遗传基础课件

1、遗传基础课件1 医学遗传学基础 二、细胞基础 三、遗传规律基础 一、分子基础 遗传基础课件2 一、遗传的分子基础 (二) DNA结构 (一) DNA是遗传物质 (三) 人类基因组 (四) 基因结构 (五) 基因功能 遗传基础课件3 1868年，F. Miesher从外科绷带上的脓细胞中分 离提取出一种富含磷的有机物，称为核素。后来 证实核素是由一种酸性物质和蛋白组成，因其来 源于细胞核，称为核酸。之后，人们认识到所有 生物细胞内都有核酸，并发现核酸可分为脱氧核 糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA) 和核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA) ，DNA主

2、要存在于细胞核内， 少量存在与线粒体中。RNA主要存在于细胞质中。 (一) DNA是遗传物质 遗传基础课件4 1928年，Griffith发现肺炎球菌转化现象，1944 年，Avery等用实验证实引起肺炎球菌转化的物质 是DNA。1952年，Hershey研究噬菌体感染大肠杆 菌再次证明DNA是遗传物质。1953年，Waston和 Crick提出了DNA双螺旋结构模型，阐明了DNA作 为遗传物质的结构基础。 遗传基础课件5 普遍存在 DNA普遍存在于自然界除RNA病 毒以外的各种生物细胞中。 RNA病毒中的RNA 起到DNA类似的作用。 DNA特征 结构稳定 同一物种各组织的DNA结构相对 稳

3、定，能改变DNA结构的因素可引起遗传性状 的相应改变。 遗传基础课件6 数量恒定 同一物种各组织细胞中，DNA数 量基本一致。数量变化也表现出恒定规律。细 胞有丝分裂前DNA含量加倍，分裂后又恢复到 原来水平。生殖细胞经过减数分裂形成配子， DNA含量为体细胞一半，雌雄配子结合后DNA数 量又恢复到原来水平。 遗传基础课件7 1944年， Avery等人用实验证明DNA是遗传物质 活肺炎球菌S型 感染小鼠 小鼠死亡 活肺炎球菌R型 感染小鼠 小鼠正常 高温杀死S型 感染小鼠 小鼠正常 高温杀死S型+ R型 感染小鼠 小鼠死亡 将致病菌的DNA、蛋白质、荚膜多糖提取出来，分别 与非致病菌混合，只

4、有DNA具有转化作用，使非致病菌 变成致病菌。转化效率与DNA纯度正相关。若事先用 DNA酶处理提取物，则不能实现转化。 遗传基础课件8 1、化学组成 DNA结构的基本单位是核苷酸(nucleic acid)， 每个核苷酸由1个磷酸、1个五碳糖(戊糖)和1个碱 基3部分组成。DNA分子中的核苷酸所含五碳糖为 2-脱氧-D-核糖(2-deoxy-D-ribose)，称为脱氧核糖 核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)。而核苷酸所含 五碳糖为非脱氧的D-核糖(D-ribose)构成的核苷酸 链，称为核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)。 (二) DNA结构

5、遗传基础课件9 戊糖C-1所连的羟基是与碱基形成糖苷键的基团，糖苷键的 连接都是型。 这种结构上的微小差异使DNA和RNA的理化性质出现很大差 异，DNA更加坚硬，在碱性条件下不易水解。 戊糖 两 种 戊 糖 结 构 示 意 图 遗传基础课件10 碱基(base) 构成核苷酸的碱基分为嘌呤 (purine) 和嘧啶(pyrimidine)二类。 碱基(含氮有机碱) 嘌呤有腺嘌呤(adenine，A)和鸟嘌呤 (guanine, G)，DNA和RNA中均含有这二种碱基。 嘧啶有胞嘧啶(cytosine, C)，胸腺嘧啶 (thymine, T) 和尿嘧啶(uracil, U)。胞嘧啶存在 于DN

6、A和RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿 嘧啶则只存在于RNA中。 遗传基础课件11 五种碱基的结构示意图 嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1是构成核苷酸时与核糖 (或脱氧核糖)形成糖苷键的位置。 遗传基础课件12 此外，核酸分子中还发现数十种修饰碱基 (themodified component)，又称稀有碱基 (unusual component)。它是上述五种碱基环上 的某一位置被一些化学基团(如甲基化、甲硫基 化等)修饰后的衍生物。一般这些碱基在核酸中 的含量稀少，在各种类型核酸中分布不均一， 如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，RNA 中以tRNA含修饰碱基最多。 遗传基础课

7、件13 核苷(nucleoside) 由D-核糖或D-脱氧核糖与 嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核 酸中的主要核苷有八种。 核苷 遗传基础课件14 核苷酸(nucleotide) 是核苷与磷酸残基构成 的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分 子的结构单元。核酸分子中的磷酸酯键是在戊 糖C-5和C-3所连的羟基上形成的，故构成核酸 的核苷酸可视为5-核苷酸或3-核苷酸。DNA分子 中含有A, G, C, T四种碱基的脱氧核苷酸；RNA分 子中含A, G, C, U四种碱基的核苷酸。不同核苷酸 的主要差别在于碱基。 核苷酸 遗传基础课件15 5核苷酸结构模式图 遗传基础课件16 5-磷酸

