第3章遗传物质的分子基础

1、 第三节第三节 特殊的信息转移和中心法则特殊的信息转移和中心法则 按照一般的信息转移过程，遗传信息是由按照一般的信息转移过程，遗传信息是由 DNARNA蛋白质；但有些病毒携带的遗蛋白质；但有些病毒携带的遗 传物质是而不是，它们的遗传传物质是而不是，它们的遗传 信息转移过程是通过复制（信息转移过程是通过复制（ ）或反转录（）或反转录（ ）过程实现的。）过程实现的。 一、复制一、复制 噬菌体的基因组结构：噬菌体的基因组结构： 噬菌体带有（）链，分子量约噬菌体带有（）链，分子量约 1.5 X106D（4500Nt），有四个基因：），有四个基因：成熟蛋白成熟蛋白- 外壳蛋白（和蛋白）外壳蛋白（和蛋白）

2、-复制酶复制酶亚基亚基。 噬菌体的复制酶：噬菌体的复制酶： 噬菌体的复制酶有四个亚基，除自身携噬菌体的复制酶有四个亚基，除自身携 带的带的亚基外，另外三个亚基分别来自宿主细胞的亚基外，另外三个亚基分别来自宿主细胞的S1蛋蛋 白，白，EF-Tu和和EF-Ts因子。因子。 复制酶有两个特点，一是特异性很高，只识别病复制酶有两个特点，一是特异性很高，只识别病 毒自身的分子，而对于其它分子包括其毒自身的分子，而对于其它分子包括其 它病毒的分子都不能起作用，二是比较它病毒的分子都不能起作用，二是比较 倾向于与（倾向于与（-）链结合以制造更多的（）链结合以制造更多的（+）链。）链。 复制过程复制过程 （）

3、带有（）链的病毒：这类病毒如（）带有（）链的病毒：这类病毒如， 脊髓灰质炎病毒等，侵染后，以自身携带的链脊髓灰质炎病毒等，侵染后，以自身携带的链 上的上的亚基的基因马上翻译出亚基的基因马上翻译出亚基，亚基，亚基随即组装亚基随即组装 成复制酶，催化（）链的合成，又以（成复制酶，催化（）链的合成，又以（）链为模板）链为模板 合成（）链，以亲代（）链和子代（）链为模合成（）链，以亲代（）链和子代（）链为模 板又翻译出结构蛋白。最后子代（）链和结构蛋白板又翻译出结构蛋白。最后子代（）链和结构蛋白 组装成成熟噬菌体。组装成成熟噬菌体。 （）带（）链的病毒：这类病毒如狂（）带（）链的病毒：这类病毒如狂 犬

4、病毒、口腔胞疹病毒等，侵染细胞后，必须先将犬病毒、口腔胞疹病毒等，侵染细胞后，必须先将 （）链复制成（）链才能翻译出复制酶，所以在（）链复制成（）链才能翻译出复制酶，所以在 每个成熟的病毒颗粒中都带有复制酶，复制酶与每个成熟的病毒颗粒中都带有复制酶，复制酶与 一道侵染细胞，发动（）链到（）链的合成。一道侵染细胞，发动（）链到（）链的合成。 （）双链病毒：例如呼肠孤病毒，这类（）双链病毒：例如呼肠孤病毒，这类 病毒侵染细胞后先由（）链翻译出复制酶，并以病毒侵染细胞后先由（）链翻译出复制酶，并以 （）链为模板催化合成（）链，以（）链翻译（）链为模板催化合成（）链，以（）链翻译 出结构蛋白及更多的（

