或mRNA）中核苷酸序列与蛋白质中氨）中核苷酸序列与

24、蛋白质中氨 基酸序列之间的对应关系。基酸序列之间的对应关系。 2、密码子、密码子(codon)： mRNA上每上每3个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基 酸，这三个核苷酸称一个密码子或三联体密码。酸，这三个核苷酸称一个密码子或三联体密码。 （一）遗传密码两个概念（一）遗传密码两个概念 3、 遗传密码字典遗传密码字典 mRNA：蛋白质的蛋白质的DNA序列信息的中间体。序列信息的中间体。 tRNA：运送特定氨基酸到核糖体上合成蛋白质。运送特定氨基酸到核糖体上合成蛋白质。 rRNA：核糖体的组成元件。核糖体的组成元件。 （二）蛋白质合成中使用的（二）蛋白质合成中使用的RN

25、A 1、mRNA 是蛋白质合成的模板 原核生物原核生物mRNA与真核生物与真核生物mRNA结构比较结构比较 核糖体可以不从核糖体可以不从mRNAmRNA上解离连续合成三个蛋白质上解离连续合成三个蛋白质 Eukaryotic mRNA Prokaryotic mRNA 2、 tRNA 转运活化的氨基酸至mRNA模板上 有有20种分子转换器，每种氨基酸一个种分子转换器，每种氨基酸一个 3、 rRNA 核糖体是蛋白质合成的工厂 核糖体得到分离后，发现含有核糖体得到分离后，发现含有RNA，即称，即称 rRNA。 （三）核糖体大小亚基的生物学功能（三）核糖体大小亚基的生物学功能 小亚基：小亚基： 通过密码子与反密码子的配对，识别并通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板结合模板 mRNAmRNA，蛋白质合成中，蛋白质合成中A A位、位、P P位、位、E E位的一部分等。位的一部分等。 大亚基：大亚基： 结合多肽链结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中，催化肽键形成、蛋白质合成中A A位、位、 P P位、位、E E位的一部分等。位的一部分等。 mRNA结合部位；结合部位； 结合结合AA-tRNA部位（部位（A位）；位）； 结合肽基结合肽基 tRNA部位（部位（P位）；位）； 空载空载tRNA移出部位（移出部位（E位）；位）