8、脱氧腺苷的结构式 遗传基础课件17 磷酸二酯键 核酸是由众多核苷酸聚合而成 的多聚核苷酸(polynucleotide)链式线性分子，相 邻二个核苷酸之间的连接键即3, 5-磷酸二酯键。 2. 分子结构 一级结构 遗传基础课件18 这种连接可理解为核苷酸糖基上3位羟基 与下游相邻核苷酸5 位磷酸残基之间，以及核 苷酸糖基上的5位磷酸残基与上游相邻核苷酸 的3 羟基之间形成的两个酯键。多个核苷酸残 基以这种方式连接而成的链式分子就是核酸。 无论是DNA还是RNA，其基本结构都是如此，故 又称DNA链或RNA链。分子链是有方向的，5末 端为磷酸，3末端为羟基。 遗传基础课件19 磷酸二酯键 遗传基

9、础课件20 寡核苷酸(oligonucleotide) 一般是指二至 几十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线 性多核苷酸片段。这是与核酸有关的文献中经 常出现的一个术语，在使用这一术语时，对核 苷酸残基的数目并无严格规定，在不少文献中， 把含有三十甚至更多个核苷酸残基的多核苷酸 分子也称作寡核苷酸。寡核苷酸可由仪器自动 合成，它可作为DNA合成的引物(primer)、基因 探针(probe)等，在分子生物学研究中具有广泛 的用途。 遗传基础课件21 DNA和RNA单链都是由一个一个的核苷 酸头尾相连而形成的。 RNA 多聚核苷酸链 一般以单链形式存在，而DNA多聚核苷酸链 则一般以双链形式存

10、在。RNA平均长度大约 为2000个核苷酸，而人的DNA却是很长的， 人DNA全长约有3X109个核苷酸对，每条染 色体含一个DNA分子链，含5千万致5亿不等 的核苷酸对。 遗传基础课件22 DNA分子是由2条平行的多核苷酸链围绕同一 中心轴构成的右手双螺旋结构(B型)。链的骨架 由糖-磷酸重复单位构成，碱基向螺旋内部延伸， 位于螺旋内部。多核苷酸的方向由磷酸二酯健的 走向决定，一条从53，另一条从35 ，两条 链呈反向平行排列(antiparallel)。平行链上伸向 内部的碱基彼此形成氢键相连，碱基间严格遵循 G 与C配对(GC)，A与T配对(A=T)的原则。 二级结构 遗传基础课件23

11、DNA双螺旋结构示意图 遗传基础课件24 DNA双螺旋结构示意图 遗传基础课件25 碱 基 配 对 及 氢 键 遗传基础课件26 DNA链上不同核苷酸分子差异部位是碱基， 不同碱基的排列组合包含了相应的遗传信息， 碱基位于骨架双链的内部，使遗传信息免受各 种理化因素的影响。 3. 双链互补结构的意义 遗传基础课件27 双链结构本身较好地保障了遗传信息的稳定 储存和传递。双链中的每一条链都可以用对方 或自身作为膜板，按照碱基互补原则合成一条 与自身相同或互补的新链。互补的双链分别含 有一套完整的遗传信息。 遗传基础课件28 双链互补是许多DNA分析技术的理论基础， 如探针杂交，聚合酶链反应等。

12、当知道一条DNA链的碱基排列顺序后，可推 测出它的互补链的碱基排列顺序(序列)。 遗传基础课件29 核酸呈酸性，粘度大，能吸收紫外光，最 大吸收峰为260nm。 4. 分子特性 遗传基础课件30 具有变性复性能力，DNA双链分子碱基间 的氢键结合是可逆结合。碱基间氢键被解开， 互补DNA双链变为两条单链的过程称为变性。解 链后的DNA单链与互补序列通过碱基间氢键形成 互补双链的过程称为复性。DNA分子上的磷酸二 酯键断裂，使DNA链断裂，DNA被降解。 遗传基础课件31 引起DNA变性的因素主要有高温、强酸强碱、 有机溶剂等。DNA变性后，性质发生改变，如电 泳行为改变，对260nm紫外光的吸

13、收度增加(增 色效应)，旋光性下降，粘度降低，生物学功能 丧失或改变等。 遗传基础课件32 对DNA溶液进行加热， DNA溶液对260nm 波长光的吸收度随温度升高而变化，在低温 区和高温区变化都慢。使DNA溶液吸光度达到 最大值一半时的温度，称为DNA的变性温度或 融解温度(Tm)。 遗传基础课件33 Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，G+C 的含量越高，则Tm越高。 遗传基础课件34 两条来源不同的单链核酸(DNA或RNA)， 当 它们的碱基序列互补或接近互补时，在一定条 件下可互补结合成双链，形成新的杂种双螺旋， 这一现象称为核酸的分子杂交。核酸分子杂交 可以是DNA-DNA，也

14、可以是DNA-RNA杂交。不同 来源的，具有互补碱基顺序的核酸片段称为同 源序列。利用核酸的分子杂交，可以用已知序 列的寡核苷酸确定或寻找不同物种中具有同源 顺序的DNA或RNA片段。所用的已知序列寡核苷 酸一般要标记上示踪物，称为探针。 遗传基础课件35 生物单个成熟生殖细胞(单倍体细胞)DNA分子 上的全部基因总和称为基因组(geneome)，人类 DNA分为核内DNA和线粒体DNA，人类基因组包 含核基因组和线粒体基因组。人单个体细胞含 有来自父源和母源的两个基因组。 (三) 人类基因组 遗传基础课件36 人类核基因组由约30亿个碱基对按一定排 列方式构成。DNA分子中的碱基排列顺序称D