5、）链，最后（）链和（）出结构蛋白及更多的（）链，最后（）链和（） 链结合成双链子代再与结构蛋白结合成成熟病链结合成双链子代再与结构蛋白结合成成熟病 毒颗粒。毒颗粒。 二、反转录与反转录病毒二、反转录与反转录病毒 反转录病毒是通过反转录病毒是通过RNARNA反转录成反转录成DNADNA再转录成再转录成RNARNA的的 过程繁殖后代的。过程繁殖后代的。 、反转录酶、反转录酶(reverse transcriptase) 是一种由病是一种由病 毒基因组编码的毒基因组编码的, ,可以以可以以RNARNA为模板为模板, ,将将RNARNA上的遗传信息上的遗传信息 反转录到反转录到DNADNA上的上的DN

6、ADNA聚合酶聚合酶, ,这种酶有三个活性：这种酶有三个活性： （）以（）以RNARNA为模板合成单链为模板合成单链DNA;DNA; （）具有核酸外切酶的活性（）具有核酸外切酶的活性, ,可水解去除可水解去除DNA-RNADNA-RNA杂杂 种分子上的种分子上的RNARNA链；链； （）可以单链（）可以单链DNADNA为模板合成双链为模板合成双链DNADNA。 、反转录病毒、反转录病毒 一类单链线状病毒，一个病毒颗一类单链线状病毒，一个病毒颗 粒含有两个相同的分子（二聚体），带粒含有两个相同的分子（二聚体），带 有三个必须的基因：有三个必须的基因：gaggag（group specific g

7、roup specific antigenantigen核心抗原基因，即外壳蛋白基因）；核心抗原基因，即外壳蛋白基因）； polpol（RNA-dependent DNA polymerase RNA-dependent DNA polymerase 依赖于依赖于 的聚合酶的聚合酶, ,即反转录酶的基因）；即反转录酶的基因）； envenv（envelop)envelop)外膜糖蛋白基因）。外膜糖蛋白基因）。 反转录病毒感染宿主细胞后反转录病毒感染宿主细胞后,其其RNA在反转录在反转录 酶的作用下酶的作用下,反转录成反转录成DNA而后反插入到宿主细胞而后反插入到宿主细胞 基因组中。基因组中。

8、在反转录过程中在反转录过程中,最大的变化就是在最大的变化就是在DNA的末的末 端形成二个端形成二个长末端重复序列（长末端重复序列（long terminal repeats, LTR）。这类似于转座子的末端重复序列。这类似于转座子的末端重复序列, 暗示着反转录病毒可能有类似于转座子的转座作暗示着反转录病毒可能有类似于转座子的转座作 用。在插入宿主染色体的时候用。在插入宿主染色体的时候,可导致宿主染色可导致宿主染色 体的几个体的几个bp的顺向重复。由于反转录病毒可能具的顺向重复。由于反转录病毒可能具 有转座功能有转座功能,因此有人将这类病毒称为因此有人将这类病毒称为反转录转反转录转 座子（座子（

9、retrotransposon). 三、三、DNADNA翻译：翻译： 指利用指利用DNA直接作为信使直接作为信使,在核糖体上翻译在核糖体上翻译 蛋白质的现象。蛋白质的现象。 目前在自然界中尚未发现目前在自然界中尚未发现,但在实验室中利但在实验室中利 用某些抗生素打乱核糖体对模板的选择用某些抗生素打乱核糖体对模板的选择,能够使能够使 DNA直接代替直接代替mRNA而合成多肽。而合成多肽。 四、对中心法则的挑战四、对中心法则的挑战 DNA RNA Protein 1、朊病毒（、朊病毒（Prion）：这是一种引起人类：这是一种引起人类Kuru 病、病、CJD病、病、GSS病；动物的疯牛病（病；动物的

10、疯牛病（mad cow disease)、羊瘙痒病等疾病的、羊瘙痒病等疾病的蛋白质蛋白质因子。因子。 ？ ？ 朊病毒的遗传信息传递问题朊病毒的遗传信息传递问题: 现在已经知道完整朊病毒的分子量现在已经知道完整朊病毒的分子量3335KD，称，称 PrPsc 3335，该蛋白质水解，该蛋白质水解N-末端末端67个氨基酸后成为有个氨基酸后成为有 传染性的病毒颗粒，称传染性的病毒颗粒，称PrPsc 2730。正常细胞内有。正常细胞内有 3335KD的与的与PrPsc 3335一级结构完全相同而二级结构有一级结构完全相同而二级结构有 明显差别的蛋白质，但没有致病性，称明显差别的蛋白质，但没有致病性，称P