15、NA 序列，人基因组中约有60%-70是单拷贝或低拷 贝序列，30%-40%是中度或高度重复的序列。 编码蛋白的序列主要是单拷贝或低拷贝序列。 根据DNA序列的功能、在基因组中的拷贝数、 碱基排列特点等可将基因组DNA序列进行人为 分类。 遗传基础课件37 1. 核基因组 单一序列(unique sequence) 在基因组中仅 有一个或少数几个拷贝。大多数编码蛋白质(酶) 的结构基因属这种结构形式，但只占单一序列 中的很少部分。 重复序列(repetitive sequence) 在基因组中 有许多拷贝数。可把它细分为高度重复序列、 中度重复序列、基因家族、基因簇。 遗传基础课件38 单一序

16、列中，含有编码蛋白质氨基酸序列 遗传密码的DNA序列称结构基因，对编码序列 的编码蛋白质活动进行调节和控制的序列称为 调控基因。基因序列可长可短，可单拷贝或多 拷贝存在于基因组中。当在基因组中出现很多 个序列结构与功能相同或相近的拷贝时，把这 些序列称为多基因家族(基因簇)或基因超家族 (基因家族) 。基因家族一般是由一个共同的祖 先基因经过重复和变异而形成。 遗传基础课件39 重复序列的基因家族中，一种类型是一个基 因的多个拷贝成簇地排列在同一染色体上，形成 一个基因簇，多个拷贝的序列几乎相同。它们同 时发挥作用合成某些蛋白质。如珠蛋白基因簇 有5个相关基因，排列在16号染色体短臂上，珠 蛋

17、白基因簇有6个相关基因，排列在11号染色体 短臂上。两种珠蛋白基因序列高度一致，由一个 祖先基因经过重复而来。合成的肽链共同构成血 红蛋白。 遗传基础课件40 另一类是多个拷贝成簇地分布在不同的染色 体上，这些成员的序列可有些不同，它们编码一 组相关的蛋白。如微管蛋白基因家族中，微管蛋 白2、微管蛋白T1、微管蛋白T2 的基因分别位于2、 17和6号等不同染色体上，功能都是编码微管相 关蛋白。 遗传基础课件41 假基因(pseudogene) 多基因家族中，一些 拷贝不产生蛋白质，但其序列与产生蛋白质的 基因非常相似。相当于基因的无功能拷贝，称 为假基因。它们与有功能的基因有同源性，起 初可能

18、是有功能的基因，以后由于发生突变丧 失了活性。 如珠蛋白基因簇的假基因与 基因相比，只是失去了内含子。其可能是由于 活性基因的mRNA经过逆转录成为cDNA，再整合 到基因组而形成。假基因可与功能基因连锁或 通过染色体易位或作为转座子的一部分，从一 个部位转移到另一部位。 遗传基础课件42 串联重复序列 基因组中局限性或分散存在 的由一定DNA序列串联重复排列的重复结构。 串联重复序列不编码蛋白质。串联重复序列的 重复次数个体差异大，遗传多样性研究与应用 中，较多选择测定这类DNA结构。 卫星DNA 长度可达几百kb的串联重复序列， 密度梯度离心基因组DNA时，DNA主带旁出现的 “卫星”DN

19、A，分布在染色体的着丝粒等。在 着丝粒起结构性作用。 遗传基础课件43 小卫星DNA 长度20kb左右的一类串联重复 序列。端粒就是由几百个5-TTAGGG-3首尾相连 的重复序列构成。在DNA复制中起作用。 微卫星DNA 由1至几个bp重复数十次形成的 重复序列。功能尚不清楚。基因组作图中被用 来作为遗传和物理标记。每个个体有自己独特 的微卫星DNA “遗传图像”，可用来作为识别个 体的DNA标记。 遗传基础课件44 分散重复序列 相同的DNA序列分散大量存 在于基因组中。其中长度在几百几千bp，基 因组中拷贝数为几十上百万。其中有一类称 为短分散核元件(short interspersed

20、 nuclear element, SINE)，如Alu序列，300bp长，人基因 组中约有50万个拷贝，约隔5kb有一个，其功 能与基因表达的调控有关。另一类称为长分散 核元件(long interspersed nuclear element, LINE)， 长度在5000-7000bp，基因组中拷贝数几百致几 万个，如LINE-1序列(Kpn重复序列)，6000bp长， 编码一个逆转录酶。 遗传基础课件45 反向重复序列(inverted repeat sequence) 也 称倒位重复序列。是两个顺序相同的互补拷贝在 同一条链上反向排列而成，两个互补拷贝共价相 连。当两个互补序列之间有

21、间隔序列时，可以形 成链内碱基配对，产生十字形结构。如两个互补 序列之间没有间隔序列而直接相串联，称为回文 结构(palindrme)。反向重复序列单独或与其它重 复序列一起分散在基因组中。每个反向重复序列 长约300bp。基因组中约相隔12Kb出现一个。其 功能可能与终止子的形成有关。 遗传基础课件46 反向重复序列示意图 遗传基础课件47 线粒体DNA为16569bp形成一环形结构，结 构紧凑，编码呼吸链中的蛋白质、酶、rRNA、 tRNA等。 2. 线粒体基因组 遗传基础课件48 遗传学角度，基因是遗传信息携带者，是生 物的遗传物质，是遗传的基本单位，即突变单 位、重组单位和功能单位；

22、分子生物学角度，基因是负载特定遗传信息 的DNA分子片段，在一定条件下能够表达这种遗 传信息，产生各种RNA和蛋白质，实现特定的生 理功能。 (四) 基因结构 遗传基础课件49 1909年，Wilhelm Johansen使用基因来描 述传递和表达特定生物性状的可遗传因子， 未描述它的遗传理论和物质基础。 20世纪上半叶，逐渐认识到，基因的功能 是编码酶，一个基因编码一个酶；基因定位 于染色体上并且在物理上连锁；DNA是遗传物 质。 遗传基础课件50 进一步的研究发现，不是所有的基因都编 码酶，一些基因编码功能性肽链，有些基因 编码功能性RNA分子(如tRNA和rRNA)。 病毒中基因是RNA

23、，不是DNA。 基因中的信息可被选择性产生一种以上的 产物和功能。一个基因可同时影响多个性状 (基因的多效性)，多个基因可相互合作控制同 一个性状。 遗传基础课件51 基因决定性状 基因通过转录和翻译决定多 肽链的氨基酸顺序，从而决定某种酶或蛋白质 的性质，最终表达为某一性状。 基因可自体复制 基因通过DNA半保留复制 而产生与自身相同的基因。 1. 基因的特性 遗传基础课件52 基因可突变 基因虽很稳定，但也会发生突 变。一般来说，新的突变等位基因一旦形成， 就可通过自体复制，在随后的细胞分裂中保留 下来。 遗传基础课件53 2. 基因的类别与结构 调控基因(regulator and co

24、ntrol gene) 是指 可调节控制结构基因表达的基因。调控基因的 突变可以影响一个或多个结构基因的功能，或 导致一个或多个蛋白质(或酶)数量的改变。 结构基因(structural gene) 是指能决定多肽 链(蛋白质)或酶分子氨基酸顺序的基因。结构 基因的突变可导致编码蛋白质(或酶)一级结构 的改变或引起蛋白质(或酶)质量的改变。 遗传基础课件54 基因 人类基因包括4个区域 编码区 包括外显子与内含子。 前导区 位于编码区上游，相当于RNA5末端 非编码区(非翻译区) 。 尾部区 位于编码区下游，相当于RNA3 末端 非编码区 (非翻译区)。 调控区 包括启动子、增强子、终止子等。

25、 基因编码区的两侧也称为侧翼序列。 遗传基础课件55 外显子和内含子 大多数真核生物的基因为不 连续基因(interrupted/discontinuous gene)。基因的 编码顺序在DNA分子上被非编码顺序所隔开，形成 嵌合排列的断裂形式，也称断裂基因(splite gene)。 编码的顺序称为外显子(exon)，是基因表达为多肽 链的部分；非编码顺序称为内含子(intron)，或称 插入顺序(intervencing sequence, IVS)。 遗传基础课件56 一般每个结构基因都由若干个外显子和内含子 组成，但外显子和内含子的关系不是完全固定不变 的。内含子可转录为RNA，在形成

26、成熟mRNA过程中 被剪切掉，不作为编码蛋白质的序列，其所在位置 也被称为非翻译区(untranslated region, UTR)。基因 的内含子和外显子数量可多可少，内含子的核苷酸 数量可比外显子多。如人血红蛋白珠蛋白基因约 1700bp，假性肥大型肌营养不良(DMD)的基因全长约 230kd，含75个外显子和74个内含子。 遗传基础课件57 构成基因的两条DNA链中，一条链为编码链 (coding strand)，其碱基序列储存着遗传信息。另 一条链为模板链(template strand)，是合成RNA的 模板，它与编码链互补，也称反密码链。 在显示基因结构时，通常只写编码链，并把5

27、 端放在左边。基因中某结构位点(如转录起始点)的 5端区域称为该位点的上游， 3端区域称为该位点 的下游。以该位点为原点(0)，上游碱基以-bp表示， 下游碱基以+bp表示。 遗传基础课件58 外显子-内含子接头 每个外显子和内含子 接头区都有一段高度保守的一致顺序，即内含 子5端大多数是GT开始，3端大多是AG结束， 称为GT-AG法则，是普遍存在于真核基因中RNA 剪接的识别信号。 侧翼序列(flanking sequence) 在第一个外显 子和最末一个外显子的外侧是一段不被翻译的 非编码区，称为侧翼序列。侧翼顺序含有基因 调控顺序，对该基因的活性有重要影响。 遗传基础课件59 启动子(

28、promoter) 能被RNA聚合酶识别、 结合并启动基因转录的一段DNA序列。通常位 于转录起始点上游。不同的启动子序列不同， 与RNA聚合酶的亲和力不同、启动转录的频率 高低不同。有的启动子可被RNA聚合酶直接识 别并启动转录。有的启动子在被聚合酶结合时 需要有蛋白质辅助因子存在，蛋白质因子能够 识别与该启动子顺序相邻或甚至重叠的DNA顺 序。 遗传基础课件60 TATA框(TATA box) 在人类许多基因转录起始 点上游-25 -30bp处有一段高度保守序列， TATA A ，能与转录因子TFII结合，被 RNA聚合 酶II识别启动转录。 CAAT框(CAAT box) 位于转录起始点