11、rPc。 PrPc一旦一旦 与与PrPsc结合将转变为结合将转变为PrPsc 。这就是朊病毒的繁殖方式。这就是朊病毒的繁殖方式。 由此可知由此可知PrP（Prion Protein）是由细胞内的基因编码的，）是由细胞内的基因编码的， PrPc与与PrPsc是一种同分异构体。是一种同分异构体。 问题问题：在：在PrPc转变为转变为PrPsc的过程中，的过程中， PrPsc必须将遗传信必须将遗传信 息传递给息传递给PrPc，即将自己的立体结构的信息传递给，即将自己的立体结构的信息传递给PrPc 。 蛋白质与蛋白质之间遗传信息靠什么传递？蛋白质与蛋白质之间遗传信息靠什么传递？ 2 2、以蛋白质为模板

12、的肽链合成、以蛋白质为模板的肽链合成：许多多肽抗：许多多肽抗 生素的合成并不是为生素的合成并不是为DNADNA所编码，没有所编码，没有mRNAmRNA， 也不在核糖体上合成。也不在核糖体上合成。LipmannLipmann发现这些多肽发现这些多肽 是直接由某些多酶体系合成的，如短杆菌肽。是直接由某些多酶体系合成的，如短杆菌肽。 3 3、蛋白质翻译后的加工、蛋白质翻译后的加工：有些蛋白质刚合成：有些蛋白质刚合成 后是没有活性的，必须经过一定的加工才能成后是没有活性的，必须经过一定的加工才能成 为有活性的蛋白质，这些加工过程包括糖基化、为有活性的蛋白质，这些加工过程包括糖基化、 脂化以及肽链的剪切

13、等过程，这些过程的遗传脂化以及肽链的剪切等过程，这些过程的遗传 信息又是如何来的？信息又是如何来的？ n真核基因组中编码蛋白质的序列大概只占0.5% -5%。 有大量的非编码序列，即 这种现象称DNA冗余。 DNA的重复序列的重复序列(repetitive sequence) 基因组DNA根据拷贝数的多寡,可分为： 单拷贝序列：非重复序列, 约占基因组的4070%。 少量(轻度)重复序列：10拷贝以下,约占10%,如珠蛋 白基因、酵母tRNA基因。 中度重复序列：在10105拷贝,约占基因组的10% 40%。可分为顺向重复序列（directed sequence DR)和 反向重复序列（inv

14、erted sequence IR)。如Alu family 高度重复序列：在105106拷贝,约占基因组的10% 20%,主要是所谓的卫星DNA。 1、1941年，首先由年，首先由Beadle和和Tatum提出该假说。提出该假说。 2、“一基因一酶假说一基因一酶假说”的主要内容的主要内容 对结构基因而言，一种基因仅能表达一种多肽。对结构基因而言，一种基因仅能表达一种多肽。 3、“一基因一酶假说一基因一酶假说”的证据的证据 前体前体 鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸 arg1arg2 arg3 酶酶1 酶酶2 酶酶3 精氨酸的代谢途径精氨酸的代谢途径 互补测验 重组率重组率=(2=(2重组