29、上游-70 -80bp处有一段高度保守的序列，GG CAATCT，能 与转录因子CTF(CAAT结合因子) 结合，提高转录 效率。 A T A T C T 遗传基础课件61 GC框(GC box) 含有的顺序是GGCGGG， 它也是某些启动子中的共同顺序。常有几 个拷贝GC盒存在于同一个启动子中，而且 方向往往不定。转录因子Sp1则能与GC盒结 合，促进转录。 此外，RNA聚合酶负责转录tRNA和 5srRNA，等，其启动子位于转录的DNA顺序中， 称为下游启动子。 遗传基础课件62 核心启动子元件(core promoter element) 指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序 列

30、，包括转录起始点及其上游25 30bp 处的TATA盒等。核心元件单独起作用时只能确 定转录起始位点和产生基础水平的转录。 上游启动子元件(upstream promoter element) 包括通常位于70bp附近的CAAT盒 和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。 这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改 变转录效率。 遗传基础课件63 增强子(enhancer) 是一种能够提高转录效率 的顺式调控元件，位于真核基因转录起始点的上 游或下游，提高同一条DNA链上基因转录效率， 可在转录起始点上下游3kb或更远。作用与其序 列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起 作用。而将启动子倒置

31、就不能起作用。要有启动 子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能 表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性， 同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。具 有组织或细胞特异性。 遗传基础课件64 终止子(termianator) 在一个基因的末端往往 有一段特定顺序，它具有转录终止的功能。终止 子的共同顺序特征是在转录终止点之前有一段回 文顺序，约7-20核苷酸对。回文顺序的两个重复 部分由几个非重复碱基对隔开，回文顺序的对称 轴一般距转录终止点16-24bp。在回文结构的下游 有一个AATAAA的多聚腺苷酸(poly A)附加信号。 遗传基础课件65 AATAAA的多聚腺苷酸(poly A

32、)附加信号在 DNA分子中形成A-T对，回文结构和A-T对转录 后，形成的RNA具有发夹结构，并具有与A互 补的一串U，发夹结构可阻止RNA聚合酶的移 动。A-U之间氢健结合较弱，RNA/DNA杂交部 分易于拆开，这样对转录物从DNA模板上释放 出来是有利的，也可使RNA聚合酶从DNA上解 离下来，实现转录的终止。 遗传基础课件66 基因结构示意图 转录起始点 转录终止点 CAAT框 GC框 TATA框 外显子 外显子 外显子 5非翻译区 内含子 内含子 3非翻译区 转录起始密码 转录终止密码 polyA信号 (ATG) (TAA) 5 3 GT AG GT AG 遗传基础课件67 转录终止子

33、序列模式图 CG CG UA CG GC GC AU AU AU 5 A U U U U U U U 3 5 5 ATT AAAGGCTCC TTTTTT GGAGCCTTT TTTTT 3 ATT AAAGGCTCC TTTTTT GGAGCCTTT TTTTT 3 3 3 TAA TTTCCGAGG AAAAAA CCTCGGAAA AAAAA 5 TAA TTTCCGAGG AAAAAA CCTCGGAAA AAAAA 5 模板链 转录 多G/C 多A/T 遗传基础课件68 基因的基本功能包括 遗传信息(密码)的储存 通过特定的核苷酸 组合来实现。 遗传信息的倍增和传代 通过DNA分子的

34、自 我复制及在子细胞中的再分配实现。 遗传信息的表达 通过将DNA分子上的遗传 信息转录成mRNA；再由mRNA信息翻译成蛋白质 (酶)；最后，由这些具有各种生物活性的蛋白质 实现生物功能和性状。 (五) 基因的功能 遗传基础课件69 依赖于 DNA复制的从DNA转录为RNA，再由 RNA翻译为蛋白质的过程称为遗传信息传递的 “中心法则”。 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 反转录 复制复制 遗传基础课件70 1. 遗传信息(密码)的储存 1961年，Crick用遗传学方法证明，DNA分子 上的三个相邻核苷酸构成一个三联体，决定多 肽上的一个氨基酸。特定的核苷酸三联体构成 了遗传密码。 19

35、66年，Nirenberg和khorana等用人工合成 的不同核苷酸组合的RNA片断，研究破译了全 部遗传密码(genetic code)，也称密码子(codon)。 遗传基础课件71 遗传密码表 第1个核苷酸 第2个核苷酸 第3个核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 终止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU A

36、GU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG G C 亮 脯 精 G 缬 丙 甘 A 苏 U 丝 苯丙 酪 半光 亮 终止 天酰 丝 赖 精 组 谷酰 天冬 谷 异亮 * 蛋 遗传基础课件72 对遗传密码的研究表明，遗传密码具有4个特点 通用性 上述的遗传密码几乎通用于整个生 物届，包括低等的病毒、细菌以及高等生物和人 类。有几个例外。线粒体中，AUA(异亮)编码蛋氨 酸、 CUA(亮

37、)编码苏氨酸、 UGA不是终止密码而编 码色氨酸，AUG在原核生物和真核生物中的含义 不同，分别编码甲酰蛋氨酸和蛋氨酸。 遗传基础课件73 遗传密码表 第1个核苷酸 第2个核苷酸 第3个核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 终止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C

38、AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG G C 亮 脯 精 G 缬 丙 甘 A 苏 U 丝 苯丙 酪 半光 亮 终止 天酰 丝 赖 精 组 谷酰 天冬 谷 异亮 * 蛋 遗传基础课件74 兼并性 某些氨基酸可由两种以上的密码子 编码，称为兼并性(degenerate)。遗传密码的头 两个核苷酸起决定作用，第3位核苷酸C和U互换 不会导致氨基酸改变；A和G互换只有两组氨基酸 变化，AUA(异亮氨酸)AUG(蛋氨酸)，UGA(终

39、止 密码) UGG(色氨酸)。 遗传基础课件75 遗传密码表 第1个核苷酸 第2个核苷酸 第3个核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 终止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU G

40、AU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG G C 亮 脯 精 G 缬 丙 甘 A 苏 U 丝 苯丙 酪 半光 亮 终止 天酰 丝 赖 精 组 谷酰 天冬 谷 异亮 * 蛋 遗传基础课件76 方向性 mRNA中的密码子是由53方向排列 的，翻译过程沿mRNA 53进行。 起始密码和终止密码 64个密码子中，AUG除 代表蛋氨酸或甲酰蛋氨酸外，当其位于mRNA 5端 启动部位时，兼有蛋白合成启动信号的作用。 UAA、UGA、UAG均不编码特定的氨基酸，是肽链 合成的终止信号，称终止密码。 遗传基础课件77 遗传密码表

41、第1个核苷酸 第2个核苷酸 第3个核苷酸 (5端) U C A G (3端) UUU UCU UAU UGU U UUC UCC UAC UGC C UUA UCA UAA UGA 终止 A UUG UCG UAG UGG 色 G CUU CCU CAU CGU U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA AGA A AUG ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U GUC GCC GAC GGC C GUA

42、GCA GAA GGA A GUG GCG GAG GGG G C 亮 脯 精 G 缬 丙 甘 A 苏 U 丝 苯丙 酪 半光 亮 终止 天酰 丝 赖 精 组 谷酰 天冬 谷 异亮 * 蛋 遗传基础课件78 2. 基因复制 基因复制是通过DNA分子的复制而实现，DNA 复制具有如下特点。 遗传基础课件79 半保留复制(semi conservation replication) DNA复制过程中，超螺旋结构状态的DNA被解旋酶松 弛，在解链酶作用下，DNA双链解开，解链后的两 条DNA单链都被作为膜板链，以RNA作为引物，按碱 基互补原则， 从RNA引物3端开始，在DNA聚合酶和 DNA连接酶

43、作用下，将游离的三磷酸脱氧核糖核苷 连接到膜板链上，形成新的互补链。新合成的单链 分子的碱基序列相当于膜板链原来的互补链，与膜 板链完全互补。新形成的两个DNA分子中，每个DNA 的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的， 这种复制方式称为半保留复制。 遗传基础课件80 Meselson和Stahl用实验发现DNA半保留复制(1958) 遗传基础课件81 半不连续复制(Semi-ondistinuous replication)。 DNA双螺旋的两条链是反向平行的，在复制起点 处两条DNA链解开成单链时，一条是53方向， 另一条是35方向。以这两条链为模板时，新生 链延伸方向一条为35，另

44、一条为53。但生 物细胞内催化DNA聚合的酶都只能催化53延伸。 冈崎片段(Okaxaki fragments)的发现解答了这一问 题。 遗传基础课件82 在复制起点两条链解开形成复制泡(replication bubbles)，DNA向两侧复制形成两个复制叉 (replication forks)。以复制叉移动的方向为基准， 一条模板链是35，以此为模板进行的新生DNA 链的合成沿53方向连续进行，这条链称为前导 链(leading strand)。另一条模板链的方向为53， 以此为模板的DNA合成也是沿53方向进行，但 与复制叉前进的方向相反，而且是分段，不连续 合成的，这条链称为滞后链(

45、lagging strand)，合 成的片段即为冈崎片段。 遗传基础课件83 冈崎片段以后由DNA连接酶连成完整的DNA链。 这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在 生物界是普遍存在的，称为DNA合成的半不连续复 制。 复制总是沿53方向进行。 真核生物的DNA复制同时从多个起点启动，一 个复制起点开始进行的DNA复制区域称为复制子 (replicon)或复制单位(replication unit)。人基因组 中约有1万个复制起点(origin of replication)。 遗传基础课件84 在DNA复制开始时，需要一系列蛋白因子参与， 他们相互作用形成引发体(primosome)。引

46、发体能 识别DNA复制起点位置，之后，前导链上由引物 酶催化合成一段RNA引物，启动前导链的DNA复制。 引发体在滞后链上沿53方向不停的移动，促进 在一定距离上反复合成RNA引物供DNA聚合酶合 成冈崎片段使用。复制启动后，在复制叉处形成 了以两套DNA聚合酶全酶分子、引发体和螺旋 构成的类似核糖体大小的复合体，称为DNA复制 体(replisome)。 遗传基础课件85 复制体在DNA前导链模板和滞后链模板上移动 时便合成了连续的DNA前导链和由许多冈崎片段 组成的滞后链。在DNA合成延伸过程中主要是DNA 聚合酶的作用。当冈崎片段形成后，DNA聚合 酶通过其53外切酶活性切除冈崎片段上的