15、子数重组子数)/)/总噬菌体数总噬菌体数100%100% 互补互补(complementation): 当两个突变型同时感染 E. coli K时,互相弥补对方的缺陷,共同在菌体内增殖,引起 溶菌,释放原来的两个突变型。 互补测验：互补测验：用于测定不同突变之间的功能关系（是 等位的、还是非等位的）。方法是使两个突变处于反 式结构，观察两个突变之间是否可以互补，可以互补 说明两个突变处于不同的功能单位，反之，说明两个 突变处于相同的功能单位（属于同一个顺反子）。 互补测验中，两个突变位点是处于顺式结构还 是处于反式结构，结果会有什么不同呢？ Benzer将顺式结构与反式结构的遗传学效应不同 的

16、现象称为顺反位置效应。 将具有顺反位置效应的功能单位称为顺反子 （cistron)。 位置 4、基因结构研究的一系列成果：、基因结构研究的一系列成果： 1）操纵子）操纵子（Operon） 2）重叠基因）重叠基因(Overlapping gene) X174：1977年年Sanger等人对等人对X174噬菌体的核噬菌体的核 苷酸顺序进行分析时，发现了基因的重叠现象，苷酸顺序进行分析时，发现了基因的重叠现象， 同时还发现遗传密码也有重叠现象。同时还发现遗传密码也有重叠现象。 所谓所谓重叠基因重叠基因，是指相邻的两个基因共用一段，是指相邻的两个基因共用一段 核苷酸顺序的现象。核苷酸顺序的现象。 AB

17、CDEJ FGHK 起始起始 3973 5064 133 390 568 845 10012386292351 终止终止13348390 845 840 961 227529113903218 3）断裂基因）断裂基因(split gene)(intron 22) 急性早幼粒细胞白血病急性早幼粒细胞白血病 t(15;17) 急性淋巴细胞白血病急性淋巴细胞白血病 t(4;11) 急性粒细胞白血病急性粒细胞白血病 t(8;21) 前列腺癌前列腺癌 del(10q) 滑膜瘤滑膜瘤 t(X;18) 睾丸癌睾丸癌 i(12p) 成视网膜细胞瘤成视网膜细胞瘤 del(13q) Wilms瘤瘤 del(11p

18、) D. 基因突变引起原癌基因的活化基因突变引起原癌基因的活化 抑癌基因抑癌基因（tumor suppressor gene)：指当基因存在或：指当基因存在或 表达时能够抑制肿瘤产生的一类基因。如表达时能够抑制肿瘤产生的一类基因。如p53等等 9）tRNA基因基因 原核生物原核生物 tRNA 的分布有二种情况： (1)以基因簇形式组成多顺反子转录单位：在 E.coli 中以基因簇形式组成的多顺反子已测定了 约60个，例如1981年鉴定的一个操纵子含个 tRNA基因：Met-Leu-Gln-Gln-Met-Glu-Glu，它们可以 转录出一条RNA，经剪切后形成个tRNA。 (2)与rRNA基因

19、（rDNA）连接在一起：原核生 物的tDNA有些是与rDNA连接在一起，随rRNA一道 转录。 真核生物真核生物tDNAtDNA：也是多拷贝，成簇地排列 在一起的，与原核生物不同在于：它的是单顺 反子转录的并且具有内含子。 10）rRNA基因（基因（rDNA） 原核生物原核生物rDNArDNA：原核生物有16S，23S和5S三 种rRNA，这三个rRNA串联在一起，在其间又插 入一些tRNA组成一个操纵子，转录出一条30S rRNA的前体，经剪切加工后形成三种rRNA。这 么一个操纵子在基因组中是多次重复的，形成 一个基因复合体。 真核生物真核生物rDNArDNA： 真核生物有18S,28S,5.8S和5S四种rRNA。在 真核生物中,18S,28S和5.8S rDNA串联在一起构成 一个基因簇,这一基因复合体位于核仁组织者区。 转录时18S、28S、5.8S rDNA一起转录（即多顺 反子转录）出一条45SrRNA前体，经剪切加工后 形成三种rRNA。位于核仁组织者区的rRNA，由 RNA pol I转录。 真核生物的5S rRNA位于核仁组织者区之外, 也是多拷贝重复的,