47、 RNA引物，同时，利用后合成的一个冈崎片段作 为引物由53合成DNA。最后两个冈崎片段由 DNA连接酶将其接起来，形成完整的DNA滞后链。 前导链与35模板形成新的DNA双链分子，滞后 链与53模板形成新的DNA双链分子。 遗传基础课件86 遗传基础课件87 遗传基础课件88 基因表达(gene expression) 指生命过程 中，储存在基因中的遗传信息通过转录和翻 译，合成蛋白质或酶分子，执行特定的生物 学功能或性状的过程。主要过程被人为划分 为转录和翻译两个阶段。 3. 基因表达 遗传基础课件89 转录(transcription) 以DNA为膜板，在RNA 聚合酶作用下合成RNA的

48、过程。真核细胞的转 录过程在细胞核内完成。转录过程就是DNA分 子上的遗传信息传递到RNA的过程。 遗传基础课件90 转录过程 核DNA分子双链解旋、解链，以 结构基因模板链 (反密码链，35)作为RNA合 成的膜板，在RNA聚合酶作用下按碱基互补原 则(TU)，合成一条单链RNA (53)。 大分子双链DNA中，并不总是以某一条链为 模板链，不同的基因可在不同链上，这取决于 基因的启动子在那一条链上。 遗传基础课件91 转录产物包括mRNA，tRNA和rRNA。真核细 胞rRNA转录在核仁内进行，由RNA聚合酶I催化， tRNA转录在核质中进行，需要RNA聚合酶III催 化， mRNA转录也

49、在核质中进行，需要RNA聚合 酶II催化。mRNA的原始转录产物比成熟mRNA 大4-5倍，称为核内异质RNA (heterogenous nuclear RNA, hnRNA)，hnRNA需要经过加工修饰 后才能执行功能(成熟RNA) 。 遗传基础课件92 转录产物的加工修饰 mRNA的成熟包括剪 接、戴帽、添尾等加工修饰过程。 剪接(splicing) 刚转录完成的mRNA称为前 mRNA(pre-mRNA)或核内异质RNA，他含有一个基 因的外显子、内含子、前导区、尾部区对应的 全部序列。把内含子对应序列切掉，外显子对 应序列连接起来的过程称为剪接。 遗传基础课件93 细胞核中有许多小R

50、NA(small nuclear RNA， snRNA)，长约250个核苷酸，是所有真核细胞高 度保守的成分，因其富含尿嘧啶核苷酸也被称 为U族RNA，如U1, U2, U3, U4, U5, U6等。它们与 约10多种蛋白质结合形成snRNP(small nuclear ribonucleoprotein)。 snRNP通过RNA-RNA互补， 能识别内含子中的特定序列。各种snRNP在剪接 过程中形成剪接体(spliceosome)，使内含子被 切掉。剪接点由内含子外显子接头处的剪接信 号(5GT- - - AG3)决定。 遗传基础课件94 戴帽(capping) 真核生物mRNA成熟过程

51、中需 要在5端加上7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸(m7Gppp)， 并在下一个核苷酸的2-O位也进行甲基化。该结 构称为帽子(cap)。帽子是核糖体小亚基的识别 信号，能促进mRNA与核糖体结合。有效封闭 mRNA 5端免受5端核酸外切酶的降解。 遗传基础课件95 遗传基础课件96 添尾 在前mRNA的3端存在一个AAUAAA序列， 该序列为加尾信号，对其下游序列酶切10-15个 核苷酸后， 在 3端加上100-200个腺苷酸，形成 一段多聚腺苷酸(polyA)的尾巴。 polyA的功能可 能与mRNA从核内进入细胞质有关，也起保护 mRNA的3端的作用。 其它修饰作用 如一些碱基的甲酰化等。 遗传

52、基础课件97 遗传基础课件98 翻译(translation) 在mRNA指导下的蛋白质生 物合成。翻译过程就是将mRNA分子中的遗传信 息“解读”成肽链上的氨基酸种类和序列。 翻译过程非常复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA、 核糖体、多种酶和蛋白质辅助因子的共同协调作 用，需要活化氨基酸作为原料，ATP、GTP提供能 量。整个过程在细胞质中进行。主要包括 遗传基础课件99 氨基酰-tRNA形成 氨基酸在氨基酰-tRNA合成 酶和ATP作用下被活化，并与相应的tRNA结合形 成氨基酰-tRNA复合物。 每一种氨基酸都是由一种或几种特定结构的 tRNA负责转运。成熟tRNA分子由73-90个

53、核苷酸 组成。其结构上有四个功能部位：反密码子环 上的反密码子识别 mRNA上的密码并以碱基互补 方式结合；氨基酸臂携带氨基酸，所有tRNA的3 端都以CAA结尾，末端A以共价键和特定氨基酸 结合成氨酰-tRNA；D-环识别RNA合成酶；TC环 识别核糖体。 遗传基础课件100 tRNA结构 遗传基础课件101 tRNA结构 遗传基础课件102 肽链合成起始 在起始因子( initiation factor, IF) 和GTP作用下，产生蛋氨酰-tRNA-IF-GTP复合物， 复合物与核糖体小亚基结合并在IF介导下，识别 戴帽并沿mRNA 53方向滑动，到达起始密码子 AUG时，蛋氨酰-tRN

54、A通过tRNA的反密码子UAC与 mRNA上的翻译起始信号AUG配对结合，形成起始 复合体(intiation complex)，IF和GTP从起始复合体 释放，大亚基与小亚基结合形成完整的核糖体。 遗传基础课件103 肽链延长 核糖体分子有两个氨酰结合部位， 分别称为肽位(P)和氨酰位(A)，翻译启动时，蛋 氨酰-tRNA结合在P位，P位的蛋氨酰与mRNA的启 动密码配对结合到mRNA分子上，核糖体识别 mRNA下一个密码子，结合相应反密码子的氨酰- tRNA，在转肽酶作用下，蛋氨酰与第2个氨酰结 合形成二肽，蛋氨酰从tRNA脱离，tRNA从核糖体 P位上脱离。移位酶将A位的氨酰-tRNA移

55、动到P位， 核糖体沿53移动一个密码子距离，识别下一 个密码，结合下一个相应氨酰-tRNA。此过程中， 延长因子(EF)同时发挥作用，如此反复将肽链不 断延长，直到终止密码出现。 遗传基础课件104 肽链终止 核糖体沿mRNA 53方向不断移 动，肽链不断延长，当核糖体A位出现终止密码 UAA、UAG、UGA时，A位不再有氨酰-tRNA结合上 去。释放因子(RF)与之结合，使氨酰-tRNA酯键断 裂，核糖体释放出多肽和tRNA，并与mRNA分离， 自身分离成两个亚基。肽链合成结束。 核糖体进行翻译时并不仅仅是一个核糖体在 一条mRNA链上进行翻译，常常是多个核糖体同 时或依次结合在一条mRNA

56、链上进行翻译，在一 个mRNA链上可翻译出很多个肽链分子。与DNA 复制不同的是，翻译的起始点是相同的一个。 遗传基础课件105 翻译后修饰 翻译后的初始产物需要进一步 加工修饰，才能成为具有生物活性的蛋白质或 酶。加工方式包括N端脱甲酰基、 N端乙酰化、 多肽链磷酸化、糖基化、多肽链切割等。多种 酶都有无活性的前体-酶原，需在一定条件经特 定变化才能被激活。 遗传基础课件106 逆转录 早期认为DNARNA蛋白质是单方 向运行而不可逆转运行的。后来发现RNA病毒的 逆转录现象，对上述过程修改为DNARNA蛋 白质或RNA DNARNA蛋白质。 遗传基础课件107 mRNA编辑 转录后的hnR

57、NA需经过戴帽、加 尾、剪接等加工修饰后才能成为成熟mRNA，作 为翻译的模板。通常情况下成熟mRNA的序列与 结构基因的编码序列是对应的，不会发生改变。 但有时并不完全对应，表现为在 mRNA中会有个 别碱基的取代，并引起蛋白质改变。而在一些 低等生物 (锥虫)中，却发现有碱基的缺失和插入。 研究并未在基因组中发现这种改变了的mRNA对 应的DNA序列。因而认为这种改变是发生在 mRNA水平上，被称为 mRNA的编辑。 遗传基础课件108 4. 基因表达调控 在生物基因组中，一些基因的表达产物对生 命过程必需或必不可少，如核糖体、染色体、细 胞骨架等相关蛋白。这类产物的基因通常在个体 发育的

58、各阶段都能在大多数细胞中持续进行表达， 较少受环境因素的影响。这类表达称为组成性基 因表达(constitutive gene expression)，基因则称 为管家基因(housekeeping gene)。 遗传基础课件109 除管家基因外的许多基因并不是在生物生命 过程中的每个时候都在每种细胞中表达。虽然 每个细胞都含有全套基因，人类基因组DNA中约 含34万个基因。但在某一特定发育时期，只有 少数基因根据需要定时定量地表达和关闭，表 现出明显的阶段特性或时间特性。在不同的组 织细胞中，基因表达情况并不同，许多组织中 只是一些与该组织器官功能相关的基因得以表 达，表现出组织特性或空间特

59、性。 遗传基础课件110 基因的表达和关闭，显然受到一套精细的调 控机制控制。基因表达过程的每一个环节都有复 杂而精细的调控机制在发挥作用。具体的调控过 程非常复杂，并可能有多种调控方式。一般认为， 基因表达调控以正性调控为主，阻遏调控为辅， 基因有表达条件时，即可启动和完成表达。根据 基因表达有两个重要环节，可人为地把表达调控 分为转录前、转录中、转录后( 翻译前)、翻译中、 翻译后五个环节的表达调控。 遗传基础课件111 转录前调控 基因能否被表达，第一步取决 于DNA能否被转录，真核生物的DNA分子与组蛋 白和非组蛋白组装成染色质/体形式存在，形成 复杂的空间结构，组蛋白与DNA结合、D

60、NA甲基 化对转录具有抑制作用；组蛋白乙酰化、非组 蛋白磷酸化可与组蛋白结合而使组蛋白与DNA分 离，使DNA分子裸露，有利于转录。非组蛋白去 磷酸化，则出现相反的效应。非组蛋白的磷酸 化与去磷酸化，可受激素-受体信号的调控。染 色体的螺旋化程度也影响转录。 遗传基础课件112 转录过程中的调控 DNA转录过程需要DNA分 子上的启动子、增强子、抑制子等与基因转录 调控有关的特殊序列的存在，并通过它们与转 录相关蛋白、因子相互作用以及蛋白、因子间 的相互作用，最后产生综合性的效应，促进转 录。转录过程已知有10多种蛋白因子(酶、转录 因子)参与。激素与受体结合也会促进转录过程。 遗传基础课